6.3 효소 반응속도론 · 2027 생화학

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

그림 6.3-41기질 농도가 커질수록 초기 생성물 증가 속도가 커지는 시간 경과 모형. 전체 곡선의 평균 기울기와 초기 기울기를 구별한다.

그림 6.3-43반응이 진행될수록 생성물 증가 곡선의 기울기가 변할 수 있으므로 전체 구간을 초기속도로 취급해서는 안 된다.

그림 6.3-42405 nm 흡광도의 시간 변화에서 초기 기울기를 구하는 예. 수치는 수업용 모의 데이터이며 특정 효소의 실측값이 아니다.

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

그림 6.3-44단일기질 효소의 최소 반응 모형. 준정상상태에서 ES 생성 속도와 소모 속도가 거의 같아진다.

그림 6.3-45미하엘리스–멘텐 포화곡선. 수업용 이론 매개변수 Vmax = 120 μM/min, Km = 2.00 mM을 적용했다.

그림 6.3-46효소 총농도를 바꾸면 Vmax는 비례해 변하지만 단순 모형의 Km은 유지된다. 조건이 같다는 가정이 필요하다.

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

표 6.3-1속도론 매개변수의 의미

그림 6.3-47미하엘리스–멘텐 속도론의 대표 매개변수와 그 실험적 의미.

[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

그림 6.3-48이상적인 이중역수 도표의 기울기와 두 절편. x절편은 음수 영역으로 외삽해 해석한다.

그림 6.3-49동일 데이터를 역수로 변환하면 낮은 기질 농도의 작은 속도 오차가 크게 확대된다. 데이터는 모의값이다.

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

그림 6.3-50순차 기전과 핑퐁 기전의 반응 경로 비교. 기질 순서와 효소 중간형태를 구분한다.

그림 6.3-51한 기질의 역수 농도에 따른 여러 B 농도별 모형 직선. 이상적 순차 기전은 교차선, 단순 핑퐁은 평행선 경향을 보인다.

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

그림 6.3-52이온화 가능한 두 작용기를 가정한 상대 활성–pH 모형. 구조 변성과 기질의 pH 의존성은 단순화했다.

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

그림 6.3-53전항정상상태 버스트 모형. 초기 빠른 생성물 형성 뒤 정상상태의 느린 반응으로 전환되는 예다.

그림 6.3-54Stopped-flow 장치의 개략적 흐름. 두 용액을 빠르게 혼합한 뒤 광학 신호의 시간 변화를 검출한다.

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

표 6.3-2가역적 저해의 네 가지 모형

그림 6.3-55가역적 저해의 네 가지 이상화된 모형에서 저해제가 결합할 수 있는 효소 상태.

그림 6.3-56경쟁적·불경쟁적·순수 비경쟁적·혼합형 저해의 이상적인 포화곡선. 모든 수치는 모의 모델이다.

그림 6.3-57같은 네 저해 유형을 이중역수 도표로 나타낸 개념 비교. 직선 패턴은 단서일 뿐 확증이 아니다.

그림 6.3-58희석 후 회복되는 가역적 저해와 시간이 지나며 활성이 줄어드는 저해의 개념 비교. 실제 실험값은 아니다.

그림 6.3-59저해 기전 연구의 권장 절차: 다농도 초기속도 → 비선형 모형 적합 → 잔차 검토 → 독립적 기전 실험.

그림 6.3-61오르니틴 대사와 에플로르니틴(DFMO)의 표적 작용 개념도. 임상 투여법을 설명하는 그림은 아니다.

그림 6.3-60동일한 Vmax로 수렴하는 경쟁적 저해의 모형 그래프. 기질을 높였을 때 저해 효과가 줄어드는 경향을 보여 준다.

그림 6.3-62기질 농도별 3회 모의 반복 측정치와 비선형 회귀 곡선. 가상의 실험 자료다.

