효소
효소(酵素, 영어: enzyme)는 기질과 결합해서 효소-기질 복합체를 형성하여 화학 반응의 활성화 에너지를 낮춤으로써 물질대사의 속도를 증가시키는 생체 촉매이다. 그리고 경우에 따라 속도를 조절하는 생체 보호기능을 수행하기도 한다. 효소는 기질을 생성물로 알려진 다른 분자로 전환시킨다. 세포의 거의 모든 대사 과정은 생명을 유지할 수 있을 만큼의 빠른 속도로 일어나야 하기 때문에 효소 촉매작용을 필요로 한다. 대사 경로는 효소에 의존하여 개별 단계들을 촉매한다. 효소에 대해 연구하는 학문을 효소학이라고 하며, 최근에 유사효소(pseudoenzyme) 분석의 새로운 분야가 성장하여 진화 과정에서 일부 효소가 생물학적 촉매 능력을 상실했다는 것을 알게 되었으며, 이는 종종 유사효소의 아미노산 서열과 특이한 유사촉매(pseudocatalytic) 특성에 기인한다.
효소는 5,000가지 이상의 생화학 반응 유형들을 촉매하는 것으로 알려져 있다. 대부분의 효소들은 단백질이지만, 일부 효소들은 촉매 기능을 가지고 있는 RNA 분자이다. 촉매 기능을 가지고 있는 RNA를 리보자임이라고 한다. 효소의 특이성은 독특한 3차원 구조에서 비롯된다.
다른 촉매들과 마찬가지로, 효소는 화학 반응의 활성화 에너지를 낮춤으로써 반응 속도를 증가시킨다. 어떤 효소들은 기질을 생성물로 전환시키는 것을 수백만 배 더 빨리 일어나게 할 수 있다. 극단적인 예로는 오로티딘 일인산 탈카복실화효소가 있는데, 이 효소는 수백만 년이 걸릴 수 있는 반응을 밀리세컨드 단위로 일어나게 한다. 화학적으로 효소는 다른 촉매들과 같아서 화학 반응에서 소모되지 않으며 반응의 평형을 변화시키지도 않는다. 효소는 훨씬 더 특이적이라는 점에서 대부분의 다른 촉매들과 다르다. 효소의 활성은 다른 분자에 의해 영향을 받을 수 있다. 저해제는 효소의 활성을 감소시키는 분자인 반면, 활성화제는 효소의 활성을 증가시키는 분자이다. 많은 약과 독은 효소 저해제이다. 효소의 활성은 최적 온도와 pH 범위 밖에서 현저하게 감소하며, 많은 효소들은 과도한 열에 노출되면 영구적으로 변성되어 구조와 촉매 특성을 상실하게 된다.
예를 들어 어떤 효소들은 항생제의 합성에 상업적으로 사용된다. 일부 가정용 제품들은 화학 반응의 속도를 높이기 위해 효소를 사용한다. 생물학적 세탁 세제에 들어 있는 효소는 옷에 묻은 단백질, 녹말, 지방의 얼룩을 분해하고, 고기 연화제에 들어 있는 효소는 단백질들을 더 작은 분자들로 분해하여 고기를 씹기 쉽게 만든다.
⑴ 물질대사 : 신체에서 일어나는 모든 화학반응
① 깁스 자유에너지
어떤 물질계가 주위에 대해 가역적으로 유효하게 사용할 수 있는 에너지를 총칭하며, 내부에너지 U의 르장드르 변환으로부터 얻어진다. 쉽게 말하자면, 가지고 있는 에너지 중 실제로 일로 변환될 수 있는 에너지라고 할 수 있다.
여기서 '가역적'은 화학 반응에서 사용하는 가역성과는 조금 다른 개념으로, 쉽게 설명하자면 미소량의 조건 변화만으로도 역반응이 일어날 수 있는 상태를 말한다. 이런 상태는 이론적으로만 존재하며 현실에서는 실현이 불가능하다.
