효소 촉매작용은 효소가 촉매로 작용하는 현상에 대한 설명이다. 효소는 단백질을 주성분으로 하는 생체 고분자 물질로, 기질 농도에 따라 반응 속도가 포화되는 특징을 보인다. 효소 반응은 미카엘리스-멘텐 식을 통해 반응 속도를 계산하며, 저해 양식에 따라 반응 속도 응답이 달라진다. 효소의 활성화 에너지는 일반적인 화학 반응보다 낮으며, 다양한 메커니즘을 통해 촉매 작용을 한다. 이러한 메커니즘에는 유도 적합 모델, 근접 및 배향 효과, 산-염기 촉매, 정전기적 촉매, 공유 결합 촉매, 금속 이온 촉매, 결합 변형, 양자 터널링 등이 있다. 효소 반응은 효소의 양을 조절하거나, 효소 단백질을 가역적으로 변화시키는 방식으로 조절되며, 피드백 억제와 알로스테릭 효과가 조절 기작의 예시이다.
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촉매 반응 - 활성화 에너지 활성화 에너지는 화학 반응이 일어나기 위해 반응물이 넘어야 하는 최소 에너지 장벽으로, 반응 속도에 직접적인 영향을 미치며 촉매에 의해 조절될 수 있고, 아레니우스 식으로 표현되며, 다양한 화학 현상 이해에 필수적인 개념이다.
촉매 반응 - 광촉매 광촉매는 빛을 받아 촉매 작용을 하는 물질로, 이산화티타늄이 주로 사용되며 유기물 분해, 수질 및 대기 정화 등에 응용되지만 가시광선 효율 향상 및 과장 광고 문제가 있다.
효소 - 활성 부위 활성 부위는 효소 분자 내에서 기질과 결합하여 촉매 작용을 하는 특정 부위이며, 다양한 모델로 설명되고, 결합 부위, 촉매 부위, 보조인자를 포함하며, 저해제와 알로스테릭 부위와 관련되어 신약 개발에 활용된다.
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Kamerlin SC, Warshel A. At the dawn of the 21st century: Is dynamics the missing link for understanding enzyme catalysis? Proteins. 2010 May;78(6):1339-1375. Laidler KJ. Physical Chemistry with Biological Applications. Benjamin/Cummings; 1978. p. 427.
2. 효소 반응 속도론
효소 반응 속도론은 효소 반응의 속도를 다루는 학문 분야이다. 효소는 생체 고분자 물질로, 촉매 작용을 통해 화학 반응을 돕지만, 금속 촉매와는 다른 특성을 보인다.
효소 반응의 경우, 기질 농도([S])가 높아지면 반응 속도가 포화되는 현상이 나타난다. 즉, 기질 농도를 높게 변화시키면 반응 속도는 '''포화 최대 속도 ''V''max'''에 이르는 쌍곡선을 그린다. 반면, 금속 촉매는 반응 초기 속도([ν])가 촉매 농도에 의존하지 않고 기질 농도([S])에 비례한다.
이러한 차이는 효소와 금속 촉매의 입자 상태 차이로 설명할 수 있다. 금속 촉매는 표면에 무수한 촉매 부위가 존재하지만, 효소는 기질에 비해 거대하며 활성 중심이 제한적이다. 따라서 기질과 효소가 충돌해도 반응을 일으키는 빈도가 낮다. 기질 농도가 높아지면 효소의 활성 중심이 기질과 결합하여 포화 상태가 된다. 이처럼 효소 반응에서는 효소와 기질이 결합한 '''기질 복합체'''를 만드는 과정이 반응 속도를 결정하는 율속 과정이 된다.
또한, 기질 복합체 농도([ES])는 효소 투입 후 완만하게 상승하다가 생성물 P의 생산과 함께 정류 상태에 도달한다. 이러한 현상도 효소 반응의 특징 중 하나이다.[50]
대부분의 효소 반응은 물 속에서 일어나며, 미량의 수분을 포함한 유기 용매에서도 촉매 활성을 나타낼 수 있다. 이러한 환경을 '''미수계'''라고 한다.
2. 1. 미카엘리스-멘텐 식
1913년L. 미카엘리스와 M. 멘텐은 효소에 의한 설탕의 가수 분해 반응을 측정하고, "열쇠와 열쇠 구멍" 모델과 실험 결과로부터 '''효소-기질 복합체 모델'''을 도출하여 효소 반응을 정식화했다.[50] 이 모델에 따르면 효소를 사용한 계에서는 다음 식으로 반응이 진행된다.
