생체반응의 촉매: 효소의 기능과 조절

생명과학의 기초 생화학

Chapter 3

3장의 개요

3.1 효소연구의 중요성과 역사

3.2 생체반응의 단백질촉매: 효소

3.3 효소반응의 특징

3.4 효소반응 메커니즘 및 동력학

3.5 효소의 조절

3.6 효소의 활용

3.1 효소연구의 중요성과 역사

효소의 소개

1. 생명현상: 발생, 성장, 유지

많은 생체물질의 합성

2. 효소 촉매 필수

온화한 반응조건에서 기능

3. 효소는 단백질

저온에서 기능의 보존 가능

그림 3-1. 냉동인간. 효소가 저온에서 기능을

상실 → 유지

효소연구의 역사

• 1835년, 스웨덴의 베르첼리우스:

감자 속에 전분의 분해를 촉매하는 물질 확인

• 1878년, 독일의 퀴네(Kühne): 효소(enzyme)라는 어휘 사용, 어원은 그리스어 “효모 속(in yeast)”

• 프랑스의 파스퇴르 :

공기가 없는 상태에서 글루코스 분해

탄산가스와 알코올이 되는 과정(발효과정)에

살아 있는 세포가 관여하고 있다고 보고

• 1897년, 독일의 뷔크너:

파괴된 효모의 추출물 여과

발효에 직접 관여하는 효소를 처음 확인

효소활용의 역사

그림 3-2. 포도주의 역사. 고대 이집트에서는 포도주를생산할 때 포도의 바깥 표면에 있는 효모의 효소들을활용하여 포도의 글루코스를 에탄올로 바꾸는발효과정으로 포도주를 만들 수 있었다.

그림 3-3. 우리의 전통 음식 중 발효식품인 김치와 된장.

효소의 체계적인 명명법

효소의 기능(열역학, 전이상태)

- 독일의 피숴(Fisher): “효소는 반응하는 물질(기질)과 마치 자물쇠와열쇠의 관계”

- 1900년대 초, 스베드버그: 고속원심분리장치 효소는 단일단백질로서 촉매기능

- 생명체에서만 만들어지는 단백질촉매

- 화학반응속도: 활성화 에너지 낮춤

- 보통의 유기반응 촉매와 비교하면 훨씬 더 온화한 조건

- 촉매능력이 대단히 우수

3.2 생체반응의 단백질촉매: 효소

그림 3-4. 효소의 기질특이성은 열쇠와 자물쇠의 원리로설명이 가능.

- 전이상태이론(transition state theory)

· 1930년대, 헨리 아이링(Herny Eyring):

수소의 이분자반응의 메커니즘

HC원자는 이원자분자인 HA-HB에 접근해야만 함

· 전이상태: 가장 높은 자유에너지를 갖는 계

· 생화학반응:

S는 기질, E는 효소, P는 생성물, [ES]는 효소-기질 복합체

· 전이상태에서 생성물을 얻는 과정이 전체 반응의

속도결정과정이 됨

그림 3-5. 효소와 활성화 에너지

- 활성화 자유에너지(free energy of activation):

전이상태의 자유에너지에서 반응물의 자유에너지를 뺀 값

· ΔG†= ΔG(전이상태) - ΔG(반응물질)

· 효소촉매는 활성화 자유에너지가 낮은 전이상태를 가진

반응경로를 선택함으로써 반응을 빨리하게 함

· 촉매반응: 정반응과 역반응은 동일한 속도

· ΔGreaction < 0 : 반응물이 생성물로 자발적으로 진행

· ΔGreaction > 0 : 역반응이 자발적으로 일어남

· 효소는 ΔGreaction를 변화시키지 못하며, 촉매가 없을 때에

비하여 평형에 보다 빠르게 도달하게 함.

(ΔG† 만을 감소시키는 기능)

그림 3-6. 활성화 에너지.

- 근접효과(proximity effect): 효소의 활성부위에 기질을 근접시키는 기능

- 배향성효과(orientation effect): 반응하는 물질의 반응이 쉽도록 가장 선호하는 환경의조성 반응물이 반응하기 적합한 공간적 배치

- 이미다졸과 p-나이트로페닐아세트산의 이분자반응:진한 노란색 p-나이트로페놀이온의 발생, 쉽게 변화 추적

- 이미다졸촉매의 반응물에 p-나이트로페닐아세트산이공유결합으로 결합되어 있고 분자내부에서 일어나는반응의 경우: 서로 떨어져 있는 경우에 비교, 24배 이상효과적

- 효소촉매: 단백질의 독특한 삼차구조 때문에 근접효과와배향성효과의 두 가지를 가능하게 함.

