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Lysozyme displayed as an opaque globular surface with a pronounced cleft which the substrate depicted as a stick diagram snuggly fits into.
효소 구조와 리조임의 구성 예.결합부위는 파란색, 촉매부위는 빨간색, 펩티도글리칸 기질은 검은색(PDB: 9LYZ)

생물학 및 생화학에서 활성 부위는 기질 분자가 결합하고 화학 반응을 하는 효소의 영역이다.활성 부위는 기질과 일시적인 결합을 형성하는 아미노산 잔류물(결합 부위)과 해당 기질의 반응을 촉매하는 잔류물(촉매 부위)로 구성된다.활성 부위는 효소 [1]: 19 부피의 10~20%에 불과하지만 화학 반응을 직접 촉매하기 때문에 가장 중요한 부분이다.그것은 보통 3~4개의 아미노산으로 구성되며, 단백질 내의 다른 아미노산은 [2]효소의 3차 구조를 유지하기 위해 필요하다.

각 활성부위는 특정 기질을 결합하고 특정 반응을 촉매하도록 최적화되어 높은 특이성을 갖도록 진화한다.이 특이성은 활성 부위 내의 아미노산 배열과 기질 구조에 의해 결정된다.때때로 효소는 또한 그들의 기능을 수행하기 위해 몇몇 보조 인자와 결합할 필요가 있다.활성 부위는 일반적으로 효소의 홈 또는 포켓으로,[3] 효소 내부의 깊은 터널이나 다량체 효소의 인터페이스 사이에 위치할 수 있습니다.활성 부위는 반응 말미에 잔류물이 변화하지 않기 때문에 반복적으로 반응을 촉매할 수 있다(반응 중에 변화할 수 있지만, 말미에 [4]의해 재생된다).이 과정은 반응의 활성화 에너지를 낮춤으로써 이루어지기 때문에 더 많은 기질이 반응을 일으키기에 충분한 에너지를 가지고 있다.

바인딩 사이트

잠금 및 키 가설의 다이어그램
유도 적합 가설의 다이어그램
주요 기사: 바인딩 사이트

보통 효소 분자는 두 개의 활성 부위만 가지며 활성 부위는 하나의 특정 유형의 기질에 들어맞는다.활성부위는 기질을 결합하고 촉매작용을 위해 기질을 오리엔테이션하는 결합부위를 포함한다.기질의 방향과 기질과 활성 부위 사이의 근접성은 매우 중요하기 때문에 어떤 경우에는 다른 모든 부분이 변이되어 [5]기능을 상실하더라도 효소가 여전히 적절하게 기능할 수 있습니다.

처음에 활성부위와 기판 사이의 상호작용은 비공유적이며 과도적이다.기질을 정의된 방향으로 유지하고 효소-기질 복합체(ES 복합체)를 형성하는 네 가지 중요한 상호작용 유형이 있습니다: 수소 결합, 반데르발스 상호작용, 소수성 상호작용 및 정전력 상호작용.[6]: 148 기판과 활성 부위의 전하 분포는 상호 보완적이어야 합니다. 즉, 모든 양전하와 음전하를 상쇄해야 합니다.그렇지 않으면, 반발력이 그들을 갈라놓을 것이다.활성 부위에는 보통 무극성 아미노산이 포함되지만, 때로는 극성 아미노산이 [2]발생할 수도 있습니다.스테레오, 레지오 및 에난티오선택성을 달성하기 위해 결합부위에 기판을 결합하려면 적어도3개 이상의 접점이 필요합니다.예를 들어 에탄올에서 NAD로의+ 수소화 이온 전달을 촉매하는 알코올 탈수소효소는 반응 중에 [6]: 149 추출되는 기질 메틸기, 하이드록실기 및 프로(R) 수소와 상호작용한다.

효소는 그 기능을 발휘하기 위해 올바른 단백질 접힘(원래 접힘)과 3차 구조를 가정할 필요가 있다.이렇게 정의된 3차원 구조를 유지하기 위해 단백질은 아미노산 잔류물 사이의 다양한 형태의 상호작용에 의존한다.이러한 상호작용이 예를 들어 높은 온도 또는 높은 이온 농도와 같은 극단적인 pH 값과 간섭되면 효소가 변성되어 촉매 활성을 잃게 됩니다.

