2027학년도 · 고등학교 전문교과 · 생화학

6.4 효소 반응의 예

카이모트립신의 아실화·탈아실화, HIV 프로테아제와 기전 기반 약물, 헥소키나아제의 유도 적합, 엔올레이스의 금속 촉매, 라이소자임, PBP와 β-락탐.

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01

카이모트립신의 아실화와 탈아실화

세린 단백질분해효소, Phe·Tyr·Trp의 카복실기 쪽 펩타이드 결합 선호, 소수성 S1 주머니가 선택성에 기여
촉매 삼합체 Ser195–His57–Asp102: His57 일반 산·염기, Asp102 전하·배향 조절, Ser195 친핵성 공격
사면체 중간체의 음전하는 주사슬 NH의 산소 음이온 구멍이 안정화
아실화: 첫 사면체 중간체 → 펩타이드 절단·아민 말단 이탈 → 아실효소 형성
탈아실화: 물이 친핵체로 아실효소 공격 → 두 번째 사면체 → 카복실산 방출·효소 재생
에스터 기질에서 버스트 후 느린 정상상태가 관찰되면 탈아실화가 제한 단계일 수 있으나 단정 불가

그림 6.4-63서로 다른 여섯 효소의 촉매 반응과 공통 원리

그림 6.4-64효소 기전의 비교에 사용할 네 가지 핵심 질문

그림 6.4-65카이모트립신의 S1 결합 주머니와 기질 선택성

그림 6.4-66Asp102–His57–Ser195 삼합체와 옥시아이온 구멍의 역할

그림 6.4-67기질 결합부터 두 생성물 방출까지의 촉매 순환

그림 6.4-68전이상태와 아실효소 중간체를 구분한 모형 에너지 곡선

그림 6.4-69버스트 형상을 나타낸 교육용 모의 반응 진행곡선

02

HIV 단백질분해효소와 기전 기반 치료제

아스파트산 단백질분해효소로 Gag·Gag–Pol 폴리단백질을 절단해 바이러스 성숙을 돕는다
대칭 이합체, 각 소단위의 Asp25·Asp25′가 촉매 구조 형성, 물을 친핵체로 사용해 세린 아실효소 기전과 다름
저해제는 절단 과정의 고에너지 상태를 닮은 비절단성 구조로 활성자리에 강하게 결합
폴리단백질 절단이 막혀 새 입자의 감염성이 감소하며 병용요법이 중요하고 HIV를 완전히 제거하지는 못함
IC₅₀(특정 조건의 50% 억제 농도)와 Kᵢ(모형 기반 평형 상수)는 자동으로 같지 않음
예: IC₅₀ 2.0 μM, [I] 6.0 μM이면 v/v₀ = 1/(1+3) = 0.25로 잔존 활성 25%

그림 6.4-70이합체의 Asp25·Asp25′가 공동으로 형성하는 활성자리

그림 6.4-71기질 절단과 저해제 점유가 바이러스 성숙에 미치는 차이

그림 6.4-72IC₅₀가 다른 두 가상 저해제의 잔존 활성 곡선

03

헥소키나아제의 기질 결합과 유도 적합

포도당 6번 탄소 인산화, 실제 인산기 공여체는 주로 MgATP 복합체
포도당 결합 시 두 도메인 사이 틈이 좁아지고 기질이 정렬되며 물 접근이 제한되어 ATP의 비생산적 가수분해를 억제
효모 헥소키나아제에서 포도당 결합과 관련된 약 12° 도메인 회전이 보고됨
유도 적합은 유연한 구조 변화의 역할을 강조하지만 선택성은 친화도·활성자리 성질·에너지 지형도 함께 관여
구조가 변한다는 관찰만으로 특정 단계의 촉매 효과 크기를 계산할 수는 없음

그림 6.4-73포도당 결합 전후의 도메인 상대 운동을 나타낸 모식도

그림 6.4-74포도당의 6번 OH로 전달되는 인산기와 MgATP의 역할

04

엔올레이스의 금속 이온 촉매

2-포스포글리세르산에서 물을 제거해 포스포엔올피루브산을 만드는 가역적 탈수효소(EC 4.2.1.11)
다음 단계의 피루브산 키나아제가 PEP의 인산기로 ATP를 만들지만, 이 단계의 본질은 ATP 생성이 아니라 탈수
Mg²⁺가 기질 산소와 배위하고 음전하 중간체를 안정화하며 활성자리 잔기가 양성자 이동을 돕는다
Mg²⁺가 너무 낮으면 활성이 제한되고, 지나치게 높으면 추가 결합·생성물 방출 방해로 활성이 감소할 수 있음
실제 자료에서는 금속 종류, 자유 Mg²⁺ 농도, pH, 기질 농도를 함께 기록해야 함