: ΔH - TΔS < 0이면 반응은 자발적
② 생물학에서 ΔH ≒ ΔG로 간주
○ 발열반응(exergonic reaction) : ΔH < 0, 이화작용(catabolism)과 관련
○ 흡열반응(endergonic reaction) : ΔH > 0, 동화작용(anabolism)과 관련
③ 반응이 자발적이라도 활성화에너지(문턱 에너지)가 너무 높으면 반응속도가 느릴 수 있음
④ 활성화에너지
○ 정의 : 반응분자들이 화학반응을 일으키기 위해 필요한 최소한의 에너지
○ 활성화에너지가 낮아지면 반응할 수 있는 분자 수가 증가하여 반응속도 증가
○ 촉매(catalyst) : 반응물인 기질과 결합하여 활성화에너지를 낮춰 반응속도를 증가
○ 효소(enzyme) : 생체 촉매
⑵ 특징
① 특징 1. 기질특이성 : 효소는 자신의 활성부위와 입체구조가 맞는 특정 기질에만 작용하여 반응 촉매
○ 자물쇠·열쇠 모델(lock and key model) : 효소의 활성부위가 기질과 완전히 일치한다는 모델
○ 유도적합 모델(induced fit model) : 효소가 기질과 결합 시 기질에 맞는 완전히 상보적인 구조로 변한다는 모델
○ 1st. 기질의 모양은 효소 활성 부위와 대략적으로 유사
○ 2nd. 기질이 활성부위에 결합 시 효소는 모양이 변하고 화학결합이 압박
○ 3rd. 모양의 변화는 기질을 분해하고 단위체를 방출
○ 유사효소(isozyme, enzyme multiplicity)
○ 같은 생화학 반응에 관여하는 서로 다른 효소
○ 작용하는 세포에 따라 다른 특징을 가짐 (예 : hexokinase, LDH(lactose dehydrogenase))
○ 각각 다른 최종산물에 의해 피드백 조절을 받음, 그 결과 최종산물 종류에 따라 다른 효소가 작용
② 특징 2. 재사용 : 반응 전후 효소의 양은 동일
④ 특징 3. 효소는 반응속도에만 영향을 미칠 뿐 반응열의 크기에 영향을 주지 않음
⑤ 특징 4. 공통조상에서 유래 : 다른 생물들이 같은 효소를 이용하는 경우 ↑
⑶ 효소의 구성
① 효소의 분류 : RNA 효소(ribozyme이라고 함)와 단백질 효소로 구분, 일반적으로 단백질 효소를 지칭
② 활성부위(active site) : 기질(substrate)과 결합하는 부위
③ 전효소(holoenzyme) : 완전한 활성을 나타내는 효소
④ 주효소(apoenzyme) : 전효소 중 단백질 부분
⑤ 보조인자 : 전효소 중 비단백질 부분. 활성부위에 붙어 활성부위를 완성시킴
○ 조효소(coenzyme) : 효소의 활성을 위해 필요한 유기물 분자
○ 예 : 비타민 유도체, NAD+, FAD
○ 무기이온 : Fe2+, Cu2+, Mg2+, Zn2+ 등의 금속 원소
○ 보결족(prosthetic group) : 보조인자 중 효소와 매우 강하게 결합되어 있어 영구적인 결합을 하는 것
○ 포르피린 고리는 보결족을 형성하는 대표적인 화학 구조로 다음과 같은 예가 있음
○ 예 1. 헤모글로빈 헴 그룹 : 포르피린 고리에 Fe2+이 포함된 유기화합물
○ 예 2. 미오글로빈
○ 예 3. 엽록소
○ 예 4. 시토크롬 P450(cytochrome P450, CYP)
⑥ 아밀레이스, 펩신, 라이페이스 등의 가수분해 효소는 대부분 단백질로만 구성돼 있음
⑶ 효소의 촉매 기작
① 산-염기 촉매(acid-base catalysis)
② 공유 촉매(covalent catalysis)
③ 금속 이온 촉매(metal ion catalysis)
④ 정전기적 촉매(electrostatic catalysis)
⑤ 근접과 배향효과(proximity and orientation effects)