근접효과(proximity effect)와배향성효과(orientation effect)

그림 3-7. 배향성효과

효소의 촉매로서의 기능

1. 기질을 촉매활성부위의 아미노산 작용기에근접시키도록 함.

2. 기질이 두 개 이상인 반응의 경우: 기질이 서로 접촉하도록 접근시키게 함.

3. 하전을 갖는 아미노산 작용기:정전기적 촉매 현상인 반응의 전이상태를 안정화하는 데 도움

4. 활성부위 주위의 하전의 분포: 극성기질을 효소의 결합자리로 인도

5. 효소는 기질 및 촉매작용기의 상대적인 운동 및회전 운동을 억제시키는 기능 수행,전이상태에서는 활성부위 아미노산 작용기가상대적으로 운동성 감소

활성화 에너지와 엔트로피

- 기질과 효소단백질의 아미노산 작용기를 반응이

있는 방향으로 근접 배향의 증가

엔트로피의 손실

- 엔트로피의 감소를 극복하기 위해 필요한

자유에너지는 효소에 대한 기질의 결합에너지에

의하여 공급되며, 활성화 에너지를 감소시키는 데

기여

- 적정한 pH

- 적정한 농도의 완충용액

- 최적의 반응온도

- 금속이온 또는 금속이온 착염형성제

- 효소의 안정화 물질(수크로스, 글리세롤)

효소반응의 조건

3.3 효소반응의 특징

- 보통 효소: 38℃( Taq polymerase 80℃)

- 낮은 온도나 높은 온도에서 활성도의 감소:

삼차구조의 변화

- 높은 온도는 수소결합에 주로 영향을 주어 구조의

근본적인 변화를 가져오고, 기질을 포용하는

부착부위와 촉매작용에 직접 작용하는 아미노산의

가지사슬 작용기의 배치상태를 근본적으로 파괴

- 효소마다 적정온도의 측정

1. 온도와 pH의 영향

그림 3-8. 효소의 가상적인 온도-활성 그래프

효소활성에 적정 pH

1. 수소이온농도는 단백질 촉매 아미노산 곁사슬작용기의 하전에 영향

2. 중성 pH에서 대부분 안정(예외: 펩신은 pH 2~4, 알칼린포스파테이스는 pH 9)

3. 적정한 농도를 갖는 완충용액을 사용(높은 농도효소활성에 영향)

4. 효소마다 최적의 pH측정

그림 3-9. 효소의 가상적인 pH-활성 그래프

- 효소의 삼차구조의 모양은 효소가 촉매로서 효율적인

기능을 하기 위하여 기질을 잠시 한정된 위치에

고정시킴.

- 활성부위 아미노산이 적절한 위치에 놓이도록 도와줌.

- 반응속도를 조절하는 물질의 부착부위를 가지게 됨.

- 조효소: 효소내부에 고정되어 있음.

삼차구조의 필요성: 활성부위와 기질특이성

1. 활성부위

그림 3-10. 효소단백질 카이모트립신의 삼차구조

- 효소와 기질 비공유결합적인 힘

- 기질-결합자리는 효소분자내부에 기질의 모양에정확히 들어맞는 굴곡 또는 틈으로 이루어짐.

- 효소의 삼차구조가 기질의 독특한 결합자리를마련함으로써 특정 기질에 특이하게 작용:다른 기질은 접근 못함

- 기질특이성 한 기질만을 촉매

- 카이모트립신: 펩타이드결합 또는 에스터결합가수분해 촉매에 관여

2. 효소기질특이성

그림 3-11. 카이모트립신의 활성부위

- 능력이 월등히 우수한 촉매· 전환수(turn-over number): 단위시간당 어떤 물질을 다른 물질로 만드는 양

· 질소를 암모니아로 고정하는 공정은 400~600℃,100~900 기압의 조건 뿌리혹박테리아

나이트로지네이스복합효소는상온의 중성 pH에서 반응 수행

- 기질특이성이 우수

- 촉매반응속도 조절: 마이오신은 칼슘이온의 농도에따라 촉매속도가 조절됨

- 단백질 입체구조가 필수

- 기능을 하기 위해 유기물 또는 무기금속원소를 필요로 함

효소촉매의 특성

효소와 바이타민

- 완전효소(holoenzyme) = 효소 + 도움인자(cofactor)

