CHAPTER 6

Enzymes

Allosteric enzyme 과반응속도론

보조효소와 vitamin

효소반응과대사의조절

11강

Allosteric enzyme (다른자리입체성 효소)

는 다중 단백질 소단위체로기본 단위체에

기질이 결합하면 인접한 기본단위체의촉매부위가

활성화 되는 효소를 말하며 생화학

반응의 조절에 중요한 역할을 한다

조절Subunit

활성Subunit

기질

조절자Effector

불활성상태

불활성상태

활성상태

활성상태

Effector의결합

조절 subunit에의한 활성 subunit의활성화

효소-기질간의촉매반응

Homotropic (동종) allosteric enzyme :

- 기질과 조절자가같은 경우 Hb의 예

- 이때 산소분자는기질인 동시에 조절자이다

- 기질포화곡선 (기질농도와반응속도곡선)이

Hb의 경우와 같다

Heterotropic (이종) allosteric enzyme :

- 기질과 조절자가 다른 경우

- 기질포화곡선을일반화하기어렵다

Homoallosteric enzyme 에 의한 촉매반응 속도 Hb의 예와 같다

첫번째 기질(산소분자)이결합한 후 Hb의 구조적 형태가 변해 두번째, 세번째 의

산소가 보다 용이하게 결합

Allosteric enzyme의효소반응속도는 M-M 식의성질로부터벗어난다

Vmax / 2

K0.5 or [S]0.5

Allo-enz의경우

최대속도의 ½ 일 때의기질농도를

Km이라하지않고

[S]0.5 또는 K0.5라한다

저해적 조절인자에 의한 Km 값 상승

촉진적 조절인자에 의한 Km 값 감소

Heteroallosteric enzyme에의한

촉진적 (or 저해적) 조절인자에의한조절

+-

0

Vmax 변화없다

V

[S]

½ Vmax

K0.5

0 : 조절인자없음

+ : 촉진적조절인자

- : 저해적조절인자

Vmax

[S]K0.5

Vmax

Vmax

+

-

0

아주 드문 경우 촉진적(저해적)인자에의해

K0.5는변하지 않고 Vmax만변하는 경우

촉매 mechanism - Proximity & strain effect 근접및 변형효과

- Electrostatic effect 정전기적효과

- Acid-base catalysis 산-염기촉매

- Covalent catalysis 공유결합촉매

(1) 근접효과 : 기질이 효소의 활성자리에 가까이 근접

기질은 공간상으로 효소의 활성자리에 위치함

E + S ES

형태적으로 다르다

변형효과 : 기질-효소 복합체 형성 후 형태의 변화를 의미함

이 변형효과에 의해 분자간의 반응 속도를 촉진시킴

(즉, 비 촉매반응의 전이상태수준의 반응이 일어나도록 함)

효소반응의기작

(2) 정전기적 효과 : 효소와 기질의 결합에 따른 물분자의 제거는

효소의 활성자리 (영구쌍극자)와 기질(유도쌍극자)간의 정전기적

상호작용의 힘을 크게하여 전기적 인력을 증가시킴

이로 인해 분자간 반응에 필요한 전이상태로의 자유에너지를 감소시켜

촉매효과가 증가됨

(3) 산-염기 촉매 : 효소의 활성자리는 일반 산-염기로 작용하는 부위가 존재하여

H+를 주거나 받을 수 있음

H2O

H2O

Imidazole group의산 염기작용

내부는 비극성 상태

전자의 공여 또는 수용에 의한 일반 산 염기 촉매

(4) 공유결합의 촉매

- 효소의 active site의 Aa의 R-group에 의한 양성자 전이는 친핵 치환에 중요하다

- 예) Ser-CH2OH 가 친핵체로 작용하여 peptide bond를 가수분해

HO-CH2-Ser(1) 친핵공격

첫번째 생성물

두번째 생성물

(2) 가수분해에의한 공유결합 절단`

친핵체로 작용하는 것들

여러 amino acid 의 R-group

Cystein-SH

Asp-COO-

Glu-COO-

Histidine-Imidazole group

단백질 탄수화물 지질

아미노산 단당류 지방산

Acetyl Co A

Citric acid cycleKrebs cycleTCA cycle

NAD+

FAD+

NADH

FADH2

해당과정

ADP

ATP

산화적 인산화

미토콘드리아

NADHNAD+

H+

O2

H2O

ATPADP

H+

FOOD

O2

H2O

NAD+/NADH 이화(분해)반응에서 전자 전달

인산화형태

NADP+/NADPH 동화(합성)반응에서 전자 전달

FADH2 전자전달 관여

NAD+ NADH

NADP+ NADPH

산화형 환원형

Ethanol

H+H- or (e-)

방출

받아들임

Alcohol dehydrogenase알코올 탈수소효소

NAD의산화와 환원

Nicotinic acid 영양결핍에 의한 Pellara (개의 흑설병)예방과 치료

미국 생화학자 Wooley & Elvehjem가 담배로 부터 분리

사람의 경우 니코틴산 결핍증은 주로 육류 부족국가

(쌀을 주식으로하는 나라)에서 발병하며 피부가 거칠어진다

Nicotinamide Adenin Dinucleotide (NAD) Phosphate (NADPH)

