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8.3 효소는전이상태의형성을쉽게함으로써반응을촉진한다.
- 화학반응에 있어 반드시 전이상태가 필요함
- 활성화 에너지 (activation energy): 반응물이 전이상태로 변환할 때 필요한 에너지
- 촉매: 활성화 에너지를 낮출 수 있는 물질이며 자신은 화학반응에 참여하지 않음.
S X* P
1. 효소-기질 복합체의 형성은 효소 촉매 반응의 첫 단계이다.
- 효소의 촉매능은 전이상태 (ES complex)를 잘 형성할 수 있도록 기질을 정확한
방향성을 지니도록 하여 효소와 결합시키는 능력임.
- 활성자리 (Active site): 효소에 기질이 결합하여 반응이 일어나는 자리.
- 효소의 특이성 (specificity)은 결합의 특이성에 의해 결정됨.
- ES complex 존재의 증거
= 기질의 농도에 따른 최대속도가 정해짐
= X-ray crystallography: Enz-substrate
analogue complex.
Time-resolved crystallography
= ES complex가 형성된 후에 흡광도 특성이
변함
None-enzymaticreaction
Structure of an ES complex
ES complex 형성에 따른흡광도 특성의 변화:
tryptophane synthetase(pyridoxal phosphate)
2. 효소의 활성자리는 공통적인 특성이 있다.
- Active site:
= 효소의 기질 결합자리임.
= 화학반응에 직접적으로 관여하는 촉매작용기가 존재함.
= 기질결합자리 (Binding site)와 촉매자리 (catalytic site)로 구성됨
- 효소활성자리의 공통적인 특성
= 활성자리는3차원 공간의 틈이다.
= 활성자리는 효소에서 작은 부분을 차지한다.
= 활성자리는 독특한 미세환경을 가진다.
비극성 환경: 일반적으로 활성자리에는 물이 침범할 수 없음.
극성 잔기: 기질의 결합과 촉매반응에 관여함.
= 기질은 다수의 약한 상호결합을 통하여 효소와 결합한다.
= 결합특이성은 활성자리의 원자들의 배치에 의해 결정됨.
Lock-and-Key model
Induced fit model
효소활성자리 효소-기질 결합
Lock-Key model 유발적합 모델
8.4 Michaelis-Menten 모형은많은효소들의반응속도론의특성을설명한다.
- 반응속도론 (Kinetics): 화학반응 속도를 연구하는 학문 분야.
- 효소반응속도론 (Enzyme kinetics): 효소가 매개하는 반응의 속도를 연구함.
= 효소가 어떻게 기능을 수행하느냐?
1. 반응속도론은 반응속도에 관한 연구분야임.
- V = - ΔA/ΔT = ΔP/ΔT
- V = κ[A] (first-order reaction)
κ : rate constant
- Bi-molecular reaction : second-order reaction
V = κ[A]2
V = κ[A][B]
- Zero-order reaction: 반응 속도는 기질의 농도와 상관없이 일정함
A P
2. 정류상태 (steady-state) 가정은 효소반응속도론의 설명을 수월하게 한다.
- 반응속도란: 생성물의 생산속도임
= 기질의 농도에 의존함
- 평형상태: no net change
= 반응 속도를 측정할 수 없음
- 따라서 효소반응 속도는 초기반응 속도로 결정함
= Initial rate (V0):
- V0는 기질의 농도에 의해 결정됨.
- In enzyme-catalyzed reaction: (Michaelis-Menten)
= With simplify the reaction at V0
E + S ES E + Pk1 k2
K-2K-1
E + S ES E + Pk1 k2
K-1
- Catalytic rate in enzyme reaction: V0 V0 = k2[ES] (1)
- [ES] is depended on the formation (k1) and breakdown (k2 and k-1)
Rate of formation = k1[E][S]
Rate of breakdown of ES = (k-1 + k2)[ES]
- In steady state theory: (Assumption)
The concentration of intermediates ([ES]) stay the same even if the
concentrations of starting materials and products are changing.
k1[E][S] = (k-1 + k2)[ES]
[E][S]/[ES] = (K-1 + k2)/k1 [ES] = k1[E][S]/(k-1 + k2) (2)
- At certain time
[E] = [E]total – [ES]
- Rearrange the equation (2)
[ES] = k1([E]T – [ES])[S]/(k-1 + k2)
(k-1 + k2)/k1 * [ES] = [E]T[S] –[ES][S]
[ES] =[E]T[S]/((k-1+k2)/k1 + [S]) (3)
- Insertion (3) into (1)
V0 = k2[E]T[S]/((k-1+k2)/k1 + [S])
- Vmax (maximal rate) : rate when the catalytic site of enzyme is saturated
with substrate. Vmax = k2[E]T
- Therefore,
V0 = Vmax[S]/((k-1+k2)/k1 + [S])
- Km (Michaelis-Menten constant): substrate concentration parameter.