- 결손효소(apoenzyme):

도움인자가 제거된 비활성인 단백질

- 보결원자단(prosthetic goup): 효소단백질에

항구적으로 회합 또는 공유결합으로 부착됨

- 바이타민(vitamin): 조효소의 전구물질

- 진화하는 동안 바이타민을 합성하는 불필요한 세포내

기구 상실(바이타민 C는 사람, 원숭이 모르모트의

영양소 아스코브산생합성에 중요한 효소 손실)

- 명칭: 나이아신(niacin)

- 생화학적으로 활성화된 상태: 니코틴아마이드(nicotinamide)

- 조효소 I(coenzyme I):니코틴아마이드아데닌다이뉴클레오타이드(NAD+)

- 조효소 II(conenzyme II):니코틴아마이드아데닌다이뉴클레오타이드인산(NADP+)

- 결핍: 빛을 쪼였을 때 통증을 느끼는 피부병, 소화장애, 장 출혈

1. 니코틴아마이드; 니코틴산

나이아신, 니코틴아마이드

NAD+ 및 NADP+의 구조

NAD+ 및 NADP+의 기능

- 알콜탈수소효소CH3CH2OH + NAD+ = CH3CHO + NADH + H+

- 일차알콜, 이차알콜, 알데하이드, α,β-하이드록시카복실산, α-아미노산의 산화

- 플라빈조효소의 환원에 참여NADH + H+ + FAD = NAD+ + FADH2

- 하이드록실화반응, 방향족 또는 지방족 화합물의비포화반응에 전자 제공

- DNA연결효소 촉매반응에 관여

2. 라이보플라빈

라이보플라빈(riboflavin, 바이타민 B2)

- 녹색식물, 박테리아, 균류에서 합성됨

- 산화-환원반응의 조효소

- D-아미노산의 산화효소

- 하이드라이드 이온을 주위로부터 프로톤과 함께

1,5 위치의 질소원자를 받아들임

- 아미노산, 지방산의 싸이오에스터, 피리미딘,

알데하이드, 석신산의 α-하이드록시산

수소원자쌍을 받아들임

리포산의 구조

3. 리포산

리포산의 기능

- 간이나 효모에 다량 존재- 이황화결합의 환원을 통하여 산화-환원

두 형태로 존재- 피류브산탈수소효소, α-케토글루탈산탈수소효소의

필수적인 조효소- 아실그룹 생성과 이동반응을 촉매, 그 과정에 환원이

일어나고 재산화가 일어남

리포산의 기능: 아실그룹의 이동

NAD+나 FAD와 같이 기능

- 효모, 박테리아의 성장인자

- 에비딘(avidin) 염기성 단백질에 강력히 부착

- 바이타민 + ε-N-바이오티닐- L-라이신

바이오시틴(biocytin)

- 카복실화반응과 연계된 특수효소단백질에 결합

카복실화효소(cocarboxylase)

4. 바이오틴

바이오틴의 구조

바이오시틴 카복실화효소

카복실화 효소의 두 기능:

1. 바이오틴을 갖는 카복실그룹의 운반

2. 단백질의 카복실화

메커니즘:

1. 카복실화효소의 형성

2. 카복실그룹 트렌스 카복실화효소에 의해서

수용체인 α-케톤산에 옮기게 됨

3. 아세틸CoA 카복실화효소와 프로피오닐 CoA

카복실화효소에서는 아실CoA가 특수한

카복실그룹 수용체로 기능

바이오틴의 기능

1. 식이용 곡물, 식물의 씨앗 껍질 부분에 존재 현미나

밀로 만든 식품이 좋은 공급원임

2. 동물, 효모에서 싸이아민 이인산이 카복실화

효소의 조효소(cocarboxylase)로 기능

3. 결핍 시:

건식각기병 근육무력증, 체중감소, 신경염

습식각기병 부종, 심장기능장애

4. α-케토산탈수소효소, 피류브산탈카복실화효소,

케토이동효소, 인산케톨분해효소 등의 조효소

5. 싸이아민

조효소(cofactor)

