Transcript 4장 효소-handout

생화학
5장. 효소
리소자임의 공간채움 모형
1. 효소의 특성
1) 효소의 성질
 구성 - 촉매 활성을 가진 RNA를 제외하고는 대부분 단백질
 역할 - 효소는 화학반응 속도를 증가시키는 촉매제이나 촉매반응에 의해 소모되지 않음
 특이성 - 한 종류의 화학반응에 관여 함(한 개 혹은 소수의 기질에만 작용)
- 단백질 표면에 활성 부위를 가지고 있음
- 기질은 효소 활성 부위에 비공유 결합을 함
 촉매활성을 위해 기질 이외에 효소 보조인자를 필요로 하는 효소도 있음
(보조인자 : 금속 양이온, 조효소가 있음)
2) 화학반응에서 효소의 역할
 반응에 필요한 활성화 에너지를 낮추는 작용
(반응속도를 빠르게 하면서, 촉매 자체는 반응에 의해 변하지 않음)
3
<효소 관련 용어와 단위>
 기질(substrate, S) : 효소에 의해 영향을 받는 물질
 생성물(product, P) : 생성된 물질
 국제단위(international unit, I.U.) = 30℃에서 1분당 1㎛의 기질을 생성물로 전환시키는
데 필요한 효소의 양
 신국제단위(katal) : 1katal = 1초당 1mol의 기질을 변환시키는 효소활성
(1 katal = 6x107 I.U.)
2. 효소의 분류
명명법
<관용명>
 기질의 명칭(혹은 효소의 활성을 나타내는 명칭) + ~ase(아제)
예) 요소분해효소(urease) = 요소(urea) + ase
 효소 반응 정보 없을 때 - 기질과 관계없이 명명(펩신, 트립신 )
5
<계통명-국제분류법>
종 류
촉매하는 반응의 유형
산화환원효소
(oxidoreductases)
* 전자의 전이
* 산화환원반응 촉매
전이효소
(transferases)
* 기능기의 전달반응
가수분해효소
(hydrolases)
* 가수분해반응을 촉매
분해효소
(lyases)
* 기능기의 제거나 첨가반응을 촉매
이성질화효소
(isomerases)
* 분자내의 기능기 전이에 의해 이성질체 생성(재배열 반응)
연결효소
(ligases)
* 축합 반응에 의한 두 기질 사이의 화학결합을 촉매
6
<효소의 종류>
① 산화환원효소(oxidoreductase) - 산화환원반응을 촉매
예) 탈수소효소(dehydrogenase), 산화효소(oxidase), 산소화효소(oxygenase),
환원효소(reductase), 과산화효소(peroxidase), 수산화효소(hydroxylase)
② 전이효소(transferase) - 한 분자에서 다른 분자로 화학군의 전이를 촉매
예) 카르복실기 전이효소(transcarboxylase),
메틸기 전이효소(transmethylase), 아미노기 전이효소(transaminase)
③ 가수분해효소(hydrolase) - 물의 첨가에 의해 일어나는 반응을 촉매
예) 에스테라아제(esterase), 인산가수분해효소(phosphatase),
펩티다아제(peptidase)
7
④ 분해효소(lyase) - H2O, CO2, NH3 같은 화학군이 제거되어 이중 결합을 형성,
혹은 이중 결합에 첨가하는 반응을 촉매
예) 탈카르복시화효소(decarboxylase), 수화효소(hydratase),
탈수소효소(dehydratase),탈아미노화효소(deaminase), 합성효소(synthase)