Km = (k-1 + k2)/k1
- Rewrite the equation,
V0 = Vmax[S]/(Km + [S])
- At very low substrate concentration, [S] << Km
V0 = Vmax[S]/Km: first order reaction
- At high substrate concentration, [S] >> Km
V0 = Vmax: zero order reaction
- When substrate concentration is
same as Km , [S] = Km
V0 = Vmax/2
Therefore, Km is substrate
concentration at the half maximal rate.
Michaelis 상수 (Km)의 의미
- 기질에 대한 효소의 친화력을 의미함
= 낮은 Km 기질: 효소와의 친화력이 큼
= 높은 Km 기질: 효소와의 친화력이 낮음
- 기질에 대한 효소의 특이성을 나타냄
Ex) Alcohol 분해 대사
- Alcohol dehydrogenase
- Aldehyde dehydrogenase
= ALDH 1 : cytosolic form
High Km
= ALDH 2 : mitochondrial form
Low Km
- Susceptible persons, ALDH2 has
low enzyme activity by
point mutation.
3. Km과 Vmax 값은 여러 가지 방법으로 결정할 수 있다.
- 실험적으로 Vmax 도달할 수 없음
- 이론적 접근법을 활용함
Computer aided method
Lineweaver-Burk (double-reciprocal) plot
= Plotting of data on the graph.
V0 = Vmax[S]/(Km + [S])
1/V0 = Km/Vmax * 1/[S] + 1/Vmax
4. Km과 Vmax는 효소의 중요한 특성임.
- 효소의 Km 값은 다양함 ( 0.1 M ~ 0.1 mM) (Table 8.4)
- 효소의 Km 값에 영향을 미치는 요인
• 기질 특성
• 환경적 특성: pH, 온도, 이온강도 (ionic strength)
- Km 값의 의미
= 효소 활성자리의 절반을 채울 때의 기질의 농도
in vivo의 기질의 개략적 농도임
= 촉매반응의 각 단계별 반응속도 상수와 연관됨.
Km = (k-1 + k2)/k1 k-1 >> k2 일때,
Km ≒ k-1/k1ES complex의 해리상수
효소-기질의 친화력을 나타냄
- Vmax의 의미
= 효소의 대사회전수 (turnover number; Kcat): 효소가 기질로 완전히 포화되
었을 때, 한 개의 효소에 의한 단위시간에 생성물로의 전환 속도. (Table 8.5)
• Kcat = K2
• Vmax = K2 [E]T
• Kcat = Vmax/[E]T
5. Kcat/Km은 촉매효율 (Catalytic efficiency)의 척도.
- [S] >> Km 일 때,
• V0 = K2[E]t [S]/{Km + [S]} 에서
• V0 = K2[E]t = Vmax 가 됨
- 그러나 생리학적 상태에서는 [S] << Km 임
• 생리학적 조건에서 [S]/Km 비는 0.01 ~ 0.1 사이임:
효소는 기질로 포화되지 않음을 의미함
• V0 = k2/Km * [E][S] = kcat/Km * [E][S]
• kcat/Km는 촉매반응의 속도 상수임
이는 반응효율을 나타냄
- 촉매효율의 의미
• 특정 기질에 대한 촉매작용속도 (Kcat)과
효소-기질 상호작용 강도 (Km)을 고려한 요소임
- 효소의 촉매효율의 최대값??
• Km = (K-1 + K2)/K1 (1)
• Kcat/Km = Kcat K1/(K-1 + Kcat) = {Kcat/(Kcat + K-1)}* K1 < K1
= if Kcat >> K-1
Kcat/Km은 K1에 근접함
따라서 촉매 효율은 ES complex를 형성하는 속도에 제한을 받음
촉매효율은 확산속도 보다 클 수 없음
• 확산속도의 최대값은 108 ~ 109 s-1M-1 값을 가짐