⑥ 전이상태 복합체의 차별적 결합(preferential binding of the transition state complex)
⑷ 효소의 작용에 영향을 미치는 요인
① 요인 1. 기질 농도
○ 미카엘리스-멘텐 방정식과 관련
○ 기질의 농도가 증가함에 따라 초기 반응속도가 증가하다가 일정 수준에 이르면 일정해짐
○ 모든 효소가 기질로 포화되면 기질의 농도가 증가해도 초기 반응속도는 더이상 증가하지 않음
② 요인 2. 온도
○ 온도가 높아질수록 활성화에너지 이상의 운동에너지를 가지는 분자수가 증가하여 반응속도 증가
○ 효소가 관여하는 화학반응은 효소가 최적 입체구조를 갖는 최적 온도에서 가장 반응속도가 빠름
○ 최적 온도 이상이 되면 단백질이 열에 의해 비가역적으로 변성되어 온도를 낮추어도 회복되지 않음
③ 요인 3. pH
○ 효소가 관여하는 화학반응은 최적 pH에서 가장 반응속도가 빠름
○ 효소를 구성하는 아미노산 잔기의 하전 상태는 수소 이온의 농도 변화에 따라 달라지므로 최적 pH를 벗어나면 단백질의 알짜 전하를 변화시켜서 정전기적 반발을 일으키고 효소의 입체구조를 변화시킴
○ 예 : 펩신 1.5, 카탈레이스 : 7.6, 트립신 : 7.7, 퓨마레이스 : 7.8, 라이보뉴클리에이스 : 7.8, 아르지네이스 : 9.7
④ 효소의 반응속도 지수
○ 효소 1 유닛(unit) : 1분 동안에 1 μmol의 생성물을 생성할 수 있는 효소의 활성
○ 효소 활성(activity) = 효소 유닛(unit) / 효소의 양(ml)
⑸ 효소의 분류 : IUPAC에 의해 규정. enzyme commission number라고도 함
① EC1 : 산화환원효소(oxidoreductase)
○ 산화환원을 매개하는 효소로 수소, 산소, 전자의 전달 기작이 발생
○ 종류 1. "반응물 + dehydrogenase" (예 : lactose dehydrogenase, alcohol dehydrogenase)
② EC2 : 전이효소(transferase)
○ 메틸기, 아실기, 아미노기 등의 작용기를 다른 물질로 전달
○ 종류 1. "trans + 반응물 + -ase" (예 : 아미노기전이효소(transaminase), 아세틸기전이효소(transacetylase))
○ 종류 2. "반응물 + -kinase" (예 : 육탄당인산화효소(hexokinase))
③ EC3 : 가수분해효소(hydrolase)
○ 가수분해(hydrolysis) 및 탈수축합반응(condensation)에 참여
○ 종류 1. "반응물 + -ase" (예 : protease, peptidase)
④ EC4 : 분해효소(lyase)
○ 기질의 C-C, C-O, C-N, C-S 결합 등을 절단하여 원자단의 첨가나 제거를 촉매
○ 부가반응은 2기질 반응, 탈리반응은 1기질 반응
○ EC4.4 : C-N 분해효소
○ EC4.5 : C-할로겐 분해효소
○ EC4.6 : P-O 분해효소
○ 종류 1. "반응물 + decarboxylase" (예 : pyruvate decarboxylase)
⑤ EC5 : 이성질화효소(isomerase)
○ 물질의 구조를 재배열하는 효소
○ 종류 1. "반응물 + isomerase" (예 : phosphoglucose isomerase)
○ 종류 2. "반응물 + mutase"
⑥ EC6 : 연결효소(ligase)
○ ATP를 사용하여 두 물질 간에 새로운 결합을 형성
○ 종류 1. "반응물 + ligase" (예 : DNA ligase)
⑹ 미카엘리스-멘텐 방정식
⑺ 저해제 : 생체 내에서도 되먹임 억제를 위해 효소 저해 기작이 있으나 저해제와 달리 반응이 가역적
① 비가역적 저해(irreversible inhibition)
