효소반응 메커니즘 및 동력학

유기반응촉매

- 브뢴스테드 산(양성자공여체)으로부터 양성자 이동

 전이상태의 자유에너지 감소

- 효소활성부위 아미노산: Asp, Glu, His, Cys, Tyr - 촉매활성  pH가 활성부위의 아미노산 곁사슬에

있는 양성자 상태에 영향을 미치기때문에 중요 - 반응: 펩타이드나 에스터의 가수분해반응,

인산그룹의 이동반응, 토토머화반응, 카보닐그룹의 부가반응

1. 산-염기촉매

글루코스의 상호전환반응

라이보핵산가수분해효소(RNaseA) - 산-염기 촉매

- RNA의 분해효소 - pK 5.4, pK 6.4

- His12가 RNA의 2’-OH그룹에서 양성자를 제거하는 일반염기로 작용

- 근처의 인산원자를 친핵성 공격을 하도록 도와줌 - His119는 일반산으로 행동

 이탈그룹의 양성자에 의해 결합이 붕괴

- 두 번째 단계에서는 첫 단계의 정확히 반대의 과정이 일어나며, 2’, 3’고리형 중간체의 가수분해도 일어남 - 이때 His12는 일반산, His119는 일반염기로 기능

라이보핵산가수 분해효소의 반응 메커니즘

- 전이상태 촉매-기질 간의 공유결합을 형성 - 친핵성 작용기와 친전자성 작용기의 반응

 친핵성 촉매(nucleophilic catalysis)

- 아세토아세트산의 탈카복실화반응: 친핵체인

일차아민  아세토아세트산의 카보닐기를 공격하여 쉬프염기(이민결합)를 형성

- 공유결합 중간체의 양성자화된 질소 원자  전이상태의 높은 에너지 에놀레이트 특성을 감소시키는 전자받이로 기능

2. 공유결합촉매

공유 결합 촉매과정의 세 단계

1. 공유결합은 기질과 효소 사이에 친핵성반응에 의해서 형성

2. 친전자성인 촉매효소는 반응중심으로부터 전자를 제거하는 기능을 수행

3. 촉매효소의 제거는 제1단계의 반대과정

공유결합성: 아세토아세트산의 탈카복실화

- 이미다졸작용기 및 싸이올작용기와 같이 높은 극성화 성질  공유결합이 쉽게 부숴지는 특성 - 단백질작용기의 예:

1. Lys의 양성자화 되지 않은 ε-아미노기 2. His의 이미다졸기

3. Cys의 싸이올기 4. Asp의 카복실기

5. Ser의 하이드록실기

- 효소의 1/3이 촉매활성에 금속이온 필요 - 금속효소(metalloenzyme):

금속이온이 촉매기능에 직접참여, 도움인자로 기능

 Fe²⁺, Fe³⁺, Cu²⁺, Mn²⁺, Co²⁺

- 금속에 의해 효소의 기능이

활성화(metal activated enzyme) 구조에 영향  Na⁺, K⁺, Ca²⁺

구조와 촉매  Mg²⁺, Zn²⁺

3. 금속이온촉매

촉매 메커니즘에서 금속의 역할

1. 기질에 결합함으로써 반응물이 적절히 배치되도록 하여 반응을 촉매

2. 금속이온 산화상태의 가역적인 변화를 통하여 산화-환원반응을 매게

3. 정전기적으로 효소단백질을 안정화시키거나 전기적으로 음하전의 보호

4. 금속이온은 중성 pH에서 높은 농도를 유지할 수 있으며, 하전된 상태 유지

 금속이온은 양성자보다 효율적인 촉매작용에 기여

 금속이온을 초강산(super acid)

탄산무수화효소

1. 금속이온의 하전은 금속이온에 결합된 물분자를 그렇지 않은 물분자에 비교하여 더 산성이 되게 함

 중성보다 낮은 pH에서도 친핵성인 OH-그룹의 공급원

2. 아연이온은세 개의 His 곁사슬과 하나의 H₂O 분자

 정사면체로 배위 결합

3. Zn²⁺: 극성화된 H₂O는 이온화를 돕고 네 번째 His64의 Zn부착된 물 분자  수소결합연결

 물분자가 양성자의 수용체로 기능

4. Zn⁺⁺  OH^- 효소결합의 인접한 기질 CO₂에 친핵성 공격

 HCO₃^- 로 전환

금속  안정화

• 촉매하전의 보호막: 인산화 효소의 실제기질

• Mg²⁺-ATP 착염  Mg²⁺ 인산그룹의 음하전을 막아주고  배향성에 도움

- 기질특이성:

트립신  Arg, Lys

카이모트립신  Tyr, Phe, Leu 엘라스테이스  알라닌, 세린

특정 효소반응 메커니즘

1. 세린단백질가수분해효소

- 카이모트립신(chymotrypsin), 트립신(trypsin), 엘라스테이스(elastase)

2. 단백질가수분해효소의 활성부위

그림 3-13.

효소의 기질특이한 절단부위.

그림 3-14.

효소내부의 기질부착부위.

그림 3-15.

카이모트립신에 의한 펩타이드가수분해효소반응 메커니즘.

효소동력학

1. 효소반응속도론

- 효소에 의하여 촉매되는 반응속도의 측정은 제안된 효소촉매 메커니즘을 증명

3-1의 속도식

ES의 생성전체속도:

적분하기 위한 두 가지 가정 1. 평형상태의 가정