즉, 효소 반응은 효소와 기질이 일시적으로 결합하여 효소-기질 복합체를 형성하는 제1과정과, 효소-기질 복합체가 효소와 생성물로 분리되는 제2과정으로 나눌 수 있다.
이 이론으로부터 유도되는 '''미카엘리스-멘텐 식'''에 의해 효소 반응의 반응 속도를 구할 수 있다. 미카엘리스와 멘텐의 최초 이론은 E + S와 ES 사이의 화학 평형을 가정하고 있어, 천천히 생성물로 반응이 진행되는 경우의 근사치였지만, 후에 브리그스와 홀데인이 보다 일반적인 정상 상태 조건을 가정하여, 그 경우에도 유사한 식이 성립함을 보였다.
효소와 기질이 효소-기질 복합체를 형성하는 과정(위 식의 제1과정)은 가역 과정으로 취급할 수 있다. 이 반응이 정상 상태일 때의 평형 상수는 '''미카엘리스-멘텐 상수'''라고 불리는 효소 반응의 중요한 파라미터로, '''''K''m''' 으로 표기된다. 이 상수는 효소와 기질의 친화성을 나타내는 파라미터이며, 다음과 같은 성질을 가진다.
''K''m 값이 낮으면 효소와 기질의 친화성이 높고, 빠르게 복합체를 형성하지만 생성 반응의 진행은 느리다.
''K''m 값이 높으면 효소와 기질의 친화성이 낮고, 천천히 복합체를 형성하지만 생성 반응의 진행은 빠르다.
''K''m의 실측값은 효소 반응의 반응 속도가 최대 속도 ''V''max의 2분의 1이 될 때의 기질 농도와 같은 값이 된다.
또한, ''V''max와 관련된 분자 활성 ''k''cat라는 값이 존재한다. 이는 단백질 1분자당 1초에 몇 개의 기질을 촉매하는지를 나타내는 파라미터이다. 식은 다음과 같이 나타낸다.
: ''k''cat = 기질 분자 농도 (M)/효소 분자 농도 (M) × 초
여기서 우변은 분자와 분모에 농도의 단위를 가지므로 이를 약분하면, ''k''cat는 s−1이라는 단위로 나타낸다. 예를 들어, 효소 1분자당 1초에 100개의 기질 분자를 촉매하면 100 s−1이 된다. 탄산 탈수 효소에는 극히 활성이 높은 것이 있는데, 이 효소는 1초당 백만 개의 이산화 탄소를 탄산 이온으로 변화시킨다 (''k''cat = 106 s−1).
2. 2. 저해 양식
효소의 반응 속도는 기질과 구조가 비슷한 분자나 알로스테릭 효과에 의해 영향을 받는다(저해된다). 저해 작용의 종류에 따라, 효소의 반응 속도 응답 양식 ('''저해 양식''')이 바뀐다. 반응 속도나 반응 속도 파라미터를 해석하여 저해 양식을 조사함으로써, 반대로 어떤 저해 작용을 받고 있는지를 식별할 수 있다.[50]
일반적으로 활성화 에너지가 15,000 cal/mol에서 10,000 cal/mol로 감소하면, 반응 속도 상수는 대략 4.5×107배가 된다.
효소 반응에서 효소-기질 복합체로부터 생성물로 변화하는 과정에서는 원자 간의 결합 거리나 각도 등이 변형된 분자 구조가 되는 '''전이 상태'''나 '''반응 중간체'''를 거친다.
분자의 내부 포텐셜 에너지는 원자 간의 결합 거리나 각도에 따라 다양하게 변화하지만, 일반적으로 보이는 분자에서는 포텐셜 에너지가 극소가 되는 결합 거리나 각도를 취하고 있다. 효소 반응의 기질도 포텐셜 에너지는 극소가 되어 있다. 효소 반응이 진행되는 과정(전이 상태)에서는 원자 간의 결합 거리나 각도의 변화를 수반하며, 그 변화에 의해 포텐셜 에너지는 일시적으로 증대하지만, 반응이 진행되면 다시 감소한다. 기질은 전이 상태를 거쳐 반응 중간체, 생성물로 변화한다. 기질과 마찬가지로 생성물도 포텐셜 에너지가 극소의 상태이다.
기질이 효소와 결합하면, 효소는 유도 적합에 의해 컨포메이션이 변화하지만, 기질 쪽의 컨포메이션도 효소에 의해 변화되어, 그 원자 간 거리나 각도가 전이 상태에 가까운 형태로 변형된다. 이것이 효소의 활성화 에너지가 유기 화학 촉매의 활성화 에너지보다 작은 이유 중 하나이다.
