6.2 효소의 작용 · 2027 생화학

효소는 반응의 평형에는 영향을 주지 않고 속도에 영향을 준다

평형 = 정·역반응 속도가 같아진 상태, 1:1 반응에서 K = [P]eq/[S]eq
평형은 표준 화학퍼텐셜과 온도로 결정되며 효소를 넣어도 반응물·생성물의 자유에너지는 변하지 않음
효소는 정·역반응 경로를 함께 촉진하므로 같은 조건에서 평형상수를 바꿀 수 없음
“효소가 정반응만 촉진한다”는 설명은 평형에 관해 옳지 않음
세포는 생성물 소비·기질 공급이 계속되는 열린계여서 대사 유량은 효소 양과 활성에 크게 좌우됨
ΔG = ΔG°′ + RT ln Q′, 평형에서 ΔG°′ = −RT ln K′eq, 예: K′eq = 4.0 → ΔG°′ ≈ −3.43 kJ/mol(298 K)

표 6.2-1촉매가 평형을 바꾸지 않는 모의 계산

그림 6.2-21출발 상태와 생성물 상태의 상대적인 자유에너지는 같게 두고 비촉매·촉매 경로의 최고 장벽만 비교한 정성적 모형이다

그림 6.2-22모형 계산: 1차 가역반응에서 k정 = 0.020 s⁻¹, k역 = 0.005 s⁻¹로 두고 효소가 두 속도상수를 100배로 높인 경우를 비교했다. 평형 P 분율은 모두 0.8이다

반응 속도와 평형은 서로 다른 정량 개념이다

ΔG = 생성물과 반응물 상태의 차이, 반응이 진행할 열역학적 경향
ΔG‡ = 출발 상태에서 전이상태까지 넘어야 하는 장벽
ΔG가 음수여도 ΔG‡가 크면 반응은 매우 느릴 수 있음
이상화된 단일 전이상태에서 ΔG‡정 − ΔG‡역 = ΔG반응
예: 반응물 0·생성물 −10·비촉매 전이상태 +60 kJ/mol이면 정 60·역 70, 30 kJ/mol 낮추면 30·40으로 감소, 차이는 계속 −10
k ≈ (kB T/h)·exp(−ΔG‡/RT), 298 K에서 ΔΔG‡ 17.1 kJ/mol이면 약 1.0×10³배(전지수인자 동일 가정)
Arrhenius의 Ea와 전이상태 이론의 ΔG‡는 관련되지만 같은 물리량은 아님

그림 6.2-23도식의 수치는 특정 실험에서 측정한 값이 아니다. 기질 상태와 생성물 상태의 높이 차이(ΔG)와 최고점까지의 높이(ΔG‡)가 서로 다른 개념임을 보여 준다

그림 6.2-24두 칸은 각각 정반응과 역반응 장벽을 비교하기 위한 개념 요약이다. 실제 단일 반응 좌표를 그린 하나의 연속된 실험곡선은 아니다

그림 6.2-25298 K에서 같은 전지수인자를 가정한 이론값이다. 점의 배수는 반올림했으며 실험 측정값이 아니다

촉매능과 특이성은 여러 원리의 결합으로 나타난다

활성자리는 기질 접근을 돕고 방향을 고정하며 전이상태의 전하·구조를 상대적으로 안정화
일시적 공유결합 중간체가 만들어질 수 있어 “결합 하나를 약하게 만든다”는 단일 원리로는 설명 불가
전이상태는 반응좌표 위의 짧은 수명 고에너지 배열로, 분리해 보관할 수 있는 물질이 아님
다단계 반응은 단계마다 전이상태와 중간체를 가지며, 가장 높은 봉우리만으로 전체 속도를 판단하기는 위험
특이성 = 기질 결합과 생성물 분포가 선택적으로 나타나는 성질, 절대적 불반응이 아니라 속도 차이로 해석
유도 적합과 구조 선택은 배타적이지 않으며 실제 효소는 두 양상을 모두 보일 수 있음