반응메커니즘: 피류브산의 탈카복실화반응

- 동식물에서 널리 분포

- 피리독살, 피리독사민

조효소의 형태로 자연에 존재, 흡수된 피리독살은피리독살인산으로 변함, 투여된 90%의 피리독신은4-피리독신산 형태로 배설

- 결핍 시:

쥐에서 피부염증, 동물에서 극심한 경련증세,

중추신경계 장애

- 관여반응:

아미노기이동반응, 탈카복실화 반응, 라셈화반응

6. 바이타민 B6 그룹

B6조효소가 관여하는 대표적인 반응들

B6조효소가 관여하는 대표적인 반응들

B6조효소가 관여하는 대표적인 반응들

- 자연에 3~7개 글루탐산을 갖는 엽산유도체 존재

- 병아리에서 영양결핍성 빈혈,

미생물에서 특수성장인자로 기능

- 동물: 장내의 박테리아, 백혈구 형성에 기여

- 환원된 형태의 엽산은 조효소,

이수소엽산(DHF), 사수소엽산(THF)

- 환원제는 모두 NADPH 사용

7. 엽산

- 사수소엽산: 한 개의 탄소원자 단위 운반체

- 포밀산 단위:

피리미딘, 퓨린, 세린, 글리신의 생합성

- N10-포밀 THF는 고리가 봉합되어

N5N10-메테닐THF가 됨

- 양성자를 잃으면 N5N10-메틸렌THF

- 환원되어 N5-메틸THF

엽산의 구조

조효소 DHF, THF의 구조

- 바이타민 B12 CN, -OH, NO2, SO4

- 5-하이드록실-벤즈이미다졸

- 동물과 미생물에서만 발견(식물에 전혀 없음)

- 조효소(사이아나이드 대신 아데노신 라이보스)

- 심한 빈혈증세의 방지나 치료제로 유용함

- 내부인자(intrinsic factor)인 소화기 뮤코세포의

뮤코당은 회장으로부터 흡수된 외부인자인

B12와 복합체를 만듦

8. 바이타민 B12

바이타민 B12의구조

바이타민 B12관여 반응

바이타민 B12관여 반응

바이타민 B12관여 반응

- 동물이나 박테리아 성장에 필수

- 아실운반단백질(ACP)과 조효소 A(CoA-SH)성분으로

자연에 존재

- 싸이오에스터 결합의 독특한 성질

- 카보닐탄소에 부분적인 양하전을 갖는 카보닐 특성

- 친핵성인 아민, 암모니아, 물, 싸이오화합물은

친전자성을 공격 :S-CoA를 교체시킴

- 친전자성인 CO2, 아실-CoA,

CO2 BCCP (Biotin Carbonyl Carrier Protein)은

친핵성 공격

9. 판토텐산

CoA-SH의 기능

CoA-SH의 반응

유기반응메커니즘

1. 산-염기 촉매(acid-base catalysis)2. 공유결합촉매(covalent catalysis)3. 금속이온 촉매(metal ion catalysis)

3.4 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

라이보핵산가수분해효소의 반응메커니즘

- 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 기능이활성화(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 음하전을막아주고 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

펩타이드가수분해효소반응메커니즘.

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

2. 정류상태(steady state)의 가정

2. 마이켈리스-멘텐(Michaelis-Menten) 식

(1) 평형상태 가정

- k-1 >> k2 일때

- [ES] 초기를 제외하고 전 과정에서 일정

- ES 생성속도 = ES분해속도, ES 정류상태 유지

- ES는 일정한 값

(2) 정류상태 가정

그림 3-16. 단일효소촉매반응의 진행 그래프.

- ES 및 E의 양은 직접 젤 수 없으나 총 효소농도는쉽게 얻을 수 있음

- 마이켈리스 상수

- 반응의 초기속도, t = 0일 때의 속도

- 식 3-8은 다음 식으로 정리됨

- [ES]에 대하여 풀면

- 최대속도(maximal velocity):전체효소가 포화된 높은 기질농도, 효소가 모두ES를 형성

- 마이켈리스-멘텐식[S] = KM 기질농도에 ν0 = Vmax/2KM : 반응속도가 최대속도의 절반의 기질농도

그림 3-17. 간단한 효소반응에서 기질농도(S)에 대한초기속도(ν0) 그림.

