13.12: 효소

살아있는 유기체 내부에서 효소는 세포 대사와 관련된 많은 생화학 반응의 촉매제 역할을 합니다. 효소의 역할은 기질과 복합체를 형성하여 생화학 반응의 활성화 에너지를 줄이는 것입니다. 활성화 에너지가 낮아지면 생화학 반응 속도가 빨라집니다.

효소 결핍은 종종 생명을 위협하는 질병으로 이어질 수 있습니다. 예를 들어, G6PD(포도당-6-인산 탈수소효소) 효소의 결핍을 초래하는 유전적 이상은 세포에 NADPH를 공급하는 대사 경로에 부정적인 영향을 미칩니다.

이 대사 경로가 중단되면 적혈구의 글루타티온이 감소하여 헤모글로빈과 같은 다른 효소 및 단백질이 손상될 수 있습니다. 헤모글로빈의 과도한 대사는 빌리루빈 수치를 높여 황달을 유발하며, 황달은 더욱 심각해질 수 있습니다. 따라서 G6PD 결핍으로 고통받는 사람들은 글루타티온 결핍 적혈구에 손상을 유발할 수 있는 화학 물질이 포함된 특정 음식과 의약품을 피해야 합니다.

효소 기능 및 구조

효소는 수행하는 특정 기능에 따라 여러 클래스로 분류됩니다. 예를 들어, 산화환원효소는 산화환원 반응에 관여하는 반면, 전이효소는 작용기의 전달을 촉매합니다. ATP 가수분해에 의한 결합 형성에는 리가아제가 필요한 반면, 가수분해 반응과 이중 결합 형성은 각각 가수분해효소와 리아제에 의해 촉매됩니다. 이성질화효소 효소는 일반적으로 이성질화 반응을 촉매합니다.

효소는 일반적으로 활성 부위를 가지고 있습니다. 이는 효소가 특정 기질(반응물 분자)에 결합하여 효소-기질 복합체 또는 반응 중간체를 형성하는 데 유리한 구조를 가진 분자의 특정 영역입니다.

잠금 및 키 모델과 유도 맞춤 모델이라는 두 가지 모델은 활성 사이트의 작동을 설명하려고 시도합니다(Figure 1). 가장 단순한 자물쇠와 열쇠 가설은 활성 부위와 기질의 분자 모양이 상호보완적이라는 것입니다. 마치 자물쇠의 열쇠처럼 서로 맞춰져 있다는 것입니다(Figure 1a). 반면, 유도 적합 가설은 효소 분자가 유연하고 기질과의 결합을 수용하기 위해 모양이 변한다는 것을 시사합니다(Figure 1b).

그러나 자물쇠-열쇠 모델과 유도적합 모델은 모두 효소가 특정 기질과만 결합할 수 있고 특정 반응만 촉매할 수 있다는 사실을 설명합니다.

Figure 1 (a) 자물쇠와 열쇠 모델에 따르면 효소의 활성 부위의 모양은 기질에 완벽하게 맞습니다. (b) 유도 적합 모델에 따르면 활성 부위는 다소 유연하며 기판과 결합하기 위해 모양이 바뀔 수 있습니다.

효소 억제제

효소 억제 과정에 의해 효소의 활성이 중단될 수도 있습니다. 효소 억제에는 몇 가지 일반적인 유형이 있습니다.

경쟁적 억제 동안 기질 이외의 분자(천연 또는 합성)가 효소의 활성 부위에 직접 결합합니다. 억제제와 기질의 구조적, 화학적 유사성은 활성 부위에 대한 결합을 촉진합니다. 따라서 이러한 경쟁적 억제제는 기질과 경쟁하여 기질이 효소에 결합하는 것을 방지합니다. 대부분의 경우 기질 농도를 높이면 경쟁 억제 효과를 억제할 수 있습니다.

비경쟁적 억제에서는 분자(천연 또는 합성)가 효소의 활성 부위와 다른 알로스테릭(기타) 영역에 결합합니다. 억제제 결합은 효소 활성 부위의 구조적 변화를 유발하여 반응을 촉매하는 효소의 능력을 감소시킵니다. 경쟁적 억제와 달리 기질 농도의 증가는 비경쟁적 억제의 억제 효과를 완화하지 않습니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Chemistry 2e, Section 12.7: Catalysis.

효소는 생화학 반응 속도를 가속화하는 생물 촉매입니다. 대부분의 효소는 아미노산으로 구성된 단백질이지만 일부 어떤 효소는 리보자임으로 알려진 RNA 분자입니다. 효소는 반응의 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 증가시키는 작용을 합니다.

효소는 화학 결합의 합성 및 파괴를 촉진시킬 수 있지만 반응의 방향이나 평형에는 영향을 미치지 않습니다. 모든 효소는 기질이라고 불리는 특정한 반응물과 결합하여 특정한 반응을 촉진합니다. 이 기질은 분자간 힘 및 단기 공유 결합과 같은 상호작용을 통해 활성 부위라고 불리는 효소의 별개의 촉매 영역에 결합되어 효소-기질 복합체가 됩니다.

이 결합은 효소와 효소 기질 사이에 필요한 구조적 상호보완성으로 인해 매우 특이합니다. 따라서, 특정 효소는 자체의 적합성에 기초한 특정 반응만을 촉진할 수 있습니다. 복잡한 형성 과정을 이해하는 간단한 방법은 기질이 효소의 활성 부위에 적합하다는 가설을 세운 자물쇠열쇠 모델이며, 이는 해당 자물쇠'에 맞는 열쇠'라고 보면 유사합니다.

그러나 또 다른 모델인 유도 적합 모델에서는 복합물의 동적 특성을 고려합니다. 이 모델은 기질이 결합될 때 작은 적합성 변화를 유도하여 반응을 더 촉진하는 더 밀접한 적합을 형성합니다. 반응을 위한 활성화 에너지는 다양한 방법으로 낮출 수 있습니다.

일반적인 메커니즘에는 결합을 보다 쉽게 파괴할 수 있도록 하는 기질의 적합성 변화를 유도하거나, 두 기질의 반응 집단을 더 근접하게 하여 결합 형성을 촉진하는 것이 포함됩니다. 효소 활동은 억제제라고 불리는 자연 분자나 합성 분자에 의해 일시적으로 또는 영구적으로 억제될 수 있습니다. 예를 들어, 경쟁적 억제제는 기질과 경쟁하여 효소의 활성 부위와 결합하면서 기질 결합을 막습니다.

반면에, 비경쟁 억제제는 효소의 다른 위치와 결합하는데 이를 통해 효소의 촉매적 활성을 감소시키면서 활성 부위에서 구조적인 변화를 일으킵니다.