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