⑤ 이성질화효소(isomerase) - 분자 내 재배열을 촉매
예) 에피머화효소(epimerase) - 비대칭 탄소원자의 전위(inversion)를 촉매
뮤타아제(mutase) - 작용기를 분자 내에서 전이하는 반응을 촉매
⑥ 연결효소(ligase) - 두 기질 분자 사이의 화학 결합을 촉매,
ATP 가수분해에 의해 에너지 공급
예) 합성효소(synthetase), 카르복시화효소(carboxylase)
8
3. 효소의 특이성
 한 종류의 화학반응에 관여(한 개 또는 소수의 기질에만 작용)
 단백질 표면에 활성 부위를 갖고 있음
 활성부위에 비공유결합을 함
 활성부위는 특정 아미노산으로 구성되어 있음
 복잡한 구조로 다른 물질에 의해 조절
 효소의 촉매활성은 단백질의 완전한 구조에 의존하므로 효소를 변성시키거나,
소단위로 해리 또는 아미노산으로 분해하면 촉매활성 잃음
 기질 이외에 효소 보조인자를 필요로 하는 효소도 있음
9
4. 효소의 구분
 아포효소(apoenzyme) : 보조인자가 결여된 효소
 홀로효소(holoenzyme) : 보조인자(cofactor)가 결합된 효소
* 보조인자(cofactor) : 무기이온(Mg2+, Zn2+), 조효소(coenzyme)
apoenzyme
(단백질 부분)
+
coenzyme
= holoenzyme
(비단백질 부분)
비타민(조효소)
금속이온(보조인자)
10
* 조효소 - 복잡한 유기화합물 또는 금속 유기화합물로 특정 기능기를 일시적인
운반체로 작용
- 단백질이 아닌 물질로 반응이 끝난 다음 재생됨
- 비타민류가 조효소의 전구체가 됨
예) FMN과 FAD - 리보플라빈의 조효소
피리독살인산(PLP) - 피리독신(비타민 B6)의 조효소
- 아미노산의 탈탄산반응과 라세미화 반응의 조효소
* 보결분자단 - 효소단백질과 공유결합을 하고 있는 조효소와 금속이온
11
5. 효소의 반응
<효소 반응 속도에 영향을 주는 요인들>
 기질의 농도
 온도
 pH - 활성부위에 영향을 줌
- 최적 pH
예) 펩신 = 1. , 키모트립신 = 8.0
12
6. 효소의 작용기전
 전이상태 – 기질과 효소가 결합한 복합체
 전이상태를 거쳐서 생성물이 만들어 짐
 효소는 활성부위라는 매우 한정된 작은 부위에 기질과의 비공유결합으로 결합
 효소의 활성부위는 홈이나 오목한 곳에 있으며 효소활성에 필수적인 아미노산으로 구성
13
1) 효소 – 기질의 결합과정(자물쇠-열쇠 모델과 유도-접합 모델)
<자물쇠-열쇠 모형(lock and key model)>
- 1890년 Emil Fischer
- 활성화 자리(active site) + 기질(substrate)
이 서로 상보적인 형태를 이룸
- 기질 전체의 모양과 전하분포가 효소의
활성자리로의 진입과 상호작용을 결정
- 단백질의 입체적 구조의 유연성을
고려하지 않음
14
<유도-접합 모형(induced fit model)>
- Daniel Koshland
- 효소의 유연한 구조로
- 효소와 기질이 결합하면 효소자체의
입체 구조 변화가 생겨서 기질과
상호작용이 새롭게 형성된다는 이론
15
2) 효소의 촉매작용에 기여하는 기전
 결합 변형에 의한 촉매
 근접과 방향성에 의한 촉매
 일반 산 또는 염기 촉매
 정전기적 촉매
 공유 결합성 촉매
16
7. 효소의 반응속도론
<효소의 반응속도에 영향을 주는 요인들>