4. 효소 반응 메커니즘
효소는 기질 특이성을 가지며, 활성 부위와 기질 결합 부위를 통해 기질과 결합한다. 일본 공업 규격에서는 효소를 "선택적인 촉매 작용을 갖는 단백질을 주성분으로 하는 생체 고분자 물질" (JIS K 3600-1310)로 정의한다.[50] 효소는 금속 촉매와 달리 기질 농도가 높아지면 반응 속도가 포화되는 현상을 보인다. 이는 효소 분자가 기질에 비해 크고 활성 중심이 적어 기질이 효소의 활성 중심을 서로 차지하기 때문이다. 효소 반응에서 효소와 기질이 결합한 '''기질 복합체'''를 만드는 과정은 반응 속도를 결정하는 율속 과정이 된다.
1913년레오노르 미카엘리스와 마우드 멘텐은 효소-기질 복합체 모델을 제시하고, 미카엘리스-멘텐 식을 통해 효소 반응 속도를 설명했다. 효소와 기질이 결합하여 효소-기질 복합체를 형성하는 과정은 평형 상수인 미카엘리스-멘텐 상수(''K''m)로 나타내며, 이는 효소와 기질의 친화성을 나타낸다.
효소는 활성 부위 근처에 기질 결합 부위를 가지며, 젖산 탈수소 효소나 세린 프로테아제와 같이 특정 아미노산 잔기가 촉매 작용에 관여한다. 기질은 엔트로피 트랩에 의해 유도적으로 기질 결합 부위에 결합하며, 효소는 저농도 기질 조건에서도 효율적으로 촉매 작용을 한다. 효소 반응은 전이 상태나 반응 중간체를 거치며, 효소는 유도 적합을 통해 기질의 컨포메이션을 변화시켜 활성화 에너지를 낮춘다.
1986년 트라몬타노 등은 항체 효소(abzyme)를 발견했는데, 이는 특정 기질의 전이 상태와 유사한 구조를 가진 물질에 대한 항체로, 효소와 같은 작용을 한다.
산-염기 촉매:양성자를 주고받아 전이 상태의 전하를 안정화한다. 키모트립신 등에서 프로톤 전달 모델이 중요하게 작용한다.
정전기적 촉매: 활성 부위의 전하 분포가 전이 상태를 안정화시켜 반응 속도를 최대 107배까지 증가시킬 수 있다.[14][15]
공유 결합 촉매: 효소 활성 부위 잔기나 보조 인자가 기질과 일시적인 공유 결합을 형성한다. 프로테아제의 촉매 삼인조, 알돌라제 등이 이 메커니즘을 활용한다.
금속 이온 촉매: 전하 안정화, 루이스 산으로 작용, 산화-환원 작용 등을 통해 촉매 작용에 참여한다.
결합 변형: 효소는 기질 결합 시 유도 적합을 통해 형태를 변경하여 효소-기질 복합체를 형성하고, 기질과 전이 상태 사이의 에너지 차이를 낮춘다. 헥소키나아제 등이 이 방식을 사용한다.
양자 터널링: 방향족 아민 탈수소 효소에 의한 트립타민 산화와 같이, 양성자 또는 전자가 활성화 장벽을 터널링하여 반응 속도를 높인다.
활성 효소: 효소 반응의 전체 과정은 활성 효소의 그룹 교환 반응으로 설명할 수 있으며, 이는 α-키모트립신 및 근육 수축 메커니즘과 관련이 있다.
4. 1. 유도 적합 모델
효소-기질 상호작용에 대한 고전적인 모델은 유도 적합 모델이다.[3] 이 모델은 효소와 기질 사이의 초기 상호작용은 비교적 약하지만, 이러한 약한 상호작용이 효소의 입체 구조 변화를 빠르게 유도하여 결합을 강화한다고 제안한다.
효소는 기질 결합 시 유도 적합을 통해 형태를 변경하여 효소-기질 복합체를 형성한다. 헥소키나아제는 아데노신 삼인산과 자일로스의 기질에 대해 닫히는 큰 유도 적합 운동을 한다. 결합 부위는 파란색, 기질은 검은색, Mg2+ 보조 인자는 노란색이다.
기질이 효소와 결합하면, 효소는 유도 적합에 의해 컨포메이션이 변화하지만, 기질 측의 컨포메이션도 효소에 의해 변화되어, 그 원자 간 거리나 각도가 전이 상태에 가까운 형태로 변형된다. 이것이 효소의 활성화 에너지가 유기 화학 촉매의 활성화 에너지보다 작은 이유 중 하나이다.
