5장 효소-handout
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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)
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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
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4) 효소 반응
<효소 반응 속도에 영향을 주는 요인들>
기질의 농도
온도
pH - 활성부위에 영향을 줌
- 최적 pH
예) 펩신 = 1. , 키모트립신 = 8.0
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5) 효소구분
아포효소(apoenzyme) : 보조인자가 결여된 효소
홀로효소(holoenzyme) : 보조인자(cofactor)가 결합된 효소
* 보조인자(cofactor) : 무기이온(Mg2+, Zn2+), 조효소(coenzyme)
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* 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
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정리 : 효소 – 세포내 촉매 역할,
- 단백질로 구성
- 효소 촉매 반응은 비효소 촉매 반응보다 훨씬 크다.
- 활성화 에너지를 낮춘다.
- 아포 효소와 홀로 효소
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2. 효소의 분류
1) 명명법
기질의 명칭(혹은 효소의 활성을 나타내는 명칭) + ~ase(아제)
예) 요소분해효소(urease) = 요소(urea) + ase
기질과 관계없이 명명 - 펩신, 트립신
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2) 효소의 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
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3. 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
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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
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<유도-접합 모형(induced fit model)>
- Daniel Koshland
- 효소의 유연한 구조로
- 효소와 기질이 결합하면 효소자체의 입체 구조 변화가 생겨서 기질과
상호작용이 새롭게 형성된다는 이론
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2) 효소의 촉매작용에 기여하는 기전
결합 변형에 의한 촉매
근접과 방향성에 의한 촉매
일반 산 또는 염기 촉매
정전기적 촉매
공유 결합성 촉매
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<결합 변형에 의한 촉매>
기질이 효소의 활성부위에 결합한 후에 구조적 재배치가 생기고
효소와 기질간의 많은 약한 결합이 생김으로 전이상태를 안정화 시킴
기질과 전이상태간의 에너지 차이를 낮추어 반응을 촉진시킴
<근접과 방향성에 의한 촉매>
기질과 촉매기가 좀 더 접근해야 하고 정확하게 놓여야 촉매기와 기질간의
상호작용으로 엔트로피가 감소하여0000
반응을 촉진
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<일반 산 또는 염기 촉매>
효소의 활성부위는 아미노산 곁사슬기를 가지는 경우가 많음
이들이 양성자 공여체(산 작용) 혹은 수용체(염기 촉매)로 작용
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<정전기적 촉매>
효소와 기질의 전이상태는 효소중간체와 활성 부위의 잔기가
이온결합함으로써 안정화 되는 것
염기성 아미노산 또는 산성 아미노산 또는 금속(Zn2+등)과 형성
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<공유결합성 촉매>
활성부위의 잔기와 기질이 일시적으로 공유결합을 형성하여 기질-효소
복합체를 만들어서 기질을 활성화 함
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4. 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
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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
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반응차수(reaction order) : 실험에 의해 결정
v0 = k[A]x
v0 : 반응속도
k : 반응속도상수(온도, pH, 이온세기에 따라 변화)
x : 반응차수
* 일차 반응속도(first-order kinetics)
A → P 반응속도 = k[A]
* 이차 반응속도(second-order kinetics)
A + B → P 반응속도 = k[A] [B]
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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]
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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
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Km : 기질에 대한 효소의 친화도
⇒ Km : 작을수록 기질과 효소의 친화도는 커진다.
최대속도(Vmax) : 기질의 농도가 모든 효소를 포화시켰을 때
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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]
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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
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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)
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<☞ 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.
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5. 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
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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
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<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
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<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
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<효소 억제의 반응속도 분석 >
경쟁적 억제 :
Km 증가, Vmax 불변
불경쟁적 억제 : Km, Vmax 모두 변화
비경쟁적 억제 : Km 불변, Vmax 감소
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2) 비가역적 억제
가역적 억제 - 경쟁적, 무경쟁적, 비경쟁적 억제 → 비공유결합
비가역적 억제 - 활성 부위와 공유결합을 형성
- 촉매활성에 필요한 기능기를 영구적으로 불활성화 시킴
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6. 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 : 다른 자리 입체성 조절, 공유결합성 변형 및 효소 합성의 유도와 억제
<동위효소, isoenzyme : 동일한 반응을 촉매하지만 아미노산 배열 등이 다른
형태의 효소>
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<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
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<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
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합성장소
위
췌장
지모겐
활성형 효소
활성제
펩시노겐
펩신
염산
트립시노겐
트립신
엔테로펩티다아제
트립신
키모트립시노겐
키모트립신
트립신
프로카르복시펩티다아제
카르복시펩티다아제
트립신
프로엘라스타아제
앨라스타아제
트립신
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<효소합성의 유도와 억제>
효소의 양 자체 조절로 합성 속도를 조절
효소의 조절 속도는 느림
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