○ 예 1. 페니실린(penicillin)
○ 세균의 세포벽(펩티도글리칸) 합성효소(transpeptidase) 저해제
○ 활성부위와 반영구적인 공유결합을 하기 때문에 강력함
○ 예 2. 사린 가스
○ 아세틸콜린 에스터라제의 정상 활성 : 아세틸콜린은 콜린과 아세트산으로 분해. 아세트산은 아세트산 이온과 H+로 해리
○ 1st. 사린 가스가 아세틸콜린 에스터라제의 활성부위에 비가역적으로 결합
○ 2nd. 아세틸콜린↑
○ 3rd. 근육경련, 동공축소, 정신착란, 호흡곤란
② 가역적 저해(reversible inhibition) : 경쟁적 저해, 반경쟁적 저해, 비경쟁적 저해로 구분
○ (주석) 경쟁적, 반경쟁적, 비경쟁적 저해를 말할 때 가역적, 비가역적을 굳이 따지지 않는 경우도 많음
③ 경쟁적 저해(competitive inhibition)
○ 기질과 같은 활성부위를 놓고 효소반응에 경쟁적으로 참가하여 효소반응을 저해
○ 미카엘리스-멘텐 방정식 (참고 ⑹)
○ 활성효소의 형태를 변형시키지 않음
○ 예시
○ 이부프로펜(Ibuprofen) : 프로스타글란딘 생산 억제
○ 말론산-숙신산탈수소효소 : 숙신산 탈수소 효소는 숙신산을 산화시키는데, 숙신산의 경쟁적 저해제인 말론산이 숙신산 탈수소 효소의 활성 부위에 결합하면 숙신산의 산화 반응이 저해됨
○ 스타틴-HMG-CoA reductase
○ 글리벡-Bcl-abr의 Ras 인산화작용
○ HIV 단백질 분해효소
○ 기타 항우울제, 항생제, 살충제
④ 반경쟁적 저해(무경쟁적 저해, uncompetitive inhibition)
○ 효소-기질 복합체에 저해제가 결합하여 효소반응을 저해
○ 미카엘리스-멘텐 방정식
⑤ 비경쟁적 저해(noncompetitive inhibiton)
○ 활성부위가 아닌 다른 자리(allosteric site)와 결합하여 효소반응에 비경쟁적으로 참가하여 효소반응을 저해
○ 미카엘리스-멘텐 방정식
○ 활성효소의 형태를 변화시킴
⑻ 협동성
① 억제자 혹은 활성자 대신 기질 자체가 효소 활성을 조절하는 것
② 양성적 협동성 : 다기질 효소에서 이미 결합된 기질이 다른 기질의 결합을 도와주는 것
③ 음성적 협동성 : 있긴 있으나 극히 드묾
④ 반응식 : 협동성이 있으면 ES1이 생긴 이후 순식간에 ESn이 생기므로 ES1, ···, ESn-1을 고려할 필요가 없음
⑤ 예 : 헤모글로빈의 산소포화도
○ 헤모글로빈은 4개의 소단위로 구성되어 있으며, 각 소단위는 하나의 산소결합 부위를 가짐
○ 헤모글로빈은 sigmoid 곡선 개형의 산소포화도 곡선을 나타냄
○ 산소 한 분자가 하나의 결합 부위에 붙으면 나머지 결합 부위들에서 산소 친화력 정도가 증가
○ 하지만 산소가 없는 지역에서 산소 분자가 하나 떨어지기 시작하면 나머지도 떨어짐
○ 미오글로빈은 하나의 서브유닛으로 되어 있어 협동성이 없으므로 hyperbolic 곡선 개형의 산소포화도 곡선을 나타냄
⑼ 효소 활성 조절 메커니즘
① 억제자에 의한 조절
② 협동성에 의한 조절
③ 알로스테릭 조절 (다른 자리 입체성 조절, allosteric control)
○ 조절 분자체 : 단백질에 붙어 단백질의 입체 구조를 바꾸어 단백질의 기능이 달라지도록 하는 작은 분자
○ 조절 분자체는 기질이 아님
○ 조절 분자체에는 억제자 혹은 활성자가 존재함
○ 다른 자리 입체성 조절 (알로스테릭 조절)
○ 효소에 활성자 혹은 억제자가 기질 결합 부위가 아닌 다른 조절 부위에 붙어 기질의 반응을 활성 혹은 억제시키는 것을 말함
○ 이때 다른 조절 부위를 알로스테릭 부위라고 함
○ 알로스테릭 조절은 비가역적 반응을 관여하는 효소에서 일어남