유도 적합 메커니즘의 장점은 강한 효소 결합의 안정화 효과로 인해 발생한다. 기질 결합에는 두 가지 다른 메커니즘(균일 결합, 차별적 결합)이 있다. 균일 결합의 안정화 효과는 기질과 전이 상태 결합 친화도를 모두 증가시키는 반면, 차별적 결합은 전이 상태 결합 친화도만 증가시킨다. 두 가지 모두 효소에 의해 사용되며 반응의 활성화 에너지를 최소화하기 위해 진화적으로 선택되었다. 포화된, 즉, 높은 친화성 기질 결합을 갖는 효소는 활성화 에너지를 감소시키기 위해 차별적 결합이 필요한 반면, 작은 기질이 결합되지 않은 효소는 차별적 또는 균일 결합을 사용할 수 있다.[4]
이러한 효과로 인해 대부분의 단백질은 활성화 에너지를 감소시키기 위해 차별적 결합 메커니즘을 사용하게 되었고, 따라서 대부분의 기질은 전이 상태에 있는 동안 효소에 대한 높은 친화도를 갖는다. 차별적 결합은 유도 적합 메커니즘에 의해 수행된다. 기질이 먼저 약하게 결합하고, 효소가 형태를 변경하여 전이 상태에 대한 친화도를 증가시키고 이를 안정화시켜 전이 상태에 도달하기 위한 활성화 에너지를 감소시킨다.
그러나 유도 적합 개념이 촉매작용을 합리화하는 데 사용될 수 없다는 것을 명확히 하는 것이 중요하다. 즉, 화학적 촉매작용은 효소가 없는 물에서의 반응에서 ''E''a‡에 비해 (시스템이 이미 ES‡인 경우) ''E''a‡의 감소로 정의된다. 유도 적합은 효소의 닫힌 형태에서 장벽이 낮다는 것을 암시할 뿐, 장벽 감소의 이유가 무엇인지는 알려주지 않는다.
유도 적합은 입체 구조 교정 메커니즘을 통해 경쟁 및 잡음이 있는 상황에서 분자 인식의 충실도에 유익할 수 있다.[5]
4. 2. 근접 및 배향 효과
효소-기질 상호작용은 반응성 화학 작용기를 정렬하고 최적의 기하학적 구조로 가깝게 유지하여 반응 속도를 증가시킨다. 이는 반응물의 엔트로피를 감소시켜, 두 반응물이 하나의 생성물이 될 때 전체 엔트로피가 감소하기 때문에 부가 또는 전달 반응을 덜 불리하게 만든다. 그러나 이것은 일반적인 효과이며, 시약의 "유효 농도" 증가로 인해 발생하는 부가 또는 전달 반응이 아닌 반응에서도 나타난다. 이는 농도 증가가 반응 속도 증가로 이어지는 것을 고려할 때 이해된다. 본질적으로 반응물이 더 농축되면 더 자주 충돌하므로 더 자주 반응한다. 효소 촉매 작용에서, 시약이 효소에 결합하면 반응물의 형태 공간이 제한되어 시약이 '적절한 방향'으로 서로 가깝게 유지되어 더 자주, 그리고 올바른 기하학적 구조로 충돌하여 원하는 반응을 촉진한다. "유효 농도"는 용액 내에서 자유롭게 시약이 존재할 때 동일한 충돌 빈도를 경험하기 위해 가져야 하는 농도이다. 종종 이러한 이론적 유효 농도는 비현실적이며 실제로는 실현 불가능하다. 이는 무촉매 상태에 비해 엄청난 속도 증가를 보이는 많은 효소의 뛰어난 촉매력에 대한 증거이다.
예시
반응이 분자 내 반응인 경우 유사한 반응이 훨씬 더 빠르게 일어난다.
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그러나 현대의 계산 연구를 통해 근접 효과의 전통적인 예가 효소 엔트로피 효과와 직접적으로 관련될 수 없다는 것이 밝혀졌기 때문에 상황은 더 복잡할 수 있다.[6][7][8] 또한, 원래의 엔트로피 제안은[9] 촉매 작용에 대한 방향 엔트로피의 기여를 과대평가하는 것으로 밝혀졌다.[10]
4. 3. 산-염기 촉매
결합) 형성
pKa 감소
pKa 증가
pKa는 또한 주변 환경에 의해 크게 영향을 받아 용액에서 염기성인 잔기가 양성자 공여체로 작용할 수 있으며, 그 반대의 경우도 가능하다.