그림 6.2-26전이상태는 반응좌표 위의 매우 짧은 수명의 고에너지 배열이다. 전이상태를 별도로 분리해 병에 보관할 수 있다는 뜻이 아니다

그림 6.2-27두 전이상태 TS1·TS2 사이에 중간체 I가 존재할 수 있음을 나타낸 개념 모형이다

그림 6.2-28효소가 촉매 순환 동안 일시적으로 중간체를 형성하지만 최종적으로 재생된다는 것을 표시했다

그림 6.2-29두 모형은 기질 인식과 구조 변화의 개념을 비교한 것으로, 특정 효소의 원자 좌표를 재현하지 않는다

효소–기질의 약한 상호작용은 전이상태에서 특히 중요하다

수소결합·이온성 상호작용·반데르발스 힘·소수성 효과가 기질 인식과 촉매에 관여
유리함은 용매와 맺고 있던 상호작용을 떼어내는 비용까지 포함한 자유에너지로 평가
접촉점이 많다고 항상 촉매가 빠른 것은 아님
바닥상태 ES만 과도하게 안정화하면 ES→전이상태 장벽이 오히려 커질 수 있음
효율적 촉매는 전이상태를 상대적으로 선택적으로 안정화하고 생성물을 적절히 방출해야 함
전이상태 유사체는 전이상태의 구조·전하를 닮게 설계한 안정한 분자로, 강하게 결합하면 경쟁적 억제가 됨

그림 6.2-30활성자리의 여러 화학적 환경을 상징적으로 나타낸 단순화된 도식이다

그림 6.2-31기질 바닥상태와 전이상태의 상대적인 안정화 정도를 구분하기 위한 설명용 비교다

그림 6.2-32전이상태 유사체와 효소의 결합을 개념화한 그림이다. 유사체의 구조는 실제 약물의 화학 구조와 대응하지 않는다

결합 에너지는 반응 특이성과 촉매에 활용된다

결합 자유에너지는 새 상호작용, 물과 맺었던 상호작용의 변화, 유연성 감소를 모두 포함
“수소결합 하나가 생기므로 그만큼 안정해진다”는 계산은 물 교체·배향 비용을 무시해 일반적으로 성립하지 않음
결합 에너지의 세 가지 활용: 정확한 기질 선택과 배향, 전이상태 안정화, 촉매 잔기의 최적 배치 유도
모든 경우에 엔트로피 비용과 생성물 방출이 함께 고려되어야 함
298 K에서 1,000배 가속은 ΔΔG‡ = RT ln1000 ≈ 17.1 kJ/mol에 해당(전지수인자 동일 가정)
수소결합 몇 개의 에너지를 기계적으로 합산해 가속을 설명해서는 안 됨

표 6.2-2결합 에너지의 기여와 한계

그림 6.2-33기여 항목의 수치는 kJ/mol 단위의 임의값으로, 실제 단백질의 측정값이 아니다

특정 촉매 작용기는 화학 반응에 직접 기여한다

일반 산 촉매는 양성자를 제공하고 일반 염기 촉매는 양성자를 받아 반응성을 조절
히스티딘 이미다졸은 미세환경에 따라 산 또는 염기로 작용, Asp·Glu 카복실기와 Lys 아미노기도 관여 가능
공유결합 촉매는 효소 잔기와 기질 사이에 일시적 공유결합을 만들며 Ser·Cys·Lys가 친핵체로 작용
금속 이온은 루이스 산, 전하 안정화, 기질·물 정렬, 배위결합 형성에 관여(탄산무수화효소 Zn²⁺)
근접·배향 효과는 반응할 원자를 가까이 모으고 유효 충돌을 늘림
세린 단백질분해효소의 산소 음이온 구멍과 Asp102–His57–Ser195 삼합체는 여러 원리의 결합 사례
pH–활성 곡선의 모양만으로 원인 잔기를 결정할 수 없고 변이체·구조·동위원소 효과로 검증해야 함

그림 6.2-34효소 히스티딘이 일시적으로 양성자를 받는 모습을 단순화했다. 실제 반응의 전체 전하수지와 구조를 나타낸 것은 아니다

그림 6.2-35효소의 일시적 공유결합 형성과 가수분해에 의한 재생을 표시한 추상적 반응도다

그림 6.2-36Zn²⁺와 물·히스티딘의 배위 환경을 단순화한 도식이다. 실제 탄산무수화효소의 좌표, 결합 각도는 아니다

그림 6.2-37배향이 정렬되지 않은 충돌과 효소 내부의 유효 배향을 비교한 모형이다

그림 6.2-38산소 음이온 구멍의 N–H에서 제공되는 수소결합을 단순화한 개념도다

그림 6.2-39활성자리의 기능을 이해하기 위한 단순한 촉매 삼합체 도식이다. 실제 결합 길이·각도를 표시하지 않는다

그림 6.2-40두 이온화 과정의 조합으로 나타나는 종 모양의 pH–활성 곡선을 보여 주는 모형값이다. 실제 특정 효소의 관측 곡선이 아니다

참조 자료 · References

**표 6.2-1**촉매가 평형을 바꾸지 않는 모의 계산
조건	k정 (s⁻¹)	k역 (s⁻¹)	k정/k역	평형 P 분율
촉매 없음	0.020	0.005	4.0	0.800
촉매가 있는 단순 모형	2.00	0.500	4.0	0.800