활성 부위와 기질 분자 사이의 밀착은 반응 효율을 높이는 것으로 여겨진다.DNA 중합효소의 활성 부위와 그 기질 사이의 밀착도가 높아지면 정확한 DNA 복제 속도를 의미하는 충실도도 높아진다.[7]대부분의 효소는 활성 부위가 깊이 묻혀 있으며, 액세스 [3]채널을 통해 기질에 의해 접근할 수 있습니다.

효소가 특정 기질에 어떻게 적합한지에 대한 세 가지 제안된 모델이 있습니다: 잠금 및 키 모델, 유도 적합 모델, 그리고 구조 선택 모델.후자의 두 가지는 상호 배타적이지 않다: 구조 선택은 효소의 모양에 변화를 가져올 수 있다.또한 단백질은 어느 모델도 완전히 따르지 않을 수 있다.유비퀴틴의 결합 부위의 아미노산은 일반적으로 유도 적합 모델을 따르며, 나머지 단백질은 일반적으로 입체구조 선택을 고수한다.온도와 같은 요인들은 결합 중에 취해진 경로에 영향을 미칠 가능성이 높으며, 온도가 높을수록 구조 선택의 중요성과 유도 [8]적합성의 중요성이 감소할 것으로 예측된다.

잠금 및 키 가설

이 개념은 19세기 화학자 에밀 피셔에 의해 제안되었다.그는 활성 부위와 기판은 열쇠가 자물쇠에 끼워지는 것처럼 추가 수정 없이 완벽하게 들어맞는 두 개의 안정적인 구조라고 제안했다.기판 하나가 활성 부위에 완벽하게 결합하면 기판 간의 상호작용이 가장 강해져 촉매 효율이 높아집니다.

시간이 지날수록 이 모델의 한계점이 보이기 시작했다.예를 들어 경합효소 억제제 메틸글루코시드는 4-α-글루카노전달효소 활성부위에 밀착할 수 있으며, 그 활성부위에 딱 들어맞는다.그러나 4-α-글루카노전달효소는 메틸글루코시드에서 활성화되지 않아 글리코실 전달이 일어나지 않는다.Lock and Key 가설은 메틸글루코시드 글리코실 전달의 높은 효율성을 예측하기 때문에 이를 설명할 수 없다.경쟁 억제 외에, 이 이론은 비경쟁 억제제가 활성 부위에 결합하지 않지만 촉매 활성에 [9]영향을 미치기 때문에 비경쟁 억제제의 작용 메커니즘도 설명할 수 없다.

유도적합 가설

다니엘 코쉬랜드의 효소-기질 결합 이론은 활성 부위와 기질의 결합 부분이 정확히 [10]상호보완적이지 않다는 것이다.유도적합모델은 록앤키모델의 개발로 활성부위가 유연하고 기판이 완전히 결합될 때까지 모양이 변경된다고 가정한다.이 모델은 장갑을 낀 사람과 비슷하다: 장갑은 손에 맞게 모양이 바뀐다.효소는 처음에 기질을 끌어당기는 구조를 가지고 있다.효소 표면은 유연하며 올바른 촉매만이 촉매 작용을 유도할 수 있습니다.그 후 기판이 결합됨에 따라 구조변화가 발생할 수 있다.반응 생성물이 효소에서 멀어지고 활성 부위가 초기 모양으로 돌아갑니다.이 가설은 전체 단백질 도메인이 촉매 작용 중에 수 나노미터 움직일 수 있다는 관찰에 의해 뒷받침된다.단백질 표면의 이러한 움직임은 [5]촉매를 선호하는 미세 환경을 만들 수 있습니다.

구조선택가설

이 모델은 효소가 다양한 형태로 존재하며, 그 중 일부만 기질에 결합할 수 있음을 시사합니다.기질이 단백질에 결합될 때, 입체구조 앙상블의 평형은 리간드를 결합할 수 있는 쪽으로 이동한다(자유구조 [11]사이의 평형에서 결합된 기질을 가진 효소가 제거됨).