세린 프로테아제의 촉매 삼합체를 예로 들어 설명할 수 있다.[14]
세린 프로테아제 촉매 메커니즘의 초기 단계는 활성 부위의 히스티딘이 세린 잔기로부터 양성자를 수용하는 것을 포함한다. 이는 세린을 기질의 아미드 결합을 공격하는 친핵체로 준비한다. 이 메커니즘에는 세린(염기, pKa 14)에서 히스티딘(산, pKa 6)으로의 양성자 공여가 포함되며, 이는 염기의 국소 환경으로 인해 가능하다.[11]
pKa의 변형은 순수한 전기적 메커니즘의 일부이다. 위의 예의 촉매 효과는 주로 옥시아니온의 pKa 감소와 히스티딘의 pKa 증가와 관련이 있으며, 세린에서 히스티딘으로의 양성자 이동은 속도 결정 장벽이 아니므로 크게 촉매되지 않는다. 표시된 예에서 히스티딘 짝산은 사면체 중간체로부터 아민의 후속 손실에 대한 일반적인 산 촉매 작용을 한다는 점에 유의해야 한다. 그러나 이 제안된 메커니즘을 뒷받침하는 증거는 논란의 여지가 있다.[13]
가수 분해나 탈수소 반응은 산 염기 촉매 부위에 의한 과정이 중요하며, 키모트립신 등에서는 다음과 같은 프로톤 전달 모델이 생각되고 있다.
여기서 His 등은 단백질을 구성하는 아미노산 잔기의 3글자 약호를 나타내며, 오른쪽 어깨의 숫자는 N 말단으로부터의 번호를 나타낸다. 효소 중에서 산 염기 촉매로서 가장 작용하는 것은 히스티딘이다. 히스티딘은 등전점이 pH 6이며, 생리적인 조건에 매우 가깝다. 히스티딘은 프로테아제 외에도 탈수소 효소의 활성 중심을 담당하는 경우가 많다.
4. 4. 정전기적 촉매
효소 활성 부위의 전하 분포는 전이 상태를 안정화시켜 반응 속도를 높인다. 전하를 띤 전이 상태는 활성 부위 잔기가 중간체와 이온 결합(또는 부분적인 이온 전하 상호작용)을 형성함으로써 안정화될 수 있다. 이러한 결합은 라이신, 아르지닌, 아스파르트산, 글루탐산과 같은 아미노산의 산성 또는 염기성 측쇄나 아연과 같은 금속 보조 인자에서 발생할 수 있다. 특히 금속 이온은 물의 pKa를 낮춰 효과적인 친핵체가 되게 한다.
컴퓨터 시뮬레이션 연구에 따르면 정전기적 효과가 촉매작용에 가장 큰 기여를 하며, 반응 속도를 최대 107배까지 증가시킬 수 있다.[14][15] 효소는 물보다 극성인 환경을 제공하고, 이온 전이 상태는 고정된 쌍극자에 의해 안정화된다. 이는 물 분자의 재배열 에너지를 필요로 하는 물에서의 전이 상태 안정화와는 다르다.[16] 효소 극성 그룹은 미리 조직되어 있어 촉매작용에 기여한다.[17]
효소 활성 부위의 정전기장 크기는 효소의 촉매 반응 속도 향상과 높은 상관관계를 보인다.[18] 기질 결합은 활성 부위에서 물을 배제하여 국부적인 유전 상수를 낮추고, 전하를 띤/극성 기질과 활성 부위 간의 정전기적 상호작용을 강화한다. 활성 부위 주변의 전하 분포는 촉매 반응의 전이 상태를 안정화하도록 배열되어 있다. 여러 효소에서 이러한 전하 분포는 극성 기질을 결합 부위로 유도하여 반응 속도가 확산 제어 한계보다 더 커지도록 한다.