N

COO-

Nicotinic acid

Amide 체

Amino 기 결합

NAD+와 NADP+

역할 :탈수소 효소의 조효소로써전자운반과수소제거

있으면 NADP+

phosphate

Nicotinamide

Adenosin

Dinucleotide

NAD+의 환원 과정

H+ : proton 양성자

H- : hydride ion 수소음이온두개가 기질로 부터 제거

High energy 결합다른 분자에수소전이

NADH : energy 생산관련 효소의 조효소 (이화과정에의함)

NADPH : 생합성 (특히 지방산 합성)효소의조효소 (동화과정에의함)

NAD+와 NADH의가역반응

N

C-NH2

R

O

NAD+

S

H

H

[H+]H

N

C-NH2

R

O

NADH

H H

S+ + H++

기질

L-malate + NAD+ oxalacetate + NADH + H+

(Vt B2 : vitamin riboflavin)

우유에서 처음 분리

FAD 또는 FMN의 전구물질

FAD와 FMN은 flavoprotein (플라보 단백질) or flavin dehydrogenase (플라빈 탈수효소)

의 보결분자단 역할을 하며…

flavo-protein은 탈수효소, 산화효소, 수산화효소등의 역할을 한다.

FMN : Flavin mononucleotide

FAD : Flavin adenin dinucleotide

작용기

Flavin Coenzyme

Chymotrypsin의촉매반응과정

소의 췌장에서 분리된 세린 단백질 분해효소

세린 195번이 기질에 매우 근접해 있어

이 효소의 활성부위로 생각됨

Ser 195

기질 Phe의소수성 binding group

소수성 활성주머니

(4) 효소-기질복합체 형성

(1) Ser-195에의한 근접효과

(2) 소수성 방향족부위의결합

COO-

CH2OH

(3) 수소결합

Asp 102의 COO-에 의해 His 57은 극성이 되고 Ser 195는보다

효과적인친핵체가되어수소결합을형성케함

Asp102 -COO- His 57-Imidazole Ser 195-CH2OH

Carboxyl 기에의해 imidazole 기가극성을띠고 Ser 195의 HO-CH2와수소결합

N – H -O-CH2-Ser 195

공유결합

생명체의 대사 생화학적 대사를 의미 효소에 의해 조절

[효소의농도와 활성]에 의존

대사조절의이유

1. 안정된 질서 유지 세포의 구조와 기능을 유지하기 위한

생체 자원의 낭비를 방지하기 위함

2. 에너지의 보존 세포는 에너지 생산반응을일정하게 조절하여 필요한 만큼의

영양소를 소비하기위해

3. 환경변화에적응 온도, pH, 호르몬, 영양소등의변화에 신속한 대응을 위해

효소의 조절작용

1. 유전적 통제

2. 공유결합의변형

3. Allosteric regulation (다른자리입체성 조절)

4. 구획화

1. 유전적조절통제

★세포대사의요구에의해효소가생성되는현상 (1) Enz induction (효소유도)

Lactose가 없는배지에서 자란 E.coli

Lactose 배지Glactose+glucose

초기 E.coli가 자라지 못함

Glucose 가 없어 대사를 할수

없으며, 따라서 자랄 수 없다.

E.coli 나중 E.coli가 자람

Lactose 가수분해 효소생성

Lac glc + gal 로 분해

Glucose를 energy로 이용가능.

유전적 조절에 의한 효소 생성(Enz induction 효소유도)

최종적으로 lactose 를 다 소모하면 더이상의 lactose 가수분해 효소를 생성하지 않도록 유전적으로 조절한다.

1. 유전적조절

★대사회로의최종산물이첫반응과관련된효소를억제함(2) 되먹임억제

★Repression (억제작용)

2. 공유결합의변형

★ 공유결합의변형에 의해 효소의 구조가 변하면서

활성화 형태와 불활성화 형태로 가역적 전환을 하며 조절작용을하는 효소

활성 불활성

공유결합의 변형

2ATP Phosphorylase b Phosphorylase a + 2ADP

인산화

Phosphorylase kinase인산화 효소

활성이 낮은 형태 활성이 높은 형태

Ex 1) 인산화

Proenzyme 또는 zymogen 이라 하며

이자에서 생성되어 소장으로 분비

단백질의 부분적 가수분해에 의해

다양한 효소가 활성화됨

Pepsin

Trypsin

Elastase

Collagenase

… 등

Ex 2) peptide 결합의분해

Peptide 결합의분해도

공유결합의변형이다

3. 대사의조절 : allosteric regulation

★ allosteric 효소에의한촉진적또는저해적조절

Pace maker 효소

Regulatory enz

Allosteric enz

음성 되먹임

Negative feed back

에 의한 조절

최종생성물이 pace maker

효소를 억제하여 대사를 조절

A

B

C

D

E

Allosteric enz

(1) 촉진적 조절

최종생성물 (저해제로작용)

(2) 저해적 조절

Allosteric enz의모형 Hb와비교해서이해할것

1) 협동형 모델

- 활성형과 불활성형 두가지로만 존재

- 기질 또는 활성물질이 활성형에 친화도가 높다

불활성형 활성형

2) 순차적 모형의 모델 Hb의 예

- 보다 단백질 구조가 유연하며

- 활성물질 결합으로 인해 순차적으로 활성화 되어간다 (hybrid 구조 설명가능)

- 너무 단순한 모델로

모든 allo-enz 설명 불가능

- 양성 협동성 만을 설명함

(활성물질 결합 또는 이탈로

활성 불활성 두가지 상태로만

전환됨, 즉 hybrid 구조를 설명

하지 못함) Hybrid 구조 : 활성-불활성 공존