- 효소의 능력 kcat/KM

- kcat: 효소의 각 활성부위에서 단위시간에

반응물을 생성물로 전환하는 값

전환수(turnover number)

Vmax = k2[E]T kcat = k2

3. 마이켈리스-멘텐 식의 그래프

그림 3-18. 라인위버-버크(Lineweaver-Burk) 그래프.

그림 3-19. (1)울프(Woolf) 그래프

(2)에디-홉스티(Eadie-Hofstee) 그래프.

- 경쟁적방해(competitive inhibition):기질과 구조가 유사하여 활성부위에 특이적으로 부착

방해제의 동력학

1. 효소촉매반응의 경쟁적 방해

- 마이켈리스-멘텐 식

- KI의 측정

그림 3-20. 경쟁적 방해제의 농도의 증가에 따른라인위버-버크 그래프.

- 방해제가 효소-기질복합체에 직접결합

2. 효소촉매반응의 무경쟁적 방해

그림 3-21. 무경쟁적인 방해제와 효소에 대한라인위버-버크 그래프.

- 방해제의 비경쟁적 방해

기질의 결합자리와 촉매활성부위에 모두 결합

3. 효소촉매반응의 비경쟁적 방해

그림 3-22. 비경쟁적 방해제의 라인위버-버크 그래프.

- 효소단백질의 양 전사단계에서 조절

- 홀몬에 의한 전사의 조절

- 세포의 조건에 따른 영향에 관계없이 합성되는

효소 구성성효소(constitutive enzyme)

- 유도물질의 존재하에 많은 양의 효소가

합성되는 유도성효소(induced enzyme)

3.5 효소의 조절

효소의 합성의 조절

다른자리입체성조절(allosteric control)

- 구조적인 활성의 조절: 효소 기질 부착부위와 다른지역 입체적인 효소의 구조변형

- 아스파트산카바모일그릅이동효소(ATCase) 카바모일인산 + 아스파트산

- CTP방해제(불활성형T), ATP(활성형 R)

- 되먹임방해(feedback inhibition)

효소 활성도의 조절: 다른자리입체성 조절

그림 3-23. 다른자리입체성 효소의 조절.

그림 3-24. ATCase 반응에서 기질(아스파트산)에대한 초기속도의 그래프.

ATCase의 구조변형

- 방해제의 유사구조 N-(인산아세틸)-L-

아스파트산(PALA) R 상태의 결합선호

- 대장균의 ATCase의 구조 c6r6(C촉매단위, R조절단위 효소 R(활성형))

T(비활성형)

- 촉매삼량체: 축을 따라 11Å 만큼 분리됨.

각각 12o 만큼 재배열

- 조절이량체: 15o 만큼 시계방향으로 회전,

4Å 만큼 분리

- 효소의 입체구조를 변형시킴

그림 3-25. ATCase의 구조변화에 따른 효소활성의 조절

- 글라이코젠가인산분해효소

인산화에 따라 활성화

- 글라이코젠가인산분해효소a (Ser14) :

AMP 활성화, 효소 b는 AMP 없이 활성화

효소공유변형(covalent modification)에 의한 조절

그림 3-26. 인산화에 의한 가인산분해효소의 활성화

- 설탕 제조: 아밀레이스

- 포도주, 과일주스 투명도 향상: 폴리갈락유로네이스

- 맥주의 투명도: 파파인

- 연육제: 파파인, 키위 단백질분해효소

- 아스파탐의 제조: 더모라이신(thermolysine)

- 제약산업: 항생제 클로람페니콜, 에리뜨로마이신,

스트렙토마이신, 페니실린

- 고지혈증 치료제: HMG-CoA 환원효소

로바스타틴(Lovastatin)

3.6 효소의 활용

산업적인 응용

그림 3-27. 콜레스테롤합성 초기의

효소인 HMG-CoA환원효소(1)의 경쟁적인

방해제로바스타틴(lovastatin)(2)의

구조.

