경쟁적 저해

3. 경쟁적 저해의 특징

경쟁적 저해는 효소의 활성 부위에 기질과 경쟁적으로 결합하는 억제제가 존재하여 기질의 결합을 방해하는 현상이다.^[6] 효소는 억제제나 기질 중 하나에만 결합할 수 있으며, 동시에 둘 다 결합할 수는 없다.

기질 농도가 경쟁적 억제제의 농도보다 높으면, 기질이 억제제보다 효소의 활성 부위에 결합할 가능성이 더 높아진다. 이러한 경쟁적 저해는 기질 농도를 증가시켜 억제제의 영향을 줄일 수 있다.^[7]

경쟁적 저해제는 의약품 개발에 많이 활용된다.^[7] 예를 들어, 항암제인 메토트렉세이트는 엽산과 구조적으로 유사하여 디히드로엽산 환원 효소에 경쟁적으로 결합하여 DNA 합성을 억제한다.^[7] 또한, 프로스타글란딘 생성을 억제하는 필수 지방산은 통증 완화 약물로 사용된다.^[8]

식품 분야에서는 과일 및 채소의 갈변을 방지하기 위해 경쟁적 저해제를 사용하기도 한다. 예를 들어, 버섯의 티로시나아제에 의한 갈변 현상은 4-치환 벤즈알데히드와 같은 경쟁적 기질을 첨가하여 억제할 수 있다.^[9]

경쟁적 저해는 가역적 또는 비가역적일 수 있다. 가역적 저해는 기질 농도를 증가시켜 억제 효과를 극복할 수 있지만,^[6] 비가역적 저해는 새로운 효소가 생성될 때까지 지속된다.

경쟁적 억제제는 반드시 기질과 동일한 결합 부위에 결합할 필요는 없다. 알로스테릭 부위에 결합하여 기질 결합을 방해하는 경우도 있다. 예를 들어, 스트리크닌은 글리신 수용체의 알로스테릭 부위에 결합하여 글리신의 억제 효과를 감소시킨다.^[10]

경쟁적 저해에서 반응의 최대 속도($V\_\backslash max$)는 변하지 않지만, 기질의 겉보기 친화성은 감소한다($K\_d$ 해리 상수는 겉보기로 증가한다).^[11]

3. 1. 미카엘리스-멘텐 상수(Km) 변화

3. 2. 최대 반응 속도(Vmax) 불변

3. 3. 라이너위버-버크 도표

4. 경쟁적 저해의 수학적 모델

미카엘리스-멘텐 모델은 효소 역학을 이해하는 데 매우 유용한 도구이다. 이 모델을 통해 기질 농도([S])에 따른 반응 속도(V₀)의 그래프를 그려 V_max(최대 반응 속도), 초기 속도, K_m(미카엘리스-멘텐 상수 또는 효소-기질 복합체의 친화도)과 같은 값을 결정할 수 있다.^[16]

경쟁적 저해는 겉보기 K_m 값을 증가시키지만, V_max는 일정하게 유지된다. 이는 저해제의 존재가 더 높은 기질 농도로 극복될 수 있기 때문이다. 경쟁적 저해제가 있을 때 V_max/2에 도달하는 데 필요한 기질 농도는 저해제가 없을 때보다 더 높다.

경쟁적 저해 하에서 반응 초기 속도 $V\_0$는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:$V\_0\; =\; \backslash frac\{V\_\backslash max\backslash ,[S]\}\{K^\backslash text\{app\}\_m\; +\; [S]\}$

여기서 $K^\backslash text\{app\}\_m=K\_m(1+[I]/K\_i)$이며, $K\_i$는 저해제의 해리 상수이고 $[I]$는 저해제 농도이다.

경쟁적 저해 모델의 유도 과정은 다음과 같다.

단일 기질 효소가 미카엘리스-멘텐 반응 속도론을 따르는 가장 단순한 경우, 일반적인 반응식은 다음과 같다.

:

E + S <=>[k_1][k_{-1}] ES ->[k_2] E + P



여기서 E는 효소, S는 기질, ES는 효소-기질 복합체, P는 생성물을 나타낸다.