비공유 교호작용 유형

양전하 나트륨 이온과 음전하 플루오르화 이온은 서로 끌어당겨 정전 상호 작용 하에 플루오르화 나트륨을 형성한다.
두 물 분자 사이의 수소 결합.
반데르발스는 두 아세톤 분자 사이에 힘을 가한다.하부 아세톤 분자는 상부 아세톤에서 부분적으로 양의 탄소 원자를 끌어당기는 부분적으로 음의 산소 원자를 포함합니다.
소수성과 친수성은 같은 종류의 분자와 결합하는 경향이 있다.

정전 상호 작용:수성 환경에서는 활성부위 내의 아미노산 측쇄와 기질 내의 반대방향 하전기가 서로 끌어당기는 것을 정전상호작용이라고 한다.예를 들어 카르본산(R-COOH)이 RCOO− 및 H+ 이온으로 분해되면 COO는− 아르기닌의 양성화 구아니딘 측쇄와 같은 양의 하전기를 끌어들인다.

수소 결합:수소 결합은 산소, 불소 및 질소와 같은 한 쌍의 전자를 포함하는 부분적으로 양의 수소 원자와 부분적으로 음의 전자 공여체 사이의 특정한 형태의 다이폴-다이폴 상호작용이다.수소 결합의 강도는 각 그룹의 화학적 성질과 기하학적 배열에 따라 달라집니다.

Van der Waals 힘: Van der Waals 힘은 각 그룹의 일시적인 불균일한 전자 분포로 인해 반대 방향으로 대전된 그룹 간에 형성됩니다.모든 전자가 그룹의 한 극에 집중되면 이 끝은 음이 되고 다른 끝은 양이 됩니다.개별적인 힘은 약하지만 활성 부위와 기질 간의 총 상호작용 수는 막대하기 때문에 그 합계는 상당할 것이다.

소수성 상호작용: 비극성 소수성 그룹은 수성 환경에서 함께 모여 극성 용매에서 벗어나려고 시도하는 경향이 있습니다.이러한 소수성 그룹은 보통 긴 탄소 사슬을 가지고 있고 물 분자와 반응하지 않습니다.물에 녹으면 단백질 분자가 공 모양으로 말려들어 친수성 그룹이 바깥에 있는 반면 소수성 그룹은 중앙 안에 깊이 묻힙니다.

촉매 부위

주요 기사:효소 촉매 작용
참고 항목: 촉매 삼합체
효소 TEV 단백질 분해효소는 촉매 부위에 잔류물(빨간색)의 촉매 삼합체를 포함합니다.기판(검은색)은 결합 부위에 의해 결합되어 3중합체 옆에 배치됩니다.PDB: 1lvm

기질이 활성 부위에 결합되고 방향을 잡으면 촉매 작용을 시작할 수 있습니다.촉매 부위의 잔류물은 일반적으로 결합 부위와 매우 가깝고, 일부 잔류물은 결합 및 촉매 모두에서 이중 롤을 가질 수 있습니다.

부위의 촉매 잔류물은 기판과 상호작용하여 반응의 활성화 에너지를 낮추고 반응 속도를 빠르게 한다.이들은 반응물질의 근사, 친핵/친핵 촉매 및 산/염기 촉매 등 다양한 메커니즘에 의해 이를 수행한다.이러한 메카니즘에 대해서는, 이하에 설명합니다.

촉매 프로세스와 관련된 메커니즘

반응물의 근사치

효소 촉매 반응 중에 기질과 활성 부위가 근접하게 결합된다.이 접근법에는 다양한 목적이 있습니다.첫째, 활성부위 내에 기질이 결합하면 유효농도는 용액보다 크게 증가한다.이는 반응에 관여하는 기질 분자의 수도 증가한다는 것을 의미한다.이 과정은 또한 반응이 일어나는 데 필요한 용해 에너지를 감소시킵니다.용액 중 기판 분자는 용제 분자에 둘러싸여 있으며 효소 분자가 이를 대체하고 기판과 접촉하기 위해서는 에너지가 필요하다.벌크 분자는 활성 부위에서 제외될 수 있으므로 이 에너지 출력을 최소화할 수 있습니다.다음으로 활성부위는 반응 발생을 위한 활성화 에너지를 감소시키기 위해 기판의 방향을 변경하도록 설계된다.바인딩 후 기판의 정렬은 고에너지 상태로 잠겨 다음 단계로 진행할 수 있습니다.또한 이 결합은 용제가 활성부위에 진입할 수 없기 때문에 용액반응과 관련된 에너지비용이 크게 제거되기 때문에 엔트로피에 의해 바람직하다.결국 활성부위는 활성화 [6]: 155–8 에너지를 줄이기 위해 기판의 분자궤도를 적절한 방향으로 조작할 수 있다.