카르복시펩티데이스 촉매 메커니즘 예시
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4. 5. 공유 결합 촉매
공유 결합 촉매 작용은 효소 활성 부위의 잔기나 보조 인자가 기질과 일시적인 공유 결합을 형성하는 것을 포함한다. 이는 반응에 추가적인 공유 중간체를 생성하여 반응 후반부 전이 상태의 에너지를 낮추는 데 기여한다. 공유 결합은 반응 후반부에 효소가 재생될 수 있도록 끊어져야 한다. 이 메커니즘은 키모트립신, 트립신과 같은 프로테아제 효소의 촉매 삼인조에서 활용되며, 이 과정에서 아실-효소 중간체가 형성된다. 또 다른 예로는 당 분해 과정 중 효소 알돌라제에서 라이신 잔기의 자유 아민을 이용해 쉬프 염기를 형성하는 메커니즘이 있다.[19]
일부 효소는 반응 분자와 공유 중간체를 형성하기 위해 피리독살 인산(PLP) 또는 티아민 피로인산(TPP)과 같은 비 아미노산 보조 인자를 이용한다. 이러한 공유 중간체는 활성 부위 아미노산 잔기로 형성된 공유 중간체와 유사하게 후기 전이 상태의 에너지를 감소시킨다. 그러나 보조 인자는 효소가 아미노산 측쇄 잔기만으로는 불가능한 반응을 수행할 수 있게 돕는다. 이러한 보조 인자를 활용하는 효소의 예로는 PLP 의존성 효소인 아스파테이트 아미노전이효소와 TPP 의존성 효소인 피루브산 탈수소 효소가 있다.[21][22]
공유 결합 촉매 작용은 반응 경로의 활성화 에너지를 낮추는 대신, 공유 중간체를 거치는 대안적인 경로를 제공한다는 점에서 진정한 촉매 작용과 차이가 있다.[14]
4. 6. 금속 이온 촉매
금속 이온은 전하 안정화 및 차폐를 조절하여 촉매 작용에 참여한다. 금속 이온은 양전하를 띠기 때문에 음전하만 안정화할 수 있다.[23] 또한 pH 변화에 영향을 받지 않아 생물학적 촉매 작용에 유리하다.[24] 금속 이온은 루이스 산으로 작용하여 물을 이온화할 수 있으며,[25] 산화 및 환원 작용제로도 기능한다.[26]
4. 7. 결합 변형
효소는 기질 결합 시 유도 적합을 통해 형태를 변경하여 효소-기질 복합체를 형성한다. 헥소키나아제는 아데노신 삼인산과 자일로스 기질에 대해 닫히는 큰 유도 적합 운동을 한다.[3] 이 모델은 효소와 기질 사이의 초기 상호작용은 비교적 약하지만, 이러한 약한 상호작용이 효소의 입체 구조 변화를 빠르게 유도하여 결합을 강화한다고 제안한다.
기질 결합에는 강한 기질 결합을 갖는 균일 결합과 강한 전이 상태 결합을 갖는 차별적 결합, 두 가지 메커니즘이 있다. 균일 결합은 기질과 전이 상태 결합 친화도를 모두 증가시키는 반면, 차별적 결합은 전이 상태 결합 친화도만 증가시킨다. 대부분의 단백질은 활성화 에너지를 감소시키기 위해 차별적 결합 메커니즘을 사용하며, 기질은 전이 상태에 있는 동안 효소에 대한 높은 친화도를 갖는다. 차별적 결합은 유도 적합 메커니즘에 의해 수행된다. 즉, 기질이 먼저 약하게 결합하고, 효소가 형태를 변경하여 전이 상태에 대한 친화도를 증가시켜 안정화하고, 활성화 에너지를 감소시킨다.[4]
유도 적합은 입체 구조 교정 메커니즘을 통해 경쟁 및 잡음이 있는 상황에서 분자 인식의 충실도에 유익할 수 있다.[5] 효소의 전이 상태에 대한 친화력은 기질 자체보다 더 크다. 이는 기질 결합을 전이 상태의 컨포메이션에 더 가깝게 위치하도록 변형시키는 구조적 재배열을 유도하여 기질과 전이 상태 사이의 에너지 차이를 낮추고 반응을 촉매하는 데 도움을 준다. 그러나 변형 효과는 실제로는 전이 상태 안정화 효과가 아닌 바닥 상태 불안정화 효과이다.[14][27] 또한 효소는 매우 유연하며 큰 변형 효과를 적용할 수 없다.[28] 기질의 결합 변형 외에도 활성 부위의 잔기를 활성화하기 위해 효소 자체 내에서 결합 변형이 유도될 수도 있다.
라이소자임의 기질, 결합된 기질 및 전이 상태 컨포메이션.
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1913년L. 미카엘리스와 M. 멘텐은 효소에 의한 설탕의 가수 분해 반응을 측정하여, "열쇠와 열쇠 구멍" 모델과 실험 결과로부터 '''효소-기질 복합체 모델'''을 도출하여 효소 반응을 정식화했다.
효소와 기질이 효소-기질 복합체를 형성하는 과정은 가역 과정으로 취급할 수 있다. 이 반응이 정상 상태일 때의 평형 상수는 '''미카엘리스-멘텐 상수'''라고 불리는 효소 반응의 중요한 파라미터로, '''''K''m'''으로 표기된다. 이 상수는 효소와 기질의 친화성을 나타내는 파라미터이다.
