3 - 5 효소반응의 영향인자

제 3장 효소 및 효소반응

 

5. 효소반응의 영향인자

 

 

1) pH와 이온강도

 

단백질인 효소들은 아미노산으로 구성되어 있다. 아미노산은 아미노기와 카르복실기를 갖고 있어 수용액 속에서는 이온 상태로 존재한다.

 

이온은 효소의 촉매기능을 위해 적합한 형태(산성 또는 염기성)으로 존재해야 한다.

 

즉, 반응액의 pH가 변하면 활성부위의 이온형태가 변화하고, 효소의 활성도가 바뀌면서 결국 반응속도도 변한다.

 

또한 기질의 전하에도 영향을 미쳐 효소의 기질 친화력(Km)에도 변화를 준다.

 

최적 pH는 효소마다 다르다.

 

 

 

2) 온도

 

효소반응에서 온도가 상승하면 반응속도도 증가한다. 반응속도식에서 온도의 영향을 받는 인자는 반응속도 상수(K)이다.

 

그러나 생물촉매인 효소는 특정 온도 이상이 되면 단백질의 비가역적 불활성화로 생리적 활성을 잃게 된다.

 

효소 반응에서는 효소활성이 제일 큰 최적 온도가 있으며, 활성을 잃게 되는 한계 온도가 있다.

 

보통 효소의 한계온도는 70-80'C이고, 최적온도는 20-50'C 사이이다. 이 온도 범위에서는 온도 증가에 따라 반응 속도가 증가한다.

 

 

이는 Arrhenius 식으로 설명할 수 있다.

 

효소에 의한 촉매반응의 속도는 일정 한계까지 온도에 따라 증가한다.

 

이 온도 영역은 활성화 에너지가 증가하는 영역이며, 온도활성화 영역이라고도 한다.

위의 효소반응에서 전체 효소반응속도를 두번째 단계(ES -> E + P)에서 결정한다면

 

반응속도는 속도상수 k2와의 관계식으로 아래처럼 표현 가능하다.

 

여기서 E는 활성화에너지 Ea을 의미한다.

 

 

k2의 온도 의존성은 다음과 같은 Arrhenius 식으로 표현된다.

 

 

온도와 반응속도의 관계식

 

 

이 식에서 lineaer plotting 하기 위해 고쳐쓰면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 

k: 반응속도 상수

A: Arrhenius상수

Ea:활성화 에너지(activation energy, kcal/mol)

R: 기체상수(universal gas constant, 1.987 cal/mol K)

T: 절대온도(K)

 

 

 

 

 

SAMMRY

 

위 효소반응에서 전체 효소반응속도를 두번째 단계에서 결정한다면 반응속도는 속도상수인 k2와의 관계식으로 표현할 수 있다.

 

이러한 반응속도의 온도의존성은 활성화 에너지(Ea)의 크기에 따라 결정된다.

 

활성화에너지(Ea)값이 큰 반응은 기울기가 크므로 온도변화에 민감하고, 활성화에너지가 낮은 반응은 온도변화에 대해 덜 민감하다.

 

이러한 특성을 활용한다면 온도에 따라 원하는 반응을 선택적으로 진행시킬 수 있도록 반응조건을 선택할 수 있다

.

아래 두 그래프는 효소활성도의 온도 의존성을 나타냈다.

 

속도상수 k2는 특정온도 내에서 온도가 증가할수록 지수적인 증가를 볼 수 있다.

 

 

              

 

 

 

 

 

 

3) 저해제

 

효소 반응액 중에 존재하는 물질들은 효소의 기질 특이성, 활성 부위의 성질, 효소 분자의 주요 기능 부위에 영향을 미쳐 효소의 활성도를 감소시킨다.

 

비가역적 저해반응은 납, 수은 등의 중금속 이온이 효소 저해반응을 일으키는 저해제 역할을 한다.

 

중금속 이온은 효소의 아미노산 잔기들과 강력하게 공유결합하여 제거가 힘들다.

 

이때 EDTA, 구연산 같은 chelating agent들의 도움으로 가역화시킬 수 있다.

 

가역적 저해반응은 경쟁적, 비경쟁적, 반경쟁적 세가지 형태로 나뉜다.

 

 

(1) 경쟁적 저해(competitive inhibition)

 

저해제는 기질과 구조적 유사성을 갖고 있다. 기질 대신에 효소 활성부위에 결합해 효소-저해제 복합체를 형성한다.

 

즉, 효소의 활성부위 자리를 놓고 기질과 저해제가 서로 경쟁하기때문에 경쟁적 저해라고 한다.

 

저해제가 효소에 결합한 만큼, 정상적인 효소가 줄어든다.

 

이는 효소의 기질친화력을 떨어뜨려 Km을 증가시키지만, 최대반응속도 Vm에는 영향을 주지 않는다.

 

다만, 똑같은 반응속도를 내기위해서는 더 많은 기질이 필요하다. (Km을 증가)

 

 

 

(2) 비경쟁적 저해(noncompetitive inhibition)

 

효소 활성부위에 직접 결합하지는 않고, 효소의 다른 부위에 결합한다.

 

효소의 분자구조가 변화되어, 기질의 효소에 대한 친화성을 감소시킨다.

 

기질의 농도를 아무리 증가시켜도 해결되지 않고 최대반응속도 Vm을 떨어뜨린다.

 

납, 수은 등 중금속 이온이 비경쟁적 저해제로 작용한다.

 

 

 

 

(3) 반경쟁적 저해(uncompetitive inhibition)

 

저해제가 효소 친화력이 없어 효소에 결합하지 않는다.

 

대신 효소-기질 복합체(ES 복합체)에만 결합해, 효소-기질-저해제 복합체를 형성하고

 

최대반응속도 Vmax와 Km을 감소시킨다.

 

 

 

 

(4) 그외

 

공급된 기질의 양이 많으면 이 또한 효소반응에 영향을 준다.

 

과잉 기질에 의해 효소의 반응 속도가 줄어드는 것을 기질저해(substrate inhibition)이라 한다.

 

기질 농도가 증가함에 따라 반응 속도가 증가하다가 일정 상수(최대치)에 도달하면 반응속도는 줄어들기 시작한다.