그림 6.4-752-PG로부터 PEP와 물이 생성되는 가역적 반응

그림 6.4-76Mg²⁺의 기질 배위 및 전하 안정화 역할을 나타낸 모형

그림 6.4-77낮은 농도의 활성화와 높은 농도에서의 저해를 나타낸 가상 모형

05

라이소자임의 글리코시드 결합 절단

눈물·침·달걀흰자에 존재, 펩티도글리칸의 NAM–NAG β(1→4) 글리코시드 결합 가수분해
닭 난백 라이소자임의 Glu35는 산·염기 역할, Asp52는 음전하 안정화 또는 공유결합 중간체 형성에 관여
대표 기전 모형은 두 번의 연속 친핵성 치환으로, 첫 단계에서 당–효소 중간체가 생기고 물이 이를 끊는다
이 경로는 아닐 탄소의 순입체배치 보존을 설명하지만, 실제 전이상태가 항상 이상적 SN2라는 확정은 아님
공유결합 중간체 보고와 수소결합 네트워크 근거의 반론이 공존하므로 교과서 화살표와 실험 증거를 구별해야 함

그림 6.4-78NAG·NAM의 반복 구조와 라이소자임이 절단하는 결합

그림 6.4-79Glu35와 Asp52의 역할을 나타낸 교육용 2단계 반응 모형

그림 6.4-80공유결합 중간체 연구와 다른 구조학적 해석의 비교

06

효소 기전 이해와 항생제 개발

페니실린 결합 단백질은 펩티도글리칸 교차결합 효소군, 세린 전이효소가 D-Ala–D-Ala 말단을 처리
β-락탐은 PBP 활성자리 Ser와 반응해 오래 유지되는 아실효소를 만들어 정상 반응 주기를 방해
내성 기전: β-락타마아제 분해, 표적 PBP 변형, 막 투과성 변화, 약물 배출
강한 결합만으로 좋은 약이 되지는 않으며 세포 내 도달성·선택성·독성·대사 안정성·내성 가능성을 함께 평가

표 6.4-2세 효소의 친핵체와 아실효소 단계

그림 6.4-81PBP의 펩티도글리칸 교차결합 형성 모식도

그림 6.4-82β-락탐에 의한 PBP의 촉매 Ser 아실화와 불활성화

07

여섯 효소의 촉매 기전 종합

공통점: 활성자리가 기질을 정렬하고 전이상태를 선택적으로 안정화하며 순환 후 재생된다
친핵체의 정체가 다르다 — 세린 하이드록실(카이모트립신·PBP), 촉매 물(HIV 프로테아제), 금속 보조 물(엔올레이스)
아실효소 단계의 유무가 기전 구분의 핵심이며, 있다고 해서 모두 같은 기전은 아님
공유결합 중간체와 전이상태는 다르며, 버스트·구조·저해제 복합체 등 독립 증거를 함께 해석해야 함

표 6.4-3여섯 효소 기전의 핵심 증거와 혼동점

참조 자료 · References

**표 6.4-2**세 효소의 친핵체와 아실효소 단계
비교 항목	카이모트립신	HIV-1 프로테아제	PBP 전이효소
주요 친핵체	Ser195	촉매 물	활성자리 Ser
반응 대상	펩타이드 결합	바이러스 폴리단백질	세포벽 펩타이드
공유결합성 아실효소	일반적 핵심 단계	일반적 기전 아님	정상 반응에서 형성
관련 저해	전이상태 유사체 등	프로테아제 저해제	β-락탐 항생제