**표 6.2-2**결합 에너지의 기여와 한계
결합 에너지의 기여	효과	반드시 확인할 한계
기질 선택	모양·전하·입체배열 구분	강한 바닥상태 결합이 촉매와 동일하지 않음
반응물 배향	효과적인 반응 충돌 증가	배향·고정의 엔트로피 비용
전이상태 안정화	ΔG‡ 감소에 기여	촉매 경로 전체의 에너지 장부 고려
생성물 방출	촉매 순환을 계속하게 함	생성물이 지나치게 강하게 결합하면 느려짐

**그림 6.2-21**출발 상태와 생성물 상태의 상대적인 자유에너지는 같게 두고 비촉매·촉매 경로의 최고 장벽만 비교한 정성적 모형이다

**그림 6.2-22**모형 계산: 1차 가역반응에서 k정 = 0.020 s⁻¹, k역 = 0.005 s⁻¹로 두고 효소가 두 속도상수를 100배로 높인 경우를 비교했다. 평형 P 분율은 모두 0.8이다

**그림 6.2-23**도식의 수치는 특정 실험에서 측정한 값이 아니다. 기질 상태와 생성물 상태의 높이 차이(ΔG)와 최고점까지의 높이(ΔG‡)가 서로 다른 개념임을 보여 준다

**그림 6.2-24**두 칸은 각각 정반응과 역반응 장벽을 비교하기 위한 개념 요약이다. 실제 단일 반응 좌표를 그린 하나의 연속된 실험곡선은 아니다

**그림 6.2-25**298 K에서 같은 전지수인자를 가정한 이론값이다. 점의 배수는 반올림했으며 실험 측정값이 아니다

**그림 6.2-26**전이상태는 반응좌표 위의 매우 짧은 수명의 고에너지 배열이다. 전이상태를 별도로 분리해 병에 보관할 수 있다는 뜻이 아니다

**그림 6.2-27**두 전이상태 TS1·TS2 사이에 중간체 I가 존재할 수 있음을 나타낸 개념 모형이다

**그림 6.2-28**효소가 촉매 순환 동안 일시적으로 중간체를 형성하지만 최종적으로 재생된다는 것을 표시했다

**그림 6.2-29**두 모형은 기질 인식과 구조 변화의 개념을 비교한 것으로, 특정 효소의 원자 좌표를 재현하지 않는다

**그림 6.2-30**활성자리의 여러 화학적 환경을 상징적으로 나타낸 단순화된 도식이다

**그림 6.2-31**기질 바닥상태와 전이상태의 상대적인 안정화 정도를 구분하기 위한 설명용 비교다

**그림 6.2-32**전이상태 유사체와 효소의 결합을 개념화한 그림이다. 유사체의 구조는 실제 약물의 화학 구조와 대응하지 않는다

**그림 6.2-33**기여 항목의 수치는 kJ/mol 단위의 임의값으로, 실제 단백질의 측정값이 아니다

**그림 6.2-34**효소 히스티딘이 일시적으로 양성자를 받는 모습을 단순화했다. 실제 반응의 전체 전하수지와 구조를 나타낸 것은 아니다

**그림 6.2-35**효소의 일시적 공유결합 형성과 가수분해에 의한 재생을 표시한 추상적 반응도다

**그림 6.2-36**Zn²⁺와 물·히스티딘의 배위 환경을 단순화한 도식이다. 실제 탄산무수화효소의 좌표, 결합 각도는 아니다

**그림 6.2-37**배향이 정렬되지 않은 충돌과 효소 내부의 유효 배향을 비교한 모형이다

**그림 6.2-38**산소 음이온 구멍의 N–H에서 제공되는 수소결합을 단순화한 개념도다

**그림 6.2-39**활성자리의 기능을 이해하기 위한 단순한 촉매 삼합체 도식이다. 실제 결합 길이·각도를 표시하지 않는다

**그림 6.2-40**두 이온화 과정의 조합으로 나타나는 종 모양의 pH–활성 곡선을 보여 주는 모형값이다. 실제 특정 효소의 관측 곡선이 아니다