이해하기 쉬운 생화학 3장. 효소 enzyme

[문형철]

beyond reason

우리 몸 신체활동은 거의 대부분 효소에 의해 영향을 받는다

잠을 더 잘지 말지

성호로몬을 더 만들지 말지

밥을 더 먹으라고 신호를 보낼지 말지

산을 오를 에너지를 지금 더 만들지 말지

모두 효소의 작용에 영향을 받는다

Enzyme structure and function

In this lesson, the three-dimensional structure of proteins will be discussed: the primary structure of polypeptides, secondary structures in proteins (α-helix, β-sheet), and the tertiary structure. The concept of an enzyme active site will be introduced.

Aims
By the end of this lesson, you should

1. be familiar with the main features of protein structure
2. understand the concept of an enzyme active site

Contents

• 1What is an enzyme?
• 2Structure of Enzymes
  • 2.1Primary structure
  • 2.2Secondary structure
  • 2.3Tertiary structure
• 3Substrate binding

What is an enzyme?[edit]

α-chymotrypsin. The labelled amino acids form the active site of the enzyme.

Enzymes are protein macromolecules.
• They have a defined amino acid sequence, and are typically 100-500 amino acids long.
• Enzymes are catalysts.
  • They act as a catalyst to a chemical or biochemical reaction, with a defined mechanism.
  • They increase the speed of that reaction, typically by 10⁶-10¹⁴ times faster than the rate of the uncatalysed reaction.
  • They are selective for a single substrate.
  • They speed up rate of reaction by lowering the activation energy (Ea).
  • They are stereospecific, meaning the reaction produces a single product.
    

Structure of Enzymes[edit]

Primary structure[edit]

Enzymes are made up of amino acids which are linked together via amide (peptide) bonds in a linear chain. This is the primary structure. The resulting amino acid chain is called a polypeptide or protein. The specific order of amino acid in the protein is encoded by the DNA sequence of the corresponding gene.

Click here for a list of all 20 amino acids.

Secondary structure[edit]

The hydrogen in the amino group (NH₂) and the oxygen in the carboxyl group (COOH) of each amino acid can bond with each other by means of hydrogen bond, this means that the amino acids in the same chain can interact with each other. As a result, the protein chain can fold up on itself, and it can fold up in two ways, resulting in two secondary structures: it can either wrap round forming the α-helix, or it can fold on top of itself forming the β-sheet.

• 

  α-helix

 
• 

  β-sheet

 
• 

  Molecular diagram of β-sheets

In the images above, the dotted lines represent the hydrogen bonds. There are two forms of β-sheet, depending on the direction of the protein chain. If the direction alternates between every fold, it forms an anti-parallel sheet; if it remains the same direction, it forms a parallel sheet.

Tertiary structure[edit]

As a consequence of the folding-up of the 2D linear chain in the secondary structure, the protein can fold up further and in doing so gains a three-dimensional structure. This is its tertiary structure.

Lysozyme. The red helices are α-helices, and the blue arrows the β-sheets.

Substrate binding[edit]

maltose(맥아당, 2당류) 

- 2분자의 포도당이 알파(1-4) 글리코시드 결합으로 연결된 이당류. 화학식은 C12H22O11

- maltose는 녹말이 핵심구조 아밀로스의 2단위 구성원. 베타-아밀레이스가 녹말을 분해할때 한번에 2분자의 포도당을 제거해서 maltose를 생성. 

maltose - substrate(기질)

amlylas - enzyme

All enzymes have an active site, where the reaction is catalysed. This part of the enzyme has the specific shape and functional groups to bind to the reacting molecules (called the substrate). Hence the active site contains a small number of catalytic amino acids, which are essential in catalysing the reaction. The substrate molecule can bind to the active site via non-covalent interactions:

1. electrostatic interactions

   for example, those amino acids in section A of this list will attract an oppositely charged substrate.

2. hydrogen bonding

   typically between the amide and carboxyl groups of the amino acid can form hydrogen bonds with the substrate.

3. Van der Waals interactions

   for example, those amino acids in section B of this list.

4. hydrophobic interactions

   for example, those amino acids in section D of this list will repel water.

Enzyme catalysis

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This lesson will explain the transition state theory of enzyme catalysis, the Michaelis-Menten model for enzyme kinetics, and the kinetic parameters K_m, k_cat, and k_cat/K_m. Scenarios for simple enzyme inhibition will be illustrated. Enzymes employ several strategies for catalysis: proximity effects (illustrated by intramolecular catalysis); acid/base catalysis; covalent catalysis; strain/distortion.

Contents

• 1Aims
• 2Theory
• 3Kinetic model
• 4Strategies for catalysis

Aims[edit]

By the end of this lesson, you should

1. be familiar with the Michaelis-Menten model
2. understand the steady state kinetic parameters
3. understand the types of enzyme inhibition
4. understand the four strategies used by enzymes in catalysis
5. understand the molecular basis for proximity effects and intramolecular catalysis
6. know examples of amino acid residues which could participate in acid/base and covalent catalysis

1. 효소(단백질)

체내에서 수많은 화학반응이 36.5도 체온, pH 7.5, 1기압의 생리적 조건에서 대단히 활발하게 진행됨. 이러한 화학반응은 체내에서 합성되는 효소(enzyme)의 작용에 의해 진행됨. 