기판과 활성 부위의 정전 상태는 서로 보완되어야 합니다.양극화된 음전하 아미노산 측쇄는 대전되지 않은 기질을 밀어낸다.그러나 전이 상태가 이온 중심 형성과 관련된 경우 사이드 체인은 이제 바람직한 상호작용을 생성합니다.

공유 촉매 작용

세린단백질가수분해효소, 시스테인단백질인산화효소 및 포스파타아제를 포함한 많은 효소는 활성화 에너지를 낮추고 반응이 일어나도록 하기 위해 그들과 그 기질 사이에 일시적인 공유 결합을 형성하도록 진화했다.이 과정은 크게 형성과 분해의 두 단계로 나눌 수 있습니다.전자의 단계는 속도 제한 단계이며, 후자의 단계는 온전한 [6]: 158 효소를 재생하기 위해 필요합니다.

친핵성 촉매 작용:이 과정은 효소의 친핵체에서 기질로 전자를 기증하여 전이 상태 동안 그들 사이에 공유 결합을 형성합니다.이 교호작용의 강도는 두 가지 측면에 따라 달라집니다.: 친핵성 그룹이 전자를 기증하고 전자 친위체가 이를 받아들이는 능력.전자는 주로 그 종의 염기성(전자쌍을 기증하는 능력)에 의해 영향을 받는 반면, 후자는 그것의a pK에 관한 것이다.두 그룹 모두 분극성, 전기음성, 이온화 잠재력과 같은 화학적 성질에 영향을 받는다.세린, 시스테인, 아스파르트산 및 글루타민을 포함한 친핵성을 형성할 수 있는 아미노산.

친전자 촉매 작용:이 과정의 메커니즘은 활성 부위의 아미노산이 친핵성인 반면 기질은 친핵성인 것을 제외하면 친핵성 촉매 작용과 정확히 동일하다.아미노산 측쇄가 전자를 끌어당기는 데 충분히 강하지 않기 때문에 이 반응은 보통 보조 인자를 필요로 한다.

금속 이온

금속 이온은 반응 중에 여러 가지 역할을 합니다.첫째, 음전하를 띤 기질 그룹에 결합할 수 있으므로 활성 부위의 친핵성 그룹에서 전자 쌍을 밀어내지 않습니다.그것은 음전하를 띤 전자를 끌어당겨 전자성을 높일 수 있다.활성 부위와 기판 사이를 연결할 수도 있습니다.마지막으로 기판의 배향구조를 반응적으로 변경해도 된다.[6]: 158

산/염기 촉매 작용

일부 반응에서 양성자와 수산화자는 특정 산과 특정 염기 촉매의 관점에서 산과 염기로 직접 작용할 수 있다.그러나 기질 및 활성 사이트의 그룹은 Brönsted-로 더 자주 작용한다.로리산과 염기.이것을 일반산, 일반염기설이라고 합니다.이들을 구별하는 가장 쉬운 방법은 일반산과 염기의 농도에 따라 반응속도가 결정되는지 확인하는 것이다.대답이 "예"인 경우 반응은 일반 유형입니다.대부분의 효소는 6~7의 최적 pH를 가지기 때문에, 곁사슬의 아미노산은 보통 4~10의a pK를 가진다.후보에는 아스파르트산, 글루탐산, 히스티딘, 시스테인이 포함된다.이러한 산과 염기는 양전하와 [6]: 164–70 음전하를 제공함으로써 촉매 작용 중에 형성된 친핵성 또는 친전자성을 안정화시킬 수 있습니다.