**표 6.4-3**여섯 효소 기전의 핵심 증거와 혼동점
효소	핵심 화학 변화	핵심 증거	혼동하기 쉬운 점
카이모트립신	Ser 아실화 → 물에 의한 탈아실화	중간체·버스트·활성자리 구조	전이상태 ≠ 중간체
HIV-1 프로테아제	Asp 보조 물 공격·가수분해	이합체 구조·저해제 복합체	세린 아실효소가 아님
헥소키나아제	ATP의 인산기 전달	기질 결합 전후 구조 변화	ATP 단순 가수분해가 아님
엔올레이스	2-PG 탈수 → PEP	Mg²⁺ 배위 구조·속도론	반응 자체는 ATP 합성이 아님
라이소자임	글리코시드 결합 가수분해	Asp52·Glu35·중간체 연구	기전의 세부 모형은 연구 중
PBP	세포벽 교차결합 형성	Ser 아실효소·β-락탐 복합체	항생제는 정상 기질이 아님

서로 다른 여섯 효소의 촉매 반응과 공통 원리 — 그림 6.4-63서로 다른 여섯 효소의 촉매 반응과 공통 원리

효소 기전의 비교에 사용할 네 가지 핵심 질문 — 그림 6.4-64효소 기전의 비교에 사용할 네 가지 핵심 질문

카이모트립신의 S1 결합 주머니와 기질 선택성 — 그림 6.4-65카이모트립신의 S1 결합 주머니와 기질 선택성

Asp102–His57–Ser195 삼합체와 옥시아이온 구멍의 역할 — 그림 6.4-66Asp102–His57–Ser195 삼합체와 옥시아이온 구멍의 역할

기질 결합부터 두 생성물 방출까지의 촉매 순환 — 그림 6.4-67기질 결합부터 두 생성물 방출까지의 촉매 순환

전이상태와 아실효소 중간체를 구분한 모형 에너지 곡선 — 그림 6.4-68전이상태와 아실효소 중간체를 구분한 모형 에너지 곡선

버스트 형상을 나타낸 교육용 모의 반응 진행곡선 — 그림 6.4-69버스트 형상을 나타낸 교육용 모의 반응 진행곡선

이합체의 Asp25·Asp25′가 공동으로 형성하는 활성자리 — 그림 6.4-70이합체의 Asp25·Asp25′가 공동으로 형성하는 활성자리

기질 절단과 저해제 점유가 바이러스 성숙에 미치는 차이 — 그림 6.4-71기질 절단과 저해제 점유가 바이러스 성숙에 미치는 차이

IC₅₀가 다른 두 가상 저해제의 잔존 활성 곡선 — 그림 6.4-72IC₅₀가 다른 두 가상 저해제의 잔존 활성 곡선

포도당 결합 전후의 도메인 상대 운동을 나타낸 모식도 — 그림 6.4-73포도당 결합 전후의 도메인 상대 운동을 나타낸 모식도

포도당의 6번 OH로 전달되는 인산기와 MgATP의 역할 — 그림 6.4-74포도당의 6번 OH로 전달되는 인산기와 MgATP의 역할

2-PG로부터 PEP와 물이 생성되는 가역적 반응 — 그림 6.4-752-PG로부터 PEP와 물이 생성되는 가역적 반응

Mg²⁺의 기질 배위 및 전하 안정화 역할을 나타낸 모형 — 그림 6.4-76Mg²⁺의 기질 배위 및 전하 안정화 역할을 나타낸 모형

낮은 농도의 활성화와 높은 농도에서의 저해를 나타낸 가상 모형 — 그림 6.4-77낮은 농도의 활성화와 높은 농도에서의 저해를 나타낸 가상 모형

NAG·NAM의 반복 구조와 라이소자임이 절단하는 결합 — 그림 6.4-78NAG·NAM의 반복 구조와 라이소자임이 절단하는 결합

Glu35와 Asp52의 역할을 나타낸 교육용 2단계 반응 모형 — 그림 6.4-79Glu35와 Asp52의 역할을 나타낸 교육용 2단계 반응 모형

공유결합 중간체 연구와 다른 구조학적 해석의 비교 — 그림 6.4-80공유결합 중간체 연구와 다른 구조학적 해석의 비교

PBP의 펩티도글리칸 교차결합 형성 모식도 — 그림 6.4-81PBP의 펩티도글리칸 교차결합 형성 모식도

β-락탐에 의한 PBP의 촉매 Ser 아실화와 불활성화 — 그림 6.4-82β-락탐에 의한 PBP의 촉매 Ser 아실화와 불활성화

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