'생체반응은 효소에 의해 빠르고 정확하게 진행되며 이때 효소는 반응을 촉매할뿐 자신은 변하지 않음'

2. 효소의 분류

1) 관용명 recommended name

관용명은 기질 이름에 -ase를 붙이거나(glucosidase, urease, amylase, lactase)  펩신, 트립신과 같이 관련 효소반응에 대한 정보를 제공하지 않고 발견 당시의 명칭을 그대로 사용. 

표 3-1. 효소의 분류

종류	유형	예
산화환원효소(oxidoreductase)	산화-환원반응에 관여함	젖산 탈수소효소
전이효소(transferase)	기능기의 전달촉매	헥소키나아제
가수분해효소(hydrolase)	가수분해 반응촉매	요소 분해효소
부가, 제거효소(lyase)	기능기의 부가 또는 제거 반응촉매	피루브산 탈수소효소
이성화효소(isomerase)	광학적 기하학적 이성질체의 재배열 반응촉매	포도당-6-인산 이성질화효소
합성효소(ligase)	ATP 등이 관여하는 축합 또는 그것에 관계되는 반응촉매	피루브산 카르복실화효소

Difference Between Enzymes and Hormones

(젖산 탈수소 효소)

젖산 탈수소효소(-酸 脫水素酵素,lactate dehydrogenase)는 젖산 발효(lactic acid fermentation)에서 탄소 3개인 피루브산 1분자를 역시 탄소 3개인 젖산 1분자로 바꾸면서 NADH를 NAD+ 1분자로 바꾸는 효소이다. 이렇게 NAD+를 재생해서 해당과정에 2 NAD+를 기질로 투입하여 해당과정에서 1 포도당(탄소 6개)에서 2 ATP를 생산하게 한다

Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) is a cofactor that is central to metabolism. Found in all living cells, NAD is called a dinucleotide because it consists of two nucleotides joined through their phosphate groups. One nucleotide contains an adenine nucleobase and the other nicotinamide. NAD exists in two forms: an oxidized and reduced form, abbreviated as NAD⁺ and NADH respectively.

Lactate dehydrogenase

Lactate dehydrogenase (LDH) is an enzyme of anaerobic glycolysis; it converts pyruvate to lactate using NADH, thus representing anaerobic metabolism of glucose.

Lactate dehydrogenase (LDH) is found in a variety of body tissues. Isoenzyme fractions are used to identify the type of tissue damage. LDH1 and LDH2 are found in the heart, brain, and erythrocytes. LDH3 is found in the brain and kidneys. LDH4 is found in the liver, skeletal muscle, and kidneys. LDH5 is found in the liver, skeletal muscle, and ileum. LDH2 normally accounts for the highest percentage of total serum LDH. After a myocardial infarction the rise in LDH1 concentration exceeds the rise in LDH2 concentration (the LDH1/LDH2 ratio is >1; a “flipped” ratio). LDH increases within about 12 hours after a myocardial infarction, peaks between 24 and 48 hours, and normalizes by about day 10.

Enzyme regulation[edit]

This protein may use the morpheein model of allosteric regulation.^[8]

Ethanol-induced hypoglycemia[edit]

Ethanol is dehydrogenated to acetaldehyde by alcohol dehydrogenase, and further into acetic acid by acetaldehyde dehydrogenase. During this reaction 2 NADH are produced. If large amounts of ethanol are present, then large amounts of NADH are produced, leading to a depletion of NAD⁺. Thus, the conversion of pyruvate to lactate is increased due to the associated regeneration of NAD⁺. Therefore, anion-gap metabolic acidosis (lactic acidosis) may ensue in ethanol poisoning.

The increased NADH/NAD+ ratio also can cause hypoglycemia in an (otherwise) fasting individual who has been drinking and is dependent on gluconeogenesis to maintain blood glucose levels. Alanine and lactate are major gluconeogenic precursors that enter gluconeogenesis as pyruvate. The high NADH/NAD+ ratio shifts the lactate dehydrogenase equilibrium to lactate, so that less pyruvate can be formed and, therefore, gluconeogenesis is impaired.

Substrate regulation[edit]

LDH is also regulated by the relative concentrations of its substrates. LDH becomes more active under periods of extreme muscular output due to an increase in substrates for the LDH reaction. When skeletal muscles are pushed to produce high levels of power, the demand for ATP in regards to aerobic ATP supply leads to an accumulation of free ADP, AMP, and Pi. The subsequent glycolytic flux, specifically production of pyruvate, exceeds the capacity for pyruvate dehydrogenase and other shuttle enzymes to metabolize pyruvate. The flux through LDH increases in response to increased levels of pyruvate and NADH to metabolize pyruvate into lactate.^[9]

Transcriptional regulation[edit]

LDH undergoes transcriptional regulation by PGC-1α. PGC-1α regulates LDH by decreasing LDH A mRNA transcription and the enzymatic activity of pyruvate to lactate conversion.^[10]

헥소키나아제(hexokinase)

헥소키네이스(영어: hexokinase) (EC 2.7.1.1) 또는 헥소키나아제는 육탄당을 인산화하여 육탄당 인산을 생성하는 반응을 촉매하는 효소이다. 대부분의 생물에서 포도당은 헥소키네이스의 가장 중요한 기질이며, 포도당 6-인산은 가장 중요한 생성물이다. 헥소키네이스는 ATP로부터 인산기를 기질로 전달할 수 있는 능력이 있다

Glucose is unique in that it can be used to produce ATP by all cells in both the presence and absence of molecular oxygen (O₂). The first step in glycolysis is the phosphorylation of glucose by hexokinase. 