기질의 농도 – 초기에는 반응속도 증가하나 일정 농도 이상부터는 일정

효소의 농도 - 비례

온도 - 10℃ 상승에 반응속도는 2배 증가
- 최적 온도는 37℃

수소이온 농도 – 단백질이므로 양성이온
- 최적 pH (pepsin : 1.5~2.0, trypsin : 8.0)
- 최적 pH 에서 멀어지면 반응속도는 감소
17
18
19
1) 반응 속도
 생화학적 반응의 속도(velocity) : 시간당 일어나는 반응물질 또는
생성물질의 농도의 변화
A(기질)
→
P(생성물)
v0 = -Δ[A]/Δt = Δ[P]/Δt
[A] : 기질의 농도
[P] : 생성물의 농도
t : 시간
20
2) 미카엘리스-멘텐 반응속도론
① 기질(S)과 효소(E)의 결합
E+S
⇄
ES
→
E+P
k1 : ES를 형성하는 데 관여하는 반응속도상수
k-1 : ES를 해리하는 데 관여하는 반응속도상수
k2 : 생성물 형성과 활성자리로부터의 방출에 관여하는 반응속도상수
② 정상상태가정(steady-state assumption)
 k-1는 k1에 비하여 매우 작고 ES의 생성률은 분해율과 같다.
 반응속도 = ΔP/Δt = k2[ES]
21
③ 미카엘리스-멘텐식(Michaelis-Menten equation)

v = Vmax[S]/([S] + Km) : Michaelis-Menten equation
* ES의 생성률은 k1[E][S], 분해율은 (k-1 + k2)[ES]
* (생성률) = (분해율) : ES의 농도는 일정, 정상 상태

Km = (k-1 + k2)/k1 : Michaelis constant
 Vmax : 최대 반응속도(효소 작용의 효율)
if [S] = Km → v = Vmax/2
22
 Km : 기질에 대한 효소의 친화도
⇒ Km : 작을수록 기질과 효소의 친화도는 커진다.
 최대속도(Vmax) : 기질의 농도가 모든 효소를 포화시켰을 때
23
④ 효소 활성 측정 단위 : 국제 단위(International unit, IU)
 1단위 : 분당 1μmol의 생성물을 만드는 데 필요한 효소의 양
 비활성(specific activity) : 단백질 1mg당 효소 활성의 단위수로
효소의 순수도를 나타낸다.
 Kcat : 단위 시간당 효소 1mol에 의해 전환되는 기질의 몰 수
Kcat = Vmax / [E0]
24
3) Km과 Vmax
 Km = (k-1 + K2)/k1
if) K-1 >> K2 이면,
Km = k-1 / k1 = [E] [S] / [ES]
* 기질의 효소에 대한 친화력(혹은 기질과 효소의 결합력)
 Vmax : 최대 반응속도(효소 작용의 효율)
if [S] = Km → v = Vmax/2
25
4) 라인위버-버크 도시법
 라인위버-버크 이중 역수 도시방정식
(Lineweaver-Burk equation double reciprocal plot) : 미카엘리스-멘텐식의 역수
v = Vmax[S]/([S] + Km)
1/v = (Km/Vmax)(1/[S]) + (1/Vmax)
26
26
27
<☞ Km과 Vmax에 대한 요약 :>
1) [S] = Km 이면, v = Vmax /2
2) [S] > Km 이면, v = Vmax (반응속도는 [S]와 관계없이 최고 속도, 0차반응)
3) [S] < Km 이면, v = Vmax[S]/Km ([S]에 비례, 1차 반응)
4) Vmax는 ES 분해 속도를 나타냄
5) Km이 크면 : E와 S의 친화도는 낮아지므로 반응이 일어나기 위해서는
높은 농도의 기질이 필요
Km이 작으면 : ES 화합물을 만들기 쉽다.
28
8. 효소활성의 저해
 효소 억제제(inhibitor)의 정의 - 효소의 촉매 활성을 감소 또는 효소작용을 방해하는 물질
- 반응속도를 감소
예) 약물, 항생제, 음식 방부제, 독극물 등
 종류 - 가역적인 형태와 비가역적인 형태 종류
* 가역적인 형태 – 효소와 비공유결합 형성
예) 경쟁적, 비경쟁적, 불경쟁적
* 비가역적인 형태 – 효소와 결합하여 효소활성이 없는 형태로 바꿈
29
1) 가역적 억제
<경쟁 억제제(competitive inhibitor)>
 자유효소와 가역적으로 결합하여 효소 억제제 복합체를 형성
 기질과 억제제는 효소의 같은 부위와 서로 경쟁
 경쟁적 억제제는 기질과 구조가 유사
 기질이 충분히 존재하면 저해제가 결합할 가능성은 최소가 되어 저해제가 있어도
Vmax는 일정