구조 왜곡

효소 반응에 대한 정량적 연구는 종종 화학 반응 속도의 가속이 근사, 산/염기 촉매 및 친전자성/핵자 촉매와 같은 기존 이론으로는 충분히 설명될 수 없다는 것을 발견했다.그리고 분명한 모순이 있습니다. 가역적 효소 반응에서 활성 부위가 기질에 완벽하게 맞으면 역반응이 느려집니다. 생성물이 활성 부위에 완벽하게 들어맞을 수 없기 때문입니다.그래서 구조 왜곡이 도입되었고 활성 부위와 기판 모두 항상 서로 [6]: 170–5 맞도록 구조 변화를 겪을 수 있다고 주장했습니다.

이행 상태에 대한 사전 구성된 활성 사이트 보완성

이 이론은 Lock and Key 이론과 약간 유사하지만, 이 때 활성 사이트는 접지 상태가 아닌 전이 상태에서 기판에 완벽하게 결합하도록 미리 프로그래밍되어 있습니다.용액 내 전이 상태의 형성은 용제 분자를 재배치하는 데 많은 에너지가 필요하며 반응이 느려집니다.따라서 활성 부위는 용제 분자를 대체하고 기질을 둘러싸 용액에 의해 야기되는 역효과를 최소화할 수 있습니다.활성 부위와 함께 대전된 그룹이 있으면 기판을 끌어당겨 정전 보완성을 [6]: 176–8 보장할 수 있습니다.

효소 촉매 작용 메커니즘의 예

실제로 대부분의 효소 메커니즘은 몇 가지 다른 유형의 촉매작용의 조합을 포함한다.

글루타치온환원효소

글루타티온 환원효소의 메커니즘

글루타치온(GSH)의 역할은 세포를 손상시킬 수 있는 축적된 활성산소를 제거하는 것이다.이 과정에서 티올 측쇄가 산화되어 2개의 글루타티온 분자가 이황화 결합에 의해 결합되어 이합체(GSSG)를 형성한다.글루타치온을 재생하기 위해서는 디술피드 결합이 분해되어야 하며, 인체 세포에서는 글루타치온 환원효소(GR)에 의해 분해된다.

글루타치온 환원효소는 두 개의 동일한 서브유닛을 포함하는 이합체이다.보조 인자로는 NADP와 FAD가 각각 1개씩 필요합니다.활성 부위는 두 서브유닛 간의 링크에 위치합니다.NADPH는 FADH- 생성에 관여한다.활성부위에는 FAD 보조인자 외에 2개의 시스테인 잔기가 존재하며 촉매반응 중에 디술피드 결합을 파괴하기 위해 사용된다.NADPH는 Arg-218, His-219 및 Arg-224의 세 가지 양전하 잔류물에 의해 결합됩니다.

촉매공정은 NADPH에 의해 FAD가 환원되어 하나의 전자가 받아들여지고 FADH에 의해− 받아들여질 때 시작되며, 그 후 2개의 시스테인 잔류물 사이에 형성된 이황화 결합을 공격하여 하나의 SH 결합과 하나의 S기를− 형성한다.이− S 그룹은 산화 글루타티온(GSSG)의 이황화 결합을 공격하기 위한 친핵체 역할을 하며, 이를 분해하고 시스테인-SG 복합체를 형성한다.첫 번째− SG 음이온은 방출된 후 인접한 SH기와 첫 번째 글루타티온 단량체로부터 하나의 양성자를 받는다.다음으로, 인접한− S기를 공격하여 시스테인-SG 복합체 내의 황화 결합을 해제하고, 제2의− SG 음이온을 방출한다.그것은 용액에서 하나의 양성자를 받고 두 번째 글루타치온 단량체를 형성한다.

[1]: 137–9

키모트립신

키모트립신에 의한 펩타이드 결합 절단 메커니즘.

키모트립신은 췌액에 존재하는 세린 엔도펩티다아제이며 단백질과 [1]: 84–6 펩타이드의 가수분해를 돕는다.티로신, 페닐알라닌, 트립토판의 L-이성체에서 펩타이드 결합의 가수분해를 촉매한다.이 효소의 활성 부위에서 세 개의 아미노산 잔류물이 함께 작용하여 촉매 부위를 구성하는 촉매 삼합체를 형성한다.키모트립신에서 이들 잔류물은 Ser-195, His-57 및 Asp-102이다.