By catalyzing the phosphorylation of glucose to yield glucose 6-phosphate, hexokinases maintain the downhill concentration gradient that favors the facilitated transport of glucose into cells. This reaction also initiates all physiologically relevant pathways of glucose utilization, including glycolysis and the pentose phosphate pathway.^[4] The addition of a charged phosphate group at the 6-position of hexoses also ensures 'trapping' of glucose and 2-deoxyhexose glucose analogs (e.g. 2-deoxyglucose, and 2-fluoro-2-deoxyglucose) within cells, as charged hexose phosphates cannot easily cross the cell membrane.

가수분해효소(hydrolase)

Hydrolase is a class of enzyme that commonly perform as biochemical catalysts that use water to break a chemical bond, which typically results in dividing a larger molecule to smaller molecules. Some common examples of hydrolase enzymes are esterases including lipases, phosphatases, glycosidases, peptidases, and nucleosidases.

Esterases cleave ester bonds in lipids and phosphatases cleave phosphate groups off molecules. 

An example of crucial esterase is the acetylcholine esterase, which assists in transforming the neuron impulse into acetic acid after it the hydrolase breaks the acetylcholine into choline and acetic acid.^[1] Acetic acid is an important metabolite in the body and a critical intermediate for other reactions such as glycolysis. 

Lipases hydrolyze glycerides. 

Glycosidases cleave sugar molecules off carbohydrates and peptidases hydrolyze peptide bonds. 

Nucleotidases hydrolyze the bonds of nucleotides.^[2]

Hydrolase enzymes are important for the body because they have degradative properties. In lipids, lipases contribute to the breakdown of fats and lipoproteins and other larger molecules into smaller molecules like fatty acids and glycerol. 

Lipases are involved in diverse biological processes which range from routine metabolism of dietary triglycerides to cell signaling^[14] and inflammation.^[15] Thus, some lipase activities are confined to specific compartments within cells while others work in extracellular spaces.

• In the example of lysosomal lipase, the enzyme is confined within an organelle called the lysosome.

• 

• Other lipase enzymes, such as pancreatic lipases, are secreted into extracellular spaces where they serve to process dietary lipids into more simple forms that can be more easily absorbed and transported throughout the body.

• Fungi and bacteria may secrete lipases to facilitate nutrient absorption from the external medium (or in examples of pathogenic microbes, to promote invasion of a new host).
• Certain wasp and bee venoms contain phospholipases that enhance the effects of injury and inflammation delivered by a sting.

• As biological membranes are integral to living cells and are largely composed of phospholipids, lipases play important roles in cell biology.
• Malassezia globosa, a fungus thought to be the cause of human dandruff, uses lipase to break down sebum into oleic acid and increase skin cell production, causing dandruff.^[16]

Endothelial lipase (LIPG) is a form of lipase secreted by vascular endothelial cells in tissues with high metabolic rates and vascularization, such as the liver, lung, kidney, and thyroid gland.^[1] The LIPG enzyme is a vital component to many biological process. These processes include lipoprotein metabolism, cytokine expression‎, and lipid composition in cells.^[1] Unlike the lipases that hydrolyze Triglycerides, endothelial lipase primarily hydrolyzes phospholipids.^[1] Due to the hydrolysis specificity, endothelial lipase contributes to multiple vital systems within the body. On the contrary to the beneficial roles that LIPG plays within the body, endothelial lipase is thought of to play a potential role in cancer and inflammation.^[1] Knowledge obtained in vitro and in vivo suggest the relations to these conditions, but human interaction knowledge lacks due to the recent discovery of endothelial lipase.^[2] Endothelial lipase was first characterized in 1999.^[3] The two independent research groups which are notable for this discovery cloned the endothelial lipase gene and identified the novel lipase secreted from endothelial cells.^[2] The anti-Atherosclerosis opportunity through alleviating plaque blockage and prospective ability to raise High-density lipoprotein (HDL) have gained endothelial lipase recognition.

Hepatic lipase (HL), also called hepatic triglyceride lipase (HTGL) or LIPC (for "lipase, hepatic"), is a form of lipase, catalyzing the hydrolysis of triacylglyceride. Hepatic lipase is coded by chromosome 15 and its gene is also often referred to as HTGL or LIPC.^[6] Hepatic lipase is expressed mainly in liver cells, known as hepatocytes, and endothelial cells of the liver. The hepatic lipase can either remain attached to the liver or can unbind from the liver endothelial cells and is free to enter the body's circulation system.^[7] When bound on the endothelial cells of the liver, it is often found bound to HSPG, heparan sulfate proteoglycans (HSPG), keeping HL inactive and unable to bind to HDL (high density lipoprotein) or IDL (intermediate density lipoprotein).^[8] When it is free in the bloodstream, however, it is found associated with HDL to maintain it inactive. This is because the triacylglycerides in HDL serve as a substrate, but the lipoprotein contains proteins around the triacylglycerides that can prevent the triacylglycerides from being broken down by HL.

가수 분해 효소 또는 하이드롤레이스(hydrolase)는 생화학에서 화학 결합의 가수 분해를 촉매하는 효소이다. 예를 들어, 가수 분해 효소는 다음의 반응을 촉매한다.