○ 예시 : ATP는 세포 호흡에 관여하는 효소에 억제자로, ADP는 활성자로 작용하여 세포호흡을 조절함
○ PFK-1은 F-6-ⓟ을 F-1,6-bisphosphate로 생성하는 데 관여하는 효소임
○ ATP는 PFK-1의 기질이기 때문에 PFK-1은 ATP의 알로스테릭 조절을 받음
○ ATP의 양을 x축, PFK-1의 활성을 y축으로 하는 그래프는 종 모양의 그래프(bell-shaped graph)를 보임
○ 응용 1. 저해제 (억제제)
○ 일반적인 알로스테릭 조절은 저해제처럼 반응을 완전히 차단하지는 않음
○ 효소에 억제자가 붙어 다른 자리 입체성 조절을 발현하는 것을 비경쟁적 억제라고 함
○ 경쟁적 억제제는 다른 자리가 아니라 기질이 달라붙는 그 활성부위에 붙는 것이므로 알로스테릭 조절이 아님
○ 응용 2. 되먹임 억제(feedback inhibition)
○ 경로의 초기에 작용한 효소에 최종 생성물이 억제적으로 결합함으로써 물질대사 경로가 조절되는 기작을 꺼지게 하는 것
④ 인산기를 통한 조절
⑤ 조절단백질
○ 예 : Ca2+-칼모듈린의 NO synthase 조절
⑽ 효소 고정화(enzyme immobilization) : 효소를 특정 위치에 고정시키는 것
① 포획법(entrapment, encapsulation) : 물리적인 효소 고정화 방법으로 가장 널리 사용
○ porous hollow fiber
○ spun fiber
○ gel matrix
○ micro-capsule
② 결합법 : 화학적인 효소 고정화 방법, 담체 표면의 작용기와 효소의 작용기간 화학적 힘으로 고정시키는 방법
③ effective factor = reaction rate with diffusion limitation / reaction rate without diffusion limitation
○ 효소를 고정화함으로써 반응률이 얼마나 좋아졌는지를 나타냄
○ 효소의 농도 ↑ → effective factor ↓ (고정 여부에 관계없이 농도가 높으므로 반응이 잘 일어난다는 의미)
⑾ 효소 정량법
① UV spectrometer : Phe, Trp, Tyr의 페닐기의 흡광도인 280 ㎚를 대표적으로 사용함
② Bradford method : Coomassie Blue G 염색약이 단백질과 결합함으로써 생기는 파장의 변화 측정
○ 장점 : 정량 시간이 매우 빠르고 간단함
○ 단점 : 단백질마다 염색약과 결합하는 정도가 다름
○ 응용 1. Pierce 660 nm protein assay
③ BCA method(bicinchoninic acid method) : 아미노산 내 아마이드 결합에 의한 구리 이온의 환원을 토대로 측정
○ 현재 가장 자주 사용되고 있는 단백질 정량 프로토콜
○ 장점 : 단백질 간의 차이가 근소. sensitivity가 우수함
○ 단점 : 준비시약이 많음. 절차가 복잡함. 다른 환원제, 구리 킬레이터, 고농도의 버퍼에 의해 간섭을 받을 수 있음
○ 환원제의 예 : DTT, β-ME
○ 구리 킬레이터의 예 : EDTA, EGTA
○ 단계 1. Cu2+ → Cu+
○ 주로 시스테인(cysteine), 시스틴(cystine), 티로신(tyrosine), tryptophan에 의해 환원됨
○ Bradford method와 달리 peptide backbone도 환원반응에 관여하기 때문에 단백질 간 차이가 적어짐
○ 단계 2. Cu+와 착물을 reagent가 착물을 형성하여 색깔이 변함
○ apple green의 Cu2+에서 보라색의 Cu+-BCA complex가 형성됨
○ 뷰렛 반응(biuret reaction), Lowry method, Peterson method, 뷰렛 반응 등 변형된 프로토콜이 있음