키모트립신의 메커니즘은 두 단계로 나눌 수 있다.우선 Ser-195는 기판 중의 펩타이드 결합 탄소를 친핵적으로 공격하여 사면체 중간체를 형성한다.Ser-195의 친핵성은 His-57에 의해 강화되며, His-57은 Ser-195에서 양성자를 추출하고, 다음으로 Asp-102에서 음전하 카르본산기(RCOO−)에 의해 안정화된다.또한 이 공정에서 발생하는 사면체 옥시아니온 중간체를 Ser-195 및 Gly-193의 수소결합으로 안정화한다.

두 번째 단계에서, R'NH 그룹은 His-57에 의해 양성자화되어 R2'NH를 형성하고, 아실화 Ser-195를 남기고 중간체를 떠난다.그리고 나서 그의-57은 물 분자로부터 하나의 양성자를 추출하는 염기 역할을 한다.생성된 수산화 음이온은 아실-효소 복합체를 친핵적으로 공격하여 두 번째 사면체 옥시 음이온 중간체를 형성하고, 이는 다시 H 결합에 의해 안정화된다.결국 Ser-195는 사면체 중간체를 떠나 효소와 펩타이드 기질을 연결하는 CO 결합을 파괴한다.양성자가 His-57을 통해 Ser-195로 전달되어 3개의 아미노산이 모두 초기 상태로 돌아간다.

언바인딩

기판 언바인딩은 다양한 요인에 의해 영향을 받는다.더 큰 배위자는 일반적으로 활성 부위에 [12]더 오래 머무르고, 더 많은 회전 가능한 결합을 가진 배위자는 [13]더 오래 머무른다(이것은 크기의 부작용일 수 있음).활성 부위에서 용제가 제외되면 단백질이 덜 유연할수록 체류 시간이 길어진다.용매로부터 차폐된 수소 결합이 많을수록 결합 [12]해제도 감소합니다.

보조 요인

플라빈의 레독스 상태.
주요 기사:보조인자(생물화학)

효소는 보조 인자를 '도움 분자'로 사용할 수 있다.코엔자임은 효소와 결합하는 비단백질 분자들로 언급됩니다.이들은 대부분 수소 결합이나 소수성 상호작용과 같은 비공유 결합에 의해 활성 부위와 연결된다.하지만 때때로 그들 사이에 공유 결합이 형성될 수도 있다.예를 들어 시토크롬C의 헴은 티오에스테르 결합을 통해 단백질에 결합된다.어떤 경우, 코엔자임은 반응이 끝난 후에 효소를 남길 수 있다.그렇지 않으면 [6]: 69 효소와 영구적으로 결합합니다.코엔자임은 금속 이온, 다양한 비타민 및 ATP를 포함하는 광범위한 개념입니다.만약 효소가 스스로 작용하기 위해 조효소를 필요로 한다면, 그것은 아포엔자임이라고 불린다.사실 그것만으로는 반응을 제대로 촉진할 수 없다.보조 인자가 들어와 활성 부위에 결합하여 홀로엔자임(holoenzyme)을 형성해야 제대로 작동합니다.

조효소의 한 예는 플라빈이다.그것은 독특한 켤레 이소알록사진 고리 시스템을 포함한다.플라빈은 다중 산화환원 상태를 가지며, 하나 또는 두 개의 전자의 전달을 수반하는 과정에 사용될 수 있다.이것은 NAD에서 NADH로 산화되는 것과 같이 전자 수용체로 작용하여 두 개의 전자를 수용하고 1.5-디히드로플라빈을 형성할 수 있다.한편, 1개의 전자를 받아들여 세미퀴논(자유라디칼)을 형성하고, 여분의 전자를 더해 완전히 환원된 형태로 변환할 수 있다.이 성질을 통해 하나의 전자 산화 과정에서 사용할 수 있습니다.

억제제

주요 기사:효소억제제

억제제는 효소와 기질 사이의 상호작용을 방해하여 반응 속도를 늦춘다.억제제에는 가역적 형태와 불가역적 형태를 모두 포함한 다양한 유형이 있습니다.