A–B + H₂O → A–OH + B–H

부가, 제거효소(lyase)

ex) decarboxylase, aldehyde lyase - 탄소결합을 떼는 효소

     dehydratase - 탄소-산소결합을 떼는 효소

     adenylyl cyclase, guanylyl cyclase - 인-산소 결합을 떼는 효소

분해 효소 또는 리에이스(lyase)는 생화학에서 가수 분해와 산화 이외의 다양한 화학 결합을 끊는 것을 촉매하는 효소이다. 예를 들어, 다음 반응을 촉매하는 것을 분해 효소라고 한다.

ATP → cAMP + PP_i

분해 효소는 다른 효소와는 다른데, 분해 효소는 한 방향의 반응으로 오직 하나의 기질을 요구한다. 그러나 두 개의 기질은 역방향의 반응을 만든다.

분해 효소는 효소위원회번호(Enzyme Commission number,EC)의 EC4 로 분류된다. 분해 효소는 7개의 아강(subclass)로 분류된다

• EC 4.1 탄소-탄소 결합을 자른다. decarboxylases (EC 4.1.1), aldehyde lyases (EC 4.1.2), oxo acid lyases(EC 4.1.3) 와 다른 것들 (EC 4.1.99)
• EC 4.2 탄소-산소 결합을 자른다. dehydratases

이성화효소(isomerase)

이성질화 효소(Isomerase)는 생화학에서 구조적 재배열을 촉매하는 효소이다. 이성질화 효소는 다음과 같은 이성질체화 반응을 촉매한다.

A → B

여기서 B는 A의 이성질체이다.

예) 핵산의 이성질화 효소

합성효소(연결효소 ligase)

연결 효소 또는 라이게이스(영어: ligase) 또는 리게이스는 생화학에서 두 개의 큰 분자가 새로운 결합을 형성하는 것을 촉매하는 효소이다. 라틴어 동사 ligāre — "붙다" 또는 "서로 붙다" 에서 유래하였다. 일반적으로, 연결효소는 다음의 반응을 촉매한다.

Ab + C → A–C + b

또는 때때로

Ab + cD → A–D + b + c

소문자는 작은 것을 의미한다

연결효소는 흔히 DNA 연결효소와 같이 이름 자체에 ‘연결효소’라는 단어가 포함된다. 다음으로 많이 포함하는 단어는 ‘합성효소’이다. 연결효소는 새로운 분자를 합성하곤 하기 때문이다.

분자생물학은 때때로 합성효소를 생성효소와 다르게 보기도 한다. 정의로 구별하자면, 합성효소가 뉴클레오사이드 3인산의 에너지를 활용하는 반면에, 생성효소는 뉴클레오사이드 3인산의 에너지를 사용하지 않는다. 또 합성효소가 연결효소인데 반해서, 생성효소는 분해효소(다양한 화합 결합을 산화나 가수 분해를 이용하지 않고 끊는 효소, 이중결합을 형성하거나 고리 구조를 만들어낸다.)라고 말해지기도 하고, 어떤 에너지도 필요로 하지 않는다. 반면에, Joint Commission on Biochemical Nomenclature(JCBN)이 제정한 바로는 생성효소는 합성을 유도하는 어떤 효소에서도(뉴클레오사이드 3인산의 에너지를 사용 유무에 상관없이) 쓰일 수 있다고 명시하기도 한다.

carboxylase

Pyruvate carboxylase (PC) encoded by the gene PC is an enzyme of the ligase class that catalyzes (depending on the species) the physiologically irreversible carboxylation of pyruvate to form oxaloacetate (OAA).

acetyl transferase 

Acetyltransferase (or transacetylase) is a type of transferase enzyme that transfers an acetyl group.

Examples include:

• Histone acetyltransferases including CBP histone acetyltransferase
• Choline acetyltransferase
• Chloramphenicol acetyltransferase
• Serotonin N-acetyltransferase
• NatA Acetyltransferase
• NatB acetyltransferase

aminotransferase

Transaminases or aminotransferases are enzymes that catalyze a transamination reaction between an amino acid and an α-keto acid. They are important in the synthesis of amino acids, which form proteins.

An amino acid contains an amine (NH₂) group. A keto acid contains a keto (=O) group. In transamination, the NH₂ group on one molecule is exchanged with the =O group on the other molecule. The amino acid becomes a keto acid, and the keto acid becomes an amino acid.

Most transaminases are protein enzymes. However, some transamination activities of the ribosome have been found to be catalyzed by ribozymes (RNA enzymes). Examples being the hammerhead ribozyme, the VS ribozyme and the hairpin ribozyme.

Transaminases require the coenzyme pyridoxal-phosphate, which is converted into pyridoxamine in the first half-reaction, when an amino acid is converted into a keto acid. Enzyme-bound pyridoxamine in turn reacts with pyruvate, oxaloacetate, or alpha-ketoglutarate, giving alanine, aspartic acid, or glutamic acid, respectively. Many transamination reactions occur in tissues, catalysed by transaminases specific for a particular amino/keto acid pair. The reactions are readily reversible, the direction being determined by which of the reactants are in excess. This reversibility can be exploited for synthetic chemistry applications to achieve the synthesis of valuable chiral amines. The specific enzymes are named from one of the reactant pairs, for example; the reaction between glutamic acid and pyruvic acid to make alpha ketoglutaric acid and alanine is called glutamic-pyruvic transaminase or GPT for short.

mutase(산화와 환원을 동시에 촉매하는 효소)

A mutase is an enzyme of the isomerase class that catalyzes the movement of a functional group from one position to another within the same molecule.^[1] In other words, mutases catalyze intramolecular group transfers. Examples of mutases include bisphosphoglycerate mutase, which appears in red blood cells and phosphoglycerate mutase, which is an enzyme integral to glycolysis. In glycolysis, it changes 3-phosphoglycerate to 2-phosphoglycerate. In particular it moves phosphate groups within a single molecule, for instance: phosphoglycerate mutase.