경쟁적 저해는 저해제(I)가 자유 효소(E)에 결합하는 것을 포함하여 반응식을 수정한다.

:

EI + S <=>[k_{-3}][k_3] E + S + I <=>[k_1][k_{-1}] ES + I ->[k_2] E + P + I



이때, 저해제는 ES 복합체에 결합하지 않고, 기질은 EI 복합체에 결합하지 않는다고 가정한다.

정상 상태 근사를 적용하여 위 반응식을 분석하고, 초기 반응 속도 V₀를 구하면,

:$V\_0\; =\; \backslash frac\{V\_\{\backslash max\}[S]\}\{K\_m(1\; +\; \backslash frac\{[I]\}\{K\_i\})\; +\; [S]\}$

가 유도된다.

4. 1. 미카엘리스-멘텐 식

4. 2. 경쟁적 저해를 고려한 미카엘리스-멘텐 식

5. 경쟁적 저해의 생물학적, 의학적 응용

경쟁적 저해는 의학과 생물학 분야에서 다양하게 응용된다.

설파제는 세균 내에서 파라-아미노벤조산(PABA)과 경쟁적으로 디히드로프테로산 합성 효소(DHPS)에 결합하여 엽산 합성을 억제하는 항균제이다.^[14] 엽산은 세균의 성장과 분열에 필수적이므로, 엽산 합성이 억제되면 세균은 생존할 수 없다.

크렙스 회로에서 숙신산을 푸마르산으로 전환하는 숙신산 탈수소 효소에 대한 말로네이트의 경쟁적 저해도 중요한 예시이다.^[15] 말로네이트는 숙신산과 구조가 유사하여 효소 활성 부위에 경쟁적으로 결합하여 반응을 억제한다.

5. 1. 신경독성 연구

6. 한국 사회에 미치는 영향

(요약과 참조할 원문 소스가 제공되지 않았으므로, '경쟁적 저해' 문서의 '한국 사회에 미치는 영향' 섹션 내용을 빈칸으로 둡니다.)

참조

_[1] 웹사이트 Types of Inhibition http://assay.nih.gov[...] NIH Center for Translational Therapeutics 2012-04-02
_[2] 서적 Molecular Cell Biology
_[3] 논문 The Inhibition of Cholinesterase by Physostigmine and Prostigmine
_[4] 서적 Biochemistry
_[5] 웹사이트 Virtual Chembook http://chemistry.elm[...] Elmhurst College 2015-09-01
_[6] 뉴스 Map: Biochemistry Free & Easy (Ahern and Rajagopal) https://bio.libretex[...] 2017-11-02
_[7] 논문 Enzymes Can Be Inhibited by Specific Molecules https://www.ncbi.nlm[...]
_[8] 논문 Drugs which inhibit prostaglandin biosynthesis http://pharmrev.aspe[...] 1974-03
_[9] 논문 Competitive inhibition of mushroom tyrosinase by 4-substituted benzaldehydes 2001-08
_[10] 서적 Pharmacology for Nurse Anesthesiology https://archive.org/[...] Jones & Bartlett Learning
_[11] 서적 Fundamentals of biochemistry : life at the molecular level 2016-02-29
_[12] 서적 Basic Neurochemistry: Molecular, Cellular and Medical Aspects. 6th Edition
_[13] 논문 Inhibition of the bioactivation of the neurotoxin MPTP by antioxidants, redox agents and monoamine oxidase inhibitors 2011-08
_[14] 뉴스 How Sulfa Drugs Work https://www.nih.gov/[...] 2017-11-02
_[15] 논문 Studies on the Mechanism of Hydrogen Transport in Animal Tissues 1943-03
_[16] 서적 Biochemistry
_[17] 웹사이트 Types of Inhibition http://assay.nih.gov[...] NIH Center for Translational Therapeutics 2012-04-02
_[18] 웹사이트 Competitive Inhibition http://cti.itc.virgi[...] 2012-04-02
_[19] 웹사이트 Enzyme Inhibitors http://www.elmhurst.[...] 2014-09-04
_[20] 웹사이트 Enzyme Inhibition http://dl.clackamas.[...] 2012-04-02