- 환자의 병리적학적인 증상 확인- 병의 진단 및 병세의 진전, 증세를 수행- 조직의 손상 혈청에서 증가하는 아스파트산아미노이동효소의

측정- 치료과정의 진전관찰, 수술 후 회복, 이식수술과정의

거부반응- 심장혈관파괴:

크레아틴인산화효소가 50,000배나 증폭되어 나타남

효소의 의학적 이용

1. 임상에 사용되는 효소

- 간 조직의 파괴 정도: 글루타싸이온-S-이동효소

- 간의 바이러스 감염 시 배출되는 효소:

혈청 아스파트산이동효소

(serum aspartate transferase)

또는 알라닌아미노이동효소

(alanine aminotrasferaseALT)

- 알콜중독, 암전이: γ-글루타밀이동효소를 측정

- 혈전응고: 유로인산화효소

- 페닐알라닌분해:

페닐알라닌하이드록실화효소 투여

- 척추통증의 치료: 단백질분해효소

- 기원전 5세기 히포크라테스

버드나무잎 통증 제거

- 2300년 후, 1829년 버드나무 껍질 살리신 발견

- 1853년 아스피린의 구조확인

- 1900년 상품으로 발매, 현재 매년 15,000톤 합성,

심장질환치료제

- 20세기 초 디기탈리스 심장촉진제

- 기나피나무(cinchona tree) 퀴닌(quinine)

효소방해제와 신약개발

1. 약물의 발견

- 신약: 현재 상품으로 출시되지 않은 약물질.

약품의 기능, 작용방법, 성능, 효력이 기존제품보다

우수, 부작용이 최소화됨

- 신약의 종류:

1. 천연물 신약

2. 합성신약: 수용체나 효소의 방해제

- 선도화합물(lead compound):

특정 질병에 원인이 되는 수용체나 효소 또는

전사조절물질의 기능을 억제하거나 활성화시킬 수

있는, 우수한 약효를 나타내는 약물후보물질

- 고속처리 탐색기술(high-throughput screening),

조합화학(combinatorial chemistry)기술 발전

- 문고를 제작하여 복합물질로 그 약효를 조사하고,

나중에 단일 물질을 확인하는 방법도 가능

2. 조합화학 및 고속처리탐색

- 합성해야 할 화합물의 수를 크게 줄이는 방법

- 수용체의 구조 결합자리에서 결합친화력증가

- 약물후보물질에 필요한 치환기 및 결합자리에서

수소결합형성의 위치 약물의 설계자료 확보

- 분자모델링 컴퓨터 시뮬레이션 실험

- 시간과 경비 감소

3. 효소의 삼차구조-근거 약물설계

- 약물동력학(pharmackinetics):

인체내의 표적단백질이 분포하는 곳

충분히 높은 농도로 운반되어야 함.

약물의 전달, 상호작용확인

- ADME: 약물의 absorption(흡수), distribution(분포),

metabolism(신진대사)

생체이용률: 약물이 작용하는 위치까지 도달하는범위와 투여된 양과의 관계는 약물동력학적인 방법에의해 조사

4. 생체이용률 및 독성시험

경구투여된 약물이 갖추어야 할 조건

1. 위의 강한 산성 환경에서 화학적으로 안정

2. 위장관 세포막을 통해 혈액으로

흡수되어야 함

3. 체내에서 강하게 결합해선 안됨

4. 간의 해독작용에 유도체가 되지 않아야 함

5. 신장을 통해 빨리 배출되어서는 안됨

6. 모세혈관에서 표적조직으로 수송

7. 뇌에 전달의 경우 혈관-뇌 장벽 통과

- 미국: FDA, 한국: 식품의약품안정청- I상(phase I):

20~100명의 정상적이고 건강한 자원자 약물후보물질의 안전성, 투여량, 투여방법, 횟수

- II상(phase II): 100~500명, 단일어림시험(약물과 대조물질 중무엇인지 환자가 모름)

- III상(phase III): 약물효능확인, 장기간의 부작용 감시, II상보다 10배많은 환자, 이중어림시험(환자, 임상조사자가모르는 상태)

5. 약물의 임상시험

제품화 이후

- 임상 전 시험: 5,000개 다섯 개 정도

- 만 명당 수명 꼴의 부작용: 허가 취소

- 예: 신경안정제 탈리도마이드 장애아 출생

- “부작용이 전혀 없는 약물은 없다”

- 유전형 결정방법 개발

개인유전자 기질에 맞게 맞춤약 약물 치료 가능

- 약물유전체학(pharmacogenomics): 개인특성에맞는 맞춤형 신약 개발