④ fluorescent protein assay
○ Thermo Scientific Quanti-iT, Qubit and NanoOrange protein assay
○ NanoOrange Protein Quantitation Kit
○ CBQCA Protein Quantitation Kit
○ EZQ Protein Quantitation Kit
○ Fluorometer
○ Invitrogen Qubit Fluorometer
⑿ 효소의 예
① 예 1. 포도당 운반체(GLUT, glucose transporter) : 세포막에서 포도당 운반
○ 특징 : 양방향성. D형 포도당만 포도당 운반체로 운반될 수 있음. 세포막을 12번 통과
○ GLUT1 : 모든 세포에 존재. 암세포에 많음. Km = 1 mM
○ GLUT2 : 간, 이자 β세포, 소장에 존재. Km = 10 ~ 20 mM. 애초에 포도당이 많으므로 감도 낮음
○ GLUT3 : 뇌에 존재. 면역세포에 많음. Km = 1 mM . 뇌는 에너지 수요가 높으므로 감도 높음
○ GLUT4 : 근육, 지방에 존재. Km = 5 ~ 10 mM. 인슐린에 의해 조건부 발현
○ GLUT5 : 과당 운반체. 소장에 존재
○ GLUT와 인슐린 분비 메커니즘
○ 1st. 혈중 포도당 농도 증가
○ 2nd. 포도당은 GLUT2를 통해 췌장 베타세포 내로 들어감
○ 3rd. 포도당은 해당과정과 TCA cycle을 통해 다량의 ATP를 생성. 포도당인산화효소는 glucose sensor로 작용
○ 4th. 생성된 ATP는 ATP-민감성 K+ 통로를 차단하여 세포 내부의 양이온 함량을 증가시킴
○ 5th. 세포막이 탈분극되면서 Ca2+ 통로가 열림
○ 6th. Ca2+는 베타세포 내로 들어온 뒤 인슐린 소낭의 방출을 촉진하여 혈류 내 인슐린 농도를 높임
○ 7th. 인슐린은 근육세포에 들어간 뒤 GLUT4 소낭의 세포막 이동을 촉진시킴
○ 8th. GLUT4 소낭 내 GLUT4는 근육세포 세포막에 발현됨
○ 9th. GLUT4가 GLUT2보다 감도가 높아 포도당이 근육과 지방으로 집중 → 혈당량 감소
② 예 2. 설탕 가수분해효소
○ 설탕을 포도당과 과당으로 분해하는 가수분해효소
○ 작용부위만 갖는 단량체 구조로 다른 자리 입체성 구조를 갖지 않음
③ 예 3. 젖산탈수소효소(LDH, lactose dehydrogenase)
○ H (heat form) 또는 M (muscle form) 단위체 4개로 구성
○ 총 5 종류 : H4, H3M, H2M2, HM3, M4
○ H의 등전점은 5.7, M의 등전점은 8.4임
○ 근육 : muscle form LDH에 의해 피루브산 → 젖산 (∵ 근육은 젖산발효가 일어나므로)
○ 간 : muscle form LDH에 의해 젖산 → 피루브산 (∵ 간은 포도당 신생합성이 일어나므로)
○ 심장 : heart form LDH에 의해 젖산 → 피루브산 (∵ 심장은 젖산을 에너지원으로 이용해야 하므로)
④ 예 4. 육탄당인산화효소(hexokinase)
○ hexokinase Ⅰ : 근육에 존재, 포도당에 대한 기질 친화성이 매우 높음
○ hexokinase Ⅳ : 간에 존재, 포도당에 대한 기질 친화성이 낮음
⑤ 예 5. 에탄올 분해
⑥ 예 6. 젖당 비내성(유당불내증, lactose intolerance)
○ 유아에게는 젖당 분해효소가 잘 분비되지만 성인이 되면서 결핍
○ 유럽 국가에서는 젖당 비내성이 잘 나타나지 않음
○ 과정 : 소장에서 락타아제 결핍 → 젖당 소화 불가 → 세균이 젖산 분해 → 가스 및 설사 원인