reductase(환원효소)

A reductase is an enzyme that catalyzes a reduction reaction.^[1][2]

Examples[edit]

• 5α-Reductase
• 5β-Reductase
• Dihydrofolate reductase
• HMG-CoA reductase
• Methemoglobin reductase
• Ribonucleotide reductase
• Thioredoxin reductase
• E. coli nitroreductase
• Methylenetetrahydrofolate reductase

참고) Peroxidases or peroxide reductases (EC number 1.11.1.x) are a large group of enzymes which play a role in various biological processes. They are named after the fact that they commonly break up peroxides.

oxidase(산화효소)

An oxidase is an enzyme that catalyzes an oxidation-reduction reaction, especially one involving dioxygen (O₂) as the electron acceptor. In reactions involving donation of a hydrogen atom, oxygen is reduced to water (H₂O) or hydrogen peroxide (H₂O₂). Some oxidation reactions, such as those involving monoamine oxidase or xanthine oxidase, typically do not involve free molecular oxygen.^[1][2] The oxidases are a subclass of the oxidoreductases.

An important example is cytochrome c oxidase, the key enzyme that allows the body to employ oxygen in the generation of energy and the final component of the electron transfer chain. Other examples are:

• glucose oxidase
• Monoamine oxidase
• cytochrome P450 oxidase
• NADPH oxidase
• Xanthine oxidase
• L-gulonolactone oxidase
• laccase
• lysyl oxidase
• Polyphenol oxidase
• Sulfhydryl oxidase. This enzyme oxidises thiol groups.

kinase 

키네이스(Kinase, 키나아제), 또는 인산화효소(燐酸化酵素)는 ATP와 같은 고에너지 주개 분자의 인산기를 특정한 기질에 전달하는 인산화반응을 촉매하는 효소이다. 인산화효소는 인산전달효소(phosphotransferase)족의 한 부분이다. 인산화효소는 무기 인산기를 받개에 부가하는 반응을 매개하는 가인산분해효소(phosphorylase)나, 인산기를 제거하는 반응을 매개하는 인산가수분해효소(phosphatase)와 구분하여야 한다. 단백질, 지질 또는 탄수화물은 인산화 상태에 따라 활성, 반응성, 다른 분자와 결합할 수 있는 능력 등이 변화한다. 따라서 인산화효소는 물질대사, 세포간 신호전달(cell signaling), 단백질 조절(protein regulation), 세포 수송, 분비 및 그 밖에 수많은 세포반응경로에 매우 중요한 역할을 한다.

단백질 인산화효소(Protein kinase)는 단백질의 세린, 트레오닌, 타이로신, 히스티딘 잔기를 인산화한다. 인산화를 통하여 단백질의 기능은 다방면으로 변화한다. 단백질의 활성을 증가시키거나 감소시키고, 안정화하거나 분해를 위한 표식이 되기도 하며, 특정한 세포 구획에 위치시키기도 하고, 다른 단백질과의 상호작용을 개시하거나 교란할 수 있다. 단백질 인산화효소는 인산화효소의 대부분을 차지하며 널리 연구의 대상이 된다.^[6] 단백질 인산화효소는 인산분해효소와 함께 세포 신호전달뿐만 아니라 단백질 및 효소 조절 역할을 한다.

세포 단백질은 수많은 공유결합의 대상이지만 인산화반응처럼 가역적인 공유결합은 많지 않다. 이로 인하여 단백질의 인산화가 조절적 기능을 갖는 것이다. 다른 자리 입체성 조절 이외에도 단백질과 공유결합할 수 있는 방법이 많으므로 단백질 기능을 조절할 수 있는 가능성은 무궁무진하다. 에드윈 크레브스는 홉킨스 회고 강연에서 다른 자리 입체성 조절은 세포 내부에서 일어나는 신호에 반응하기 위하여 일어나는 반면, 인산화는 세포 외부로부터의 신호에 대해 일어나도록 진화하였다고 주장하였다. 원핵생물에 비하여 진핵생물은 폭넓은 신호에 반응하도록 진화한 복잡한 세포이기 때문에, 이 주장은 단백질 인산화가 진핵생물에서 더 빈번하게 일어난다는 것과 일치한다.^[7]

지질 인산화효소(Lipid kinases)는 원형질막 뿐만 아니라 세포소기관 막에 있는 지질을 인산화한다. 인산기의 부가로 지질의 반응성과 위치가 달라지고 신호 전달에 이용될 수 있다. 포스파티딜이노시톨 인산화효소(Phosphatidylinositol kinases)는 포스파티딜이노시톨(phosphatidylinositol)을 인산화하여 포스파티딜이노시톨 3,4-이인산(phosphatidylinositol 3,4-bisphosphate, PI(3,4)P₂), 포스파티딜이노시톨 3,4,5-삼인산(phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate, PIP₃), 그리고 포스파티딜이노시톨 3-인산(phosphatidylinositol 3-phosphate, PI3P) 등을 만든다. 포스파티딜이노시톨 인산화효소의 예로는 포스포이노시티드 3-인산화효소(phosphoinositide 3-kinase, PI3K), 포스포파티딜이노시톨-4-인산 3-인산화효소(phosphatidylinositol-4-phosphate 3-kinase, 그리고 포스파티딜이노시톨-4,5-이인산 3-인산화효소(phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 3-kinase)가 있다. 포스파티딜이노시톨의 인산화 상태는 인슐린 신호전달경로와 같은 세포신호전달에 중요한 역할을 하고, 세포내이입(endocytosis), 세포외유출(exocytosis 및 기타 수송에도 역할을 한다.^[15][16] PI3K와 같은 포스파티딜이노시톨 인산화효소에 돌연변이가 생기면 암이나 인슐린 저항성을 유발할 수 있다.^[17]