효소 반응에서, 효소-기질 복합체로부터 생성물로 변화하는 과정에서는, 원자 간의 결합 거리나 각도 등이 변형된 분자 구조가 되는 '''전이 상태'''나 '''반응 중간체'''를 경유한다. 기질이 효소와 결합하면, 효소는 유도 적합에 의해 컨포메이션이 변화하지만, 기질 측의 컨포메이션도 효소에 의해 변화되어, 그 원자 간 거리나 각도가 전이 상태에 가까운 형태로 변형된다. 이것이 효소의 활성화 에너지가 유기 화학 촉매의 활성화 에너지보다 작은 이유 중 하나가 된다.
1986년미국의 트라몬타노 등은, 효소와 같은 작용을 하도록 의도하여 제조한 항체가 의도대로의 효소 작용을 나타내는 것을 발견하여, '''항체 효소'''(abzyme)라고 명명했다. 항체 효소는, 어떤 기질의 전이 상태의 원자 거리, 각도에 가까운 물질(기질 유사체)에 대한 항체이다.
4. 8. 양자 터널링
일부 효소는 고전적인 ΔG‡에 의해 예측되는 것보다 더 빠른 속도로 작동한다. "장벽 통과" 모델에서, 양성자 또는 전자는 활성화 장벽을 통해 터널링할 수 있다.[30][31] 방향족 아민 탈수소 효소에 의한 트립타민 산화 과정에서 양성자의 양자 터널링이 관찰되었다.[32]
양자 터널링은 촉매 반응과 비촉매 반응 모두에서 터널링 기여가 유사하므로, 주요 촉매적 이점을 제공하지 않는 것으로 보인다.[31][33][34][35] 그러나 터널링 기여는 고전적인 '장벽 통과' 경로의 반응 속도에 비해 약 1000배 정도 속도 상수를 향상시키며,[32] 이는 생물체의 생존에 매우 중요할 가능성이 높다. 따라서 생물학에서 터널링 반응은 일반적으로 중요하다.
4. 9. 활성 효소
효소 반응의 전체 과정은 다음 두 개의 결합 반응으로 나눌 수 있다.[38]
반응식에서 볼 수 있듯이 활성 효소의 그룹 X1은 효소 내부의 교환 반응 가능성으로 인해 생성물에 나타난다. 이는 원자의 정전기적 억제와 반발을 모두 피하기 위한 것이다. 따라서 활성 효소를 효소 반응의 강력한 반응물로 나타낸다. S2의 그룹 X2가 효소 내에 남아 있기 때문에 기질의 불완전한 전환을 보여준다. 이러한 접근 방식은 이전에 가설적인 극도로 높은 효소 전환 (촉매적으로 완벽한 효소)에 의존하여 제안되었다.[39]
이러한 접근 방식을 검증하기 위한 중요한 점은 촉매가 반응의 전달 그룹을 가진 효소의 복합체여야 한다는 것이다. 이 화학적 측면은 여러 효소 반응의 잘 연구된 메커니즘에 의해 뒷받침된다. 순수한 단백질 α-키모트립신 (보조 인자 없이 작용하는 효소)에 의해 촉매되는 펩타이드 결합 가수분해 반응을 예시로 들 수 있다. 이는 세린 프로테아제 계열의 잘 연구된 구성원이다.[40]
이 반응에 대한 실험 결과는 다음 두 개의 화학 단계로 제시된다.
여기서 S1은 폴리펩타이드이고, P1과 P2는 생성물이다. 첫 번째 화학 단계는 공유 아실-효소 중간체의 형성을 포함한다. 두 번째 단계는 탈아실화 단계이다. 효소에서 처음 발견되었지만 물에서는 발견되지 않은 그룹 H+가 가수분해 단계 전에 생성물에 나타난다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 따라서 효소 반응의 추가 그룹으로 간주될 수 있다.
따라서, 위의 반응식은 효소가 반응의 강력한 반응물로 작용함을 보여준다. 제안된 개념에 따르면 효소로부터의 H 수송은 첫 번째 반응물 전환, 즉 첫 번째 초기 화학 결합 (그룹 P1과 P2 사이)의 파괴를 촉진한다. 가수분해 단계는 두 번째 화학 결합의 파괴와 효소의 재생으로 이어진다.