참조 자료 · References

**그림 6.3-41**기질 농도가 커질수록 초기 생성물 증가 속도가 커지는 시간 경과 모형. 전체 곡선의 평균 기울기와 초기 기울기를 구별한다.

**그림 6.3-43**반응이 진행될수록 생성물 증가 곡선의 기울기가 변할 수 있으므로 전체 구간을 초기속도로 취급해서는 안 된다.

**그림 6.3-44**단일기질 효소의 최소 반응 모형. 준정상상태에서 ES 생성 속도와 소모 속도가 거의 같아진다.

**그림 6.3-45**미하엘리스–멘텐 포화곡선. 수업용 이론 매개변수 Vmax = 120 μM/min, Km = 2.00 mM을 적용했다.

**그림 6.3-46**효소 총농도를 바꾸면 Vmax는 비례해 변하지만 단순 모형의 Km은 유지된다. 조건이 같다는 가정이 필요하다.

**표 6.3-1**속도론 매개변수의 의미
매개변수	뜻	단위	주의
Vmax	포화 기질에서 접근하는 초기속도의 극한	농도/시간	효소 농도에 의존한다.
Km	v₀ = Vmax/2인 기질 농도	M 또는 mM	기질 결합 친화도와 항상 같지는 않다.
kcat	포화 시 효소 활성자리당 전환 빈도	s⁻¹	활성자리 농도를 알아야 한다.
kcat/Km	낮은 [S] 영역의 촉매 효율 지표	M⁻¹·s⁻¹	반응 조건·기질을 함께 기록한다.

**그림 6.3-48**이상적인 이중역수 도표의 기울기와 두 절편. x절편은 음수 영역으로 외삽해 해석한다.

**그림 6.3-49**동일 데이터를 역수로 변환하면 낮은 기질 농도의 작은 속도 오차가 크게 확대된다. 데이터는 모의값이다.

**그림 6.3-50**순차 기전과 핑퐁 기전의 반응 경로 비교. 기질 순서와 효소 중간형태를 구분한다.

**그림 6.3-51**한 기질의 역수 농도에 따른 여러 B 농도별 모형 직선. 이상적 순차 기전은 교차선, 단순 핑퐁은 평행선 경향을 보인다.

**그림 6.3-52**이온화 가능한 두 작용기를 가정한 상대 활성–pH 모형. 구조 변성과 기질의 pH 의존성은 단순화했다.

**그림 6.3-53**전항정상상태 버스트 모형. 초기 빠른 생성물 형성 뒤 정상상태의 느린 반응으로 전환되는 예다.

**표 6.3-2**가역적 저해의 네 가지 모형
저해 모형	α, α′	겉보기 Km	겉보기 Vmax
경쟁적	α > 1, α′ = 1	증가	불변
불경쟁적	α = 1, α′ > 1	감소	감소
순수 비경쟁적	α = α′ > 1	불변	감소
혼합형	α ≠ α′, 둘 다 > 1	증가·감소 가능	감소

**그림 6.3-55**가역적 저해의 네 가지 이상화된 모형에서 저해제가 결합할 수 있는 효소 상태.

**그림 6.3-56**경쟁적·불경쟁적·순수 비경쟁적·혼합형 저해의 이상적인 포화곡선. 모든 수치는 모의 모델이다.

**그림 6.3-57**같은 네 저해 유형을 이중역수 도표로 나타낸 개념 비교. 직선 패턴은 단서일 뿐 확증이 아니다.

**그림 6.3-58**희석 후 회복되는 가역적 저해와 시간이 지나며 활성이 줄어드는 저해의 개념 비교. 실제 실험값은 아니다.

**그림 6.3-59**저해 기전 연구의 권장 절차: 다농도 초기속도 → 비선형 모형 적합 → 잔차 검토 → 독립적 기전 실험.

**그림 6.3-61**오르니틴 대사와 에플로르니틴(DFMO)의 표적 작용 개념도. 임상 투여법을 설명하는 그림은 아니다.

**그림 6.3-42**405 nm 흡광도의 시간 변화에서 초기 기울기를 구하는 예. 수치는 수업용 모의 데이터이며 특정 효소의 실측값이 아니다.

**그림 6.3-47**미하엘리스–멘텐 속도론의 대표 매개변수와 그 실험적 의미.

**그림 6.3-54**Stopped-flow 장치의 개략적 흐름. 두 용액을 빠르게 혼합한 뒤 광학 신호의 시간 변화를 검출한다.

**그림 6.3-60**동일한 Vmax로 수렴하는 경쟁적 저해의 모형 그래프. 기질을 높였을 때 저해 효과가 줄어드는 경향을 보여 준다.

**그림 6.3-62**기질 농도별 3회 모의 반복 측정치와 비선형 회귀 곡선. 가상의 실험 자료다.