스핑고신 인산화효소(Sphingosine kinase)은 스핑고신을 스핑고신-1-인산(sphingosine-1-phosphate, S1P)으로 전환하는 효소이다. 스핑고지질은 막에 널리 존재하는 막지질이다. 스핑고신 인산화효소가 활성화되면 세포질에서 원형질막으로 이동하여 ATP나 GTP의 γ 인산기(제일 끝 혹은 마지막 인산기)를 스핑고신으로 전달한다. S1P 수용체는 GPCR로 S1P는 G 단백질 신호전달을 조절할 수 있는 능력을 지닌다. 결과적으로 ERK, Rho GTPase, Rac GTPase 인지질분해효소 C(phospholipase C, PLC) 그리고 AKT/P13K와 같은 세포내 인자를 활성화한다. 또한 세포 내의 표적 분자에 효과를 발휘한다. S1P는 히스톤 탈아세틸효소(histone deacetylase, HDAC)의 탈아세틸 활성을 직접적으로 저해한다. 반대로 탈인산화된 스핑고신은 세포자살을 촉진하고 따라서 스핑고신 인산화효소의 조절을 이해하는 것이 중요하다. 스핑고신 인산화효소가 세포증식을 촉진하고 SK1(스핑고신 인산화효소의 한 종류)이 특정 유형의 암에서 고농도로 존재한다는 점을 미루어 보아 스핑고신 인산화효소가 암세포의 성장을 지속시킬 가능성이 있다. 포유동물 세포에는 SK1와 SK2 두 종류의 스핑고신 인산화효소가 존재한다. SK1이 SK2에 비하여 더 특이적이고, 그들의 발현 유형도 상이하다. SK1은 폐, 비장, 림프구에 발현되는 반면 SK2은 신장과 간세포에서 발견된다. 이 두 인산화효소는 세포생존, 증식, 분화 및 염증과 연관이 있어 화학요법의 대상이 된다.

많은 포유동물에게 탄수화물은 일일 열량 필요량의 대부분을 공급한다. 올리고당에서 에너지를 얻기 위해서는 우선 단당류로 분해되어 세포대사로 들어가야 한다. 인산화효소는 거의 모든 대사 경로에서 중요한 역할을 한다. 그림은 해당(glycolysis)의 두 번째 시기를 보여준다. 1,3-이인산 글리세르산의 무수결합은 불안정하고 높은 에너지를 가진다. 1,3-이인산 글리세르산 인산화효소는 ADP를 이용하여 3-인산 글리세르산과 ATP를 생산한다. 해당의 마지막 과정에서 피루브산 인산화효소는 포스포엔올피루브산의 인산기를 ADP로 전달하여 ATP와 피루브산을 생산한다.

헥소키나아제(헥소인산화효소, Hexokinase)는 포도당이 처음 세포 내로 들어가게 하는 일반적인 효소이다. ATP의 감마 인산기를 D-포도당의 C6로 전달하여 포도당-6-인산으로 전환한다. 인산기의 음전하로 인해 포도당-6-인산은 세포질 내에 머무르고 해당 과정으로 들어갈 수 있다. 탈인산화된 형태의 포도당은 다시 세포막을 거쳐 세포 바깥으로 쉽게 유출된다.^[20] 헥소키네이스에 돌연변이가 생기면 헥소키네이스 결핍 상태로 비구형 용혈성 빈혈(nonspherocytic hemolytic anemia)이 생길 수 있다.^[21]

인산과당 인산화효소(Phosphofructokinase, PFK)는 과당-6-인산을 과당-1,6-이인산으로 전환한다. 이 반응은 해당의 중요한 조절 반응이다. ATP나 H⁺, 그리고 시트르산의 농도가 높으면 인산과당 인산화효소를 저해한다. 시트르산 농도가 높으면 해당이 적정 속도로 일어나고 있다는 것을 의미한다. 아데노신 일인산의 농도가 높으면 인산과당 인산화효소의 활성이 높아진다. 제 7형 당원저장병(glycogen strage disease 혹은 Tarui's disease)는 인산과당 인산화효소 유전자에 돌연변이가 생겨 활성이 낮아졌기 때문에 유발된다.^[22]

인산화효소는 단백질, 지질, 탄수화물 이외의 분자에도 작용한다. 뉴클레오티드 상호전환에 관련된 효소로 뉴클레오시드 인산 인산화효소와 뉴클레오시드 이인산 인산화효소가 있다.^[24] 인산화효소의 기질이 되는 기타 작은 분자들에는 크레아틴, 인산글리세르산, 리보플라빈, 다이하이드록시아세톤, 시킴산(shikimate) 등등이 있다

2) 계통명 systemic name

국제생화학연합에서 효소의 작용에 따라 6개의 계통으로 분류한 후 모든 효소에 효소번호(EC번호)를 부여하고 계통명을 붙임. 표 3-1

3. 효소의 구조

효소는 단백질이 주된 구성성분이므로 단백질의 모든 특성을 지님. 효소는 단백질만으로 이루어지거나 단백질 이외의 부분을 포함함. 단백질 부분을 아포효소(apoenzyme)라고 하며 아포효소에 단백질이 아닌 보조효소(cofactor) 또는 조효소(coenzyme)가 결합하여 완전한 촉매활성을 나타내는 효소를 완전효소(holoenzyme)라고 함. 