제안된 화학 메커니즘은 매질 내 기질 또는 생성물의 농도에 의존하지 않는다. 그러나 그들의 농도의 변화는 주로 반응식의 첫 번째 단계와 마지막 단계에서 자유 에너지 변화를 유발하며, 이는 수용액에서 S 또는 P의 모든 분자의 자유 에너지 함량 변화 때문이다.
이러한 접근 방식은 근육 수축의 다음 메커니즘과 일치한다. 골격근에서 ATP 가수분해의 마지막 단계는 미오신 머리가 액틴과 결합하여 생성물이 방출되는 것이다.[41] 결합 반응 동안 액틴 결합 틈새의 닫힘은 미오신 활성 부위의 뉴클레오타이드 결합 포켓의 열림과 구조적으로 결합되어 있다.[42]
특히 ATP 가수분해의 마지막 단계는 인산염의 빠른 방출과 ADP의 느린 방출을 포함한다.[43][44]
결합된 ADP 음이온에서 물 용액으로의 인산 음이온 방출은 인산 음이온의 분자 질량이 낮기 때문에 발열 반응으로 간주될 수 있다.
따라서 무기 인산염 H2PO4−의 1차 방출이 ATP 가수분해 자유 에너지의 상당 부분을 용매화된 인산염의 운동 에너지로 변환하여 활성 스트리밍을 생성한다는 결론에 도달한다. 이러한 국소적인 기계-화학적 변환에 대한 가정은 ATP 가수분해에 의해 생성된 활성 스트리밍의 통합된 작용에서 근육 힘이 파생되는 Tirosh의 근육 수축 메커니즘과 일치한다.[45][46]
효소의 기질 특이성은 왜 발휘되는지, 활성화 에너지를 어떻게 낮추는지 등, 무기 촉매나 산염기 촉매 등과 다른 기본적인 특성을 만들어내는 효소 반응의 기작에 대해서는, 아직 통일적인 해답이 얻어졌다고는 할 수 없다. 그러나 오늘날에는, 구조 생물학의 발전이나 재조합 단백질 제작에 의한 변이 도입 등의 기술을 이용하여 그 일단을 알 수 있게 되었다.
피드백 억제는 효소의 질적 변화를 이용한 대표적인 조절 방식이다. 이 외에도, 세포 내 키나아제에서 효소 단백질이 인산화되어 활성화되는 경우, 인산기가 제거되거나 효소가 분해될 때까지 활성이 유지된다. 소화 효소인 트립신은 트립시노겐 형태로 췌장에서 분비된 후, 십이지장 표면의 엔테로펩티다아제에 의해 펩타이드 사슬 일부가 절단되어 활성화된다. 열 충격 단백질 같은 분자 샤페론은 효소의 고차 구조를 변화시켜 불활성형 효소를 활성형으로 전환한다.[52]
7. 1. 피드백 억제
일반적으로 촉매 반응의 반응 속도는 기질 농도와 생성물 농도에 의해 영향을 받지만, 효소 반응의 경우, 여러 단계로 이루어진 대사 경로에서 효소의 직접적인 기질 또는 생성물 이외의 대사 생성물이 효소의 반응 속도를 제어하는 경우가 자주 관찰된다. 특히, 대사 생성물이 과잉되었을 때, 생성물이 몇 단계 상류 과정의 효소 반응을 억제함으로써 생산을 억제하는 조절 과정을 '''피드백 억제'''라고 부른다.[52] 알로스테릭 효과 등 피드백 억제가 일어나는 경우, 생산물이 과잉되면 효소 활성이 저하되고, 생산물이 감소하면 효소 활성은 복원된다.
7. 2. 알로스테릭 효과
알로스테릭 효과는 생체 내 피드백 억제의 한 예이다.[52] 알로스테릭 효소는 활성 중심 근방의 기질 결합 부위와는 다른 곳에 저분자 물질을 결합시켜 그 활성을 변화시킨다. 이러한 알로스테릭 효과를 유도하는 저분자 물질을 알로스테릭 이펙터라고 부른다.
예를 들어, 아스파르트산으로부터 리신을 합성하는 반응계에서는 최종 생성물인 리신이 알로스테릭 이펙터가 된다. 리신이 소량일 때는 아스파르트산 키나아제가 활발하게 촉매 작용을 하지만, 리신이 과잉되면 아스파르트산 키나아제의 리신 결합 부위에 리신이 결합하여 아스파르트산 키나아제의 활성이 저하된다.[52]
반대로 알로스테릭 이펙터가 정(+)의 방향으로 작용하는 경우도 있지만, 반응 최종 생성물이 관여하는 알로스테릭 효과는 대부분 활성을 저하시킨다.[52]
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