BIOCHEM2027 전문교과 · 6.3
2027학년도 · 고등학교 전문교과 · 생화학

6.3 효소 반응속도론

초기속도, 미하엘리스–멘텐식, Km·kcat·kcat/Km, 이중역수 도표, 다중기질 기전, pH 효과, 전항정상상태, 가역·비가역 저해.

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기질 농도는 효소 촉매 반응의 속도에 영향을 준다

  • 초기속도 v₀ = 반응 초기 짧은 구간의 생성물 생성 속도, 기질 고갈·생성물 저해·역반응·실활이 작은 구간
  • S → P의 1:1 반응에서는 v₀ = −d[S]/dt로도 표기
  • 측정 조건: 온도·pH·이온강도·효소량·보조인자·측정 시간대를 일정하게 유지
  • 효소 없는 공시험과 반복 측정을 함께 하고, 생성물이 직선으로 늘어나는 구간의 기울기를 사용
  • A = εlc가 성립하면 dc/dt = (1/εl)(dA/dt)로 농도 변화 속도를 계산
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기질 농도와 효소 반응속도 사이에는 정량적 관계가 있다

  • 최소 기전 E + S ⇄ ES → E + P, k₁ 결합·k₋₁ 해리·k₂ 생성물 형성 속도상수
  • 전제: 생성물 역반응 무시, [E]T ≪ [S], ES 준정상상태
  • d[ES]/dt = k₁[E][S] − (k₋₁+k₂)[ES] ≈ 0 → [ES] = [E]T[S]/(Km+[S]), Km = (k₋₁+k₂)/k₁
  • v₀ = Vmax[S]/(Km+[S]), Vmax = kcat[E]T, [S] = Km이면 v₀ = Vmax/2
  • Km은 일반적으로 진정한 Kd가 아니며, k₂ ≪ k₋₁인 경우에만 Km ≈ Kd로 근사
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속도론의 매개변수는 효소 활성을 비교하는 데 사용된다

  • Vmax는 효소 농도에 의존하므로 절대 활성 비교에는 부적절, kcat = Vmax/[E]T로 정규화
  • kcat은 활성자리당 초당 전환 횟수(s⁻¹), kcat/Km은 낮은 [S]에서의 촉매 효율 지표(M⁻¹s⁻¹)
  • [S] ≪ Km이면 v₀ ≈ (kcat/Km)[E]T[S]의 2차 동역학 형태
  • 정제 효소 비교 시 활성자리 농도, 불활성화 정도, 온도·pH·보조인자 조건을 함께 검토
  • 서로 다른 효소의 kcat 비교는 기질·조건·속도제한 단계가 다르면 의미가 달라짐
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[별도 설명 6-1] 미하엘리스–멘텐식의 변환: 이중역수 도표

  • 1/v₀ = (Km/Vmax)(1/[S]) + 1/Vmax, 기울기 Km/Vmax·y절편 1/Vmax·x절편 −1/Km
  • Lineweaver–Burk 도표는 저해 유형의 이론적 차이를 시각화하는 교육 도구로 유용
  • 낮은 [S]의 작은 속도 오차가 역수 변환에서 크게 확대되는 한계
  • 현대 분석은 원래 [S]–v₀ 자료에 비선형 회귀를 적용하고 가중치·잔차·불확실성을 함께 확인
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대부분의 효소 반응에는 둘 이상의 기질이 참여한다

  • 전이효소의 인산기 전달, 산화환원효소의 전자 전달은 두 기질을 함께 고려해야 함
  • 순차 기전 = 두 기질이 결합해 EAB 삼원복합체 형성, 결합 순서가 정해진 ordered와 여러 순서가 가능한 random으로 구분
  • 핑퐁 기전 = 첫 생성물 방출 후 효소가 변형형 F로 존재하고, 두 번째 기질이 결합해 원래 E로 복귀
  • 핑퐁의 단순 모형은 삼원복합체를 필요로 하지 않음
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효소 활성은 pH에 의하여 영향을 받는다

  • 활성자리 산·염기 작용기의 양성자화 상태, 기질의 이온화 상태, 효소의 구조적 안정성이 pH 의존성을 만든다
  • 흔히 종 모양 활성–pH 곡선이 나타나지만 모든 효소가 그런 것은 아님
  • 최적 pH는 측정 조건과 기질에 따라 달라질 수 있음
  • pH별로 총기질 농도가 같아도 반응 가능한 이온화 비율은 달라질 수 있어 완충제·이온강도·전처리를 통제
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전항정상상태 속도론은 특정 반응 단계의 증거를 제공한다

  • 전항정상상태 = 혼합 직후 ES가 준정상상태에 도달하기 전의 빠른 과정
  • stopped-flow와 rapid-quench로 수동 측정이 어려운 시간대를 관찰
  • 버스트 = 초기 빠른 생성물 형성 뒤 느린 선형 구간으로 바뀌는 양상
  • 버스트는 첫 단계가 빠르고 생성물 방출 등 후속 단계가 느리다는 단서이지만, 크기를 활성자리 농도로 해석하려면 경로 확인이 필요
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효소는 가역적 또는 비가역적으로 억제된다

  • 가역적 저해제는 비공유 결합으로 작용하고 제거하면 활성이 회복될 수 있음
  • v₀ = Vmax[S]/(αKm + α′[S]), α = 1+[I]/Ki, α′ = 1+[I]/Ki′, Vmax,app = Vmax/α′, Km,app = αKm/α′
  • 경쟁적은 겉보기 Km 증가·Vmax 불변, 불경쟁적은 둘 다 감소, 순수 비경쟁적은 Km 불변·Vmax 감소, 혼합형은 Km 가변·Vmax 감소
  • 비가역·시간의존 저해는 공유결합 변형으로 활성 효소량이 줄어드는 경우
  • 시간이 갈수록 저해가 심해진다는 관찰만으로 비가역을 확정할 수 없어 희석·투석 후 회복, 질량분석 등 추가 증거가 필요
2027학년도 고등학교 전문교과 · 생화학 · 박상일(아산고등학교) · 본 인쇄물의 참조 자료는 본문 뒤 부록으로 이어집니다.
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