4. 효소활성 관련인자

효소활성 관련인자에는 '조효소, 보조인자, 보결분자족(prosthetic group)'이 있음. 

조효소(coenzyme)에는 TPP, FAD, PLP 등

보조인자(cofactor)에는 Mg2+, Cu2+, Mn2+, Fe2+

보결분자족은 효소단백질과 강한 공유결합을 이루는 저분자의 유기화합물임. 이들 비단백질 부분은 효소활성을 위해 필요하며 효소활성부위로 작용함. 

표 3-2 효소활성 관련 조효소

비타민	조효소(coenzyme)	효소(enzyme)
티아민	TPP	carboxylase, transketolase
리보플라빈	FAD	dehydrogenase
나이아신	NAD	dehydrogenase
판토텐산(pantothenic acid)	Coenzyme A(CoA)	acetyl transferase
비타민 B6	PLP	amino transferase
엽산(folic acid)	tetrahydrofolate(THF)	one carbon carrier
비타민 B12	5'-adenosylcobalamin	mutase, reductase

표 3-3. 효소활성 관련보조인자

금속이온(cofactor)	효소
Fe2+, Fe3+	cytochrome oxidase, catalase, peroxidase
Cu2+	cytochrome oxidase
Zn2+	DNA polymerase, carbonic anhydrase, alcohol dehydrogenase
Mg2+	hexokinase, glucose-6-phosphatase
Mn2+	arginase
Mo2+	xanthine oxidase

5. 효소와 기질의 결합방식

효소와 기질의 결합방식을 설명하는 이론에는 자물쇠+열쇠 모델과 유도적합 모델이 있음.

1) 자물쇠-열쇠 모델

1890년 에밀 피셔(Emil Fischer)가 제안. 효소의 특이성을 잘 설명해주는 가설

활성부위와 기질이 상보적인 구조를 하고 있기 때문에 각 효소는 한 타입의 특정기질과 결합함. 효소는 활성부위라는 특정 자물쇠를 가지고 있고 기질과 결합하여 '효소-기질복합체'를 형성. 

2) 유도적합모델(induced fit model) 

손-장갑모델이라고 하기도 함.  손-기질, 장갑-효소의 구조로 'Daniel Koshland'가 제안한 효소의 유연한 구조를 고려한 모델임. 손에 장갑을 끼면 형태가 맞는 손에 맞춰 장갑이 변하는 것처럼 기질이 효소의활성부위로 근접하면 효소도 활성부위의 구조가 변하여 효소-기질복합체로 전환되고 궁극적으로 효소와 생성물로 분해됨. 

6. 효소의 작용

효소는 체내에서 촉매로 작용하여 화학반응을 조절함. 특히 화학반응에 필요한 활성화 에너지를 감소시켜 반응속도를 촉진시킴. 

1) 활성화 에너지

모든 화학반응에는 반응물에서 생성물로 전환하는 과정에 에너지 장벽이 있음. 이를 활성화에너지(activation energy)라고 함. 

2) 반응속도

반응속도는 에너지를 지닌 분자들의 수에 의해 결정됨. 일반적으로 활성화에너지가 낮을수록 전이상태를넘기에 충분한 에너지를 지닌 분자의 수가 많아지므로 반응속도는 더 빨라짐. 효소는 반응물이나 생성물의 자유에너지를 변화시키지 않으므로 반응의 평형은 변하지 않고 단지 평형에 도달하는 속도를 촉진시킴. 

7. 효소활성 영향인자

효소는 '온도, pH, 기질농도, 효소농도'에 따라 다른 반응을 나타냄

1) 온도

40도정도까지 온도가 증가함에 따라 반응속도 증가. 최적온도는 35-45도

2) pH

효소는 일정범위의 pH내에서만 활성화. 최적 pH는 효소의 종류에 따라 다름.

예를들어 펩신은 pH 2, 췌장소화효소 트립신은 pH 8이 최적 pH임. 

3) 기질농도

대부분의 효소는 일정한 조건(온도, pH등)에서 효소의 양이 일정할때 반응속도는 기질농도를 증가시키면 전형적인 포물선 형태를 나타냄. 

4) 효소농도

강범강의

# allosteric regulator

# 공유변성(cobalant modification) - 대개 phosphate가 붙고 떨어짐

8. 효소의 동역학

9. 효소활성 저해

효소의 반응을 저해하는 물질을 저해제(inhibitor)라고 함. 저해에는 가역적 저해와 비가역적 저해가 있음. 

1) 비가역적 저해(irreversible inhibition)

비가역적 저해는 효소활성 중심의 특정 아미노산 잔기에 저해제가 비가역적으로 공유결합을 형성하여 기질이 결합할 수 없으므로 반응이 진행되지 않음. '구리나 철을 함유하는 효소에 시안이온CN-을 첨가하는 반응'

2) 가역적 저해

가역적 저해제들은 비공유성 결합의 형태로 효소와 결합함. 따라서 다량의 기질을 첨가하면 결합된 저해제가 가역적으로 해리되어 효소활성을 회복할 수 있음. 