Km값은 저해제의 증가로 커지게 됨
30
<불경쟁 억제제(uncompetitive inhibitor)>
 효소 - 기질 복합체와만 결합, 자유효소와는
결합하지 않음
 더 많은 기질을 첨가하면 반응속도 증가,
원 반응과는 같지 않음
 1개 이상의 기질과 결합하는 반응에서
나타남
KI = [ES][I]/[EIS]
 Vmax와 Km 값이 감소
31
<비경쟁 억제제(noncompetitive inhibitor)>
 효소와 효소-기질 복합체 모두 결합
 억제제가 활성자리 이외의 효소의 다른 자리와 결합 :
효소 구조가 변형되어 생성물이 형성되지 않음

효소 활성을 낮추어 Vmax가 감소되나 Km에는 영향을 주지 않음
32
<효소 억제의 반응속도 분석 >
 경쟁적 억제 :
Km 증가, Vmax 불변
 불경쟁적 억제 : Km, Vmax 모두 변화
 비경쟁적 억제 : Km 불변, Vmax 감소
33
[경쟁 억제]
[불경쟁 억제]
[비경쟁 억제]
34
2) 비가역적 억제
 가역적 억제 - 경쟁적, 무경쟁적, 비경쟁적 억제 → 비공유결합
 비가역적 억제 - 활성 부위와 공유결합을 형성
- 촉매활성에 필요한 기능기를 영구적으로 불활성화 시킴
35
9. 효소활성의 조절작용
 조절 효소 : 가장 느린 반응을 촉매하여 전체 반응 속도를 조절하는 효소
- 이 조절 효소의 작용에 의해 세포의 성장과 회복에 필요한 에너지 등이
계속적으로 조절됨
 조절 : 되먹임 조절, 다른 자리 입체성 조절, 공유결합성 변형 및 효소 합성의
유도와 억제
<동위효소, isoenzyme : 동일한 반응을 촉매하지만 아미노산 배열 등이 다른
형태의 효소>
36
<되먹임 조절-feedback control>
 효소 반응에 의해 생긴 생성물이 다음 효소의 기질이 되어 대사되는 경우
 최종 생성물이 반응속도 결정효소의 활성을 제어하는 것
E1
E2
E3
E4
A --- B --- C --- D --- G
37
<다른자리입체성 조절>
 다른자리입체성 효소의 특징 - 분자가 크고 복잡한 구조를 가짐
(다중 소단위 단백질, 2개 이상의 짝수)
- 촉매부위 이외의 부위에 특이적인 대사물질이
결합됨으로써 촉매작용이 조절되는 효소
- 결합하는 효과인자(effector)에 의해 영향
- 기질에 가역적인 결합
 다른자리입체성 효소의 종류 : 동종효소 – 조절인자가 기질과 같은 경우
이종효소 – 조절인자가 기질과 다른 경우
 다른 자리 입체성 조절 - 다른자리입체성 효소는 활성 부위 외에 조절인자와 결합할
수 있는 조절부위를 1개 이상 갖고 있음
- 조절인자에 의해 활성이 촉진 혹은 저해됨
- 조절인자가 기질과 같으면 동종효소, 다르면 이종효소
38
<공유결합 변형에 의한 조절>
 공유결합 변형에 의한 조절(효소 구조의 변화)
 불활성 형태의 효소 전구체(찌모겐)를 활성화된 효소로 전환시킴
예) 키모트립신 – 트립신, 펩시노겐 – HCl
39
<효소합성의 유도와 억제>
 효소의 양 자체 조절로 합성 속도를 조절
 효소의 조절 속도는 느림
40
합성장소
위
췌장
지모겐
활성형 효소
활성제
펩시노겐
펩신
염산
트립시노겐
트립신
엔테로펩티다아제
트립신
키모트립시노겐
키모트립신
트립신
프로카르복시펩티다아제
카르복시펩티다아제
트립신
프로엘라스타아제
앨라스타아제
트립신
41
정리 : 효소 – 세포내 촉매 역할,
- 단백질로 구성
- 효소 촉매 반응은 비효소 촉매 반응보다 훨씬 크다.
- 활성화 에너지를 낮춘다.
- 아포 효소와 홀로 효소
42