가. 경쟁적 저해

경쟁적 저해는 기질의 구조와 비슷한 저해제가 효소활성 중심에 가역적으로 결합항려 같은 장소에 대해 기질과 경쟁할때 발생함. 

숙신산 탈수소효소에 대해 말론산(malonate)은 숙신산과 구조가 매우 비슷하여 전형적인 경쟁적 저해반응을 일으킴.

나. 비경쟁적 저해

비경쟁적 저해는 저해제가 유리형의 효소 또는 효소-기질복합체 양쪽에 가역적으로 결합하여 저해작용을나타냄. 비경쟁적 저해제는 효소활성부위가 아닌 다른 부위에 결합하여 효소분자의 구조적 변화를 초래하여 기질농도를 증가시켜도 기질과 반응할 수 없기 때문에 Vmax는 감소함. 

10. 효소활성의 조절

체내에서 진행되는 수많은 대사과정을 조절하기 위해서는 효소반응의 속도조절이 필요함. 대부분 효소는 기질농도가 증가하면 반응속도를 신속하게 증가시켜 기질농도를 정상으로 되돌림. 특정조절기능을 지닌 일부효소들은 알로스테릭 효과인자에 반응하거나 공유결합성 변형을 진행함. 생리적인 조건이 변하면 효소합성 또는 분해속도를 변경시킴.

1) 되먹임 조절

생체세포내의 대사경로에는 하나의 효소가 반응하여 생긴 생성물이 곧바로 다음 효소의 기질이 되어 대사되는 경우가 있음. 

세포내에 존재하는 화합물 A가 최종생성물 G로 변환되는 대사과정에서 E1,2,3,4는 각 반응을 촉매하는효소임. 이 대사과정에서 최종생성물 G는 일련의 효소반응의 첫번째 효소의 활성을 제어함. 이를 Feedback control 되먹임 조절이라고 함. 

2) 알로스테릭 효소(다른자리입체성 조절효소)

피드백제어를 받는 알로스테릭 효소는 기질과 결합하면 효소의 입체구조가 바뀜. 알로스테릭 효소는 기질과 결합하는 촉매부위와 효과인자가 결합하는 조절부위 등 2개 부위가 존재함. 알로스테릭 효소는 조절부위와 비공유결합을 이루는 효과인자에 의해 조절됨. 

알로스테릭 효과인자는 기질에 대한 친화도를 변경시키거나 효소의 최대 촉매활성을 변경시키거나 또는 둘다 변경시킴. 효소활성을 방해하는 효과인자를 negative, 효소활성을 촉진하는 효과인자를 positive라고함. 

알로스테릭 효소는 반응속도(V0)를 기질농도(S)에 대해 그려보면 S자형 곡선을 나타냄. S자형 알로스테릭 효과에 의한 것으로 효소에 2개 이상의 결합부위가 있다는 것을 의미함. 

3) 공유결합성 변형에 의한 조절

효소는 공유결합 변형에 의해 활성이 조절될 수 있음. 곁가지에 수산기를 가진 세린, 트레오닌, 티로신 등 특정 아미노산에 인산기가 첨가 혹은 제거(인산화 또는 탈인산화)되어 공유결합이 변형되면 효소의 구조에 변화가 생기면서 그 기능이 변하게 됨.  

예를들면 글리코겐 가인산분해효소(Glycogen phosphorylase)의 활성은 세린잔기의 인산화와 탈인산화에 의해 조절됨. 글리코겐 가인산분해효소 a는 2개의 소단위에 있는 세린 곁가지가 인산화된 활성형으로 글리코겐 가인산분해효소 인산가수분해효소 b가 됨. 글리코겐 가인산분해효소 b는 ATP로부터 세린 곁가지에 인산화를 촉매하는 글리코겐 가인산분해효소 키나아제의 작용에 의해 활성형인 글리코겐 가인산분해효소 a가 됨.

4) 효소합성의 유도와 억제

효소의 합성은 유전적인 통제에 의해 조절될 수 있음. 일반적으로 존재하는 효소의 양은 효소분해속도의변경 혹은 합성속도의 조절에 의해 결정됨. 그러나 효소 합성의 조절은 발달의 한 특정시기나 특정 생리적 조건의 경우에만 필요해짐. 

예를들면 유당합성효소(lactose synthetase)는 두개의 소단위로 구성됨. 임신중에 소단위 A는 합성이 증가하지만 소단위 B는 태반 호르몬인 프로게스테론에 의해 합성이 저해되었다가 출산후 합성이 급격히 증가되어 유당합성에 관여함. 

5) 효소원의 활성화

일부 효소는 체내에서 불활성형태인 효소 전구체(proenzyme) 또는 효소원(zymogen)으로 저장되어 있다가 단백질 분해효소에 의해 하나 또는 그 이상의 펩티드가 떨어져 나가면서 활성화된 효소로 전환됨. 예를들어 위에서 분비되는 불활성형의 단백질 분해효소인 펩시노겐은 위산에 의해 활성형인 펩신으로 전환되어 작용함. 

참고) 이소자임(isozyme)

이소자임은 각각의 효소가 같은 기질로부터 같은 생성물을 형성하지만 단백질의 구조가 서로 다른 효소임. 한 생물체내에서 같은 반응을 촉매하며 단지 분자구조의 차이에 의해 따로따로 분리될 수 있는 효소여서 동위효소 또는 소중합체 효소라고도 부름. 

[문형철]

11개월동안 탐구하면서 가장 어려운 주제인듯!!