경쟁 억제제는 활성 효소 분자만을 대상으로 하는 억제제이다.이들은 유리 효소 수용체를 얻기 위해 기질과 경쟁하며 기질 농도를 높임으로써 극복할 수 있다.두 가지 메커니즘이 있습니다.경쟁억제제는 보통 기질 및 ES복합체와 구조적으로 유사하다.그 결과, 액티브한 사이트에 들어가, 적절한 상호 작용을 트리거 해 빈 공간을 채우고 기판의 진입을 차단할 수 있습니다.또한 활성 부위의 일시적인 구성 변화를 유도하여 기판이 기판에 완전히 맞지 않도록 할 수도 있습니다.짧은 시간이 지나면, 경쟁적 억제제가 떨어져 효소를 그대로 둘 것입니다.

억제제는 유리 효소와 ES 복합체와 결합할 때 비경쟁 억제제로 분류된다.활성부위에서는 기판과 경쟁하지 않기 때문에 단순히 기판농도를 높이는 것만으로 극복할 수 없다.이들은 보통 효소의 다른 부위에 결합하고 활성 부위의 3차원 구조를 변화시켜 효소의 기질 유입 및 이탈을 막는다.

불가역적 억제제는 둘 다 활성 부위에 결합하기 때문에 경쟁 억제제와 유사하다.그러나 비가역성 억제제는 활성 부위의 아미노산 잔류물과 비가역성 공유 결합을 형성하고 절대 떠나지 않는다.따라서 활성 부위가 점유되어 기판이 들어갈 수 없습니다.때때로 억제제가 이탈하지만 촉매 부위의 모양이 영구적으로 변경됩니다.이러한 억제제는 보통 할로겐 대체물이나 에폭시드와 같은 친전자성 그룹을 포함한다.시간이 지날수록 더 많은 효소들이 돌이킬 수 없는 억제제에 의해 결합되어 더 이상 기능을 할 수 없게 된다.

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경쟁력 있는 가역 억제제 HIV단백질가수분해효소억제제 네. 네.
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경쟁적이고 돌이킬 수 없는 효소 억제제의 예

경쟁 억제제:HIV단백질가수분해효소억제제

Indinavir, HIV단백질가수분해효소억제제.jpg

HIV단백질가수분해효소억제제는 에이즈 바이러스의 DNA 복제를 방지하여 환자를 치료하는 데 사용된다.HIV단백질가수분해효소는 바이러스가 Gag-Pol 폴리단백질을 비리온 조립, 포장, 성숙을 담당하는 3개의 작은 단백질로 분해하는 데 사용됩니다.이 효소는 표적 [14]단백질 내의 특정 페닐알라닌-프롤린 클리브 부위를 표적으로 한다.HIV 단백질 분해 효소가 꺼지면 바이러스 입자가 기능을 상실하고 환자를 감염시킬 수 없습니다.바이러스 복제에 필수적이고 건강한 사람에게는 없기 때문에 약물 개발의 이상적인 대상이다.

HIV단백질가수분해효소는 아스파르트단백질가수분해효소군에 속하며 비슷한 메커니즘을 가지고 있다.우선 아스파르트산 잔기는 물 분자를 활성화시켜 친핵체로 만든다.그런 다음 펩타이드 결합(NH-CO) 내의 카르보닐기를 공격하여 사면체 중간체를 형성한다.중간체 내의 질소 원자는 양성자를 받아 아미드기를 형성하고 이후 재배열은 양성자와 중간체 사이의 결합을 분해하여 두 가지 [15]생성물을 형성한다.

억제제는 일반적으로 사면체 중간체를 모방하는 비 가수분해성 히드록시에틸렌 또는 히드록시에틸아민기를 포함한다.이들은 기판의 전이 상태와 유사한 구조와 정전기 배치를 공유하기 때문에 활성 부위에 여전히 적합하지만 분해할 수 없으므로 가수분해가 발생할 수 없다.

비경쟁적 억제제:스트리치닌

스트리치닌은 근육수축을 조절하는 신경에 영향을 미쳐 호흡곤란을 일으키는 신경독소다.그 자극은 아세틸콜린이라는 신경전달물질을 통해 시냅스 사이에 전달된다.그것은 신경 세포 사이의 시냅스로 방출되고 시냅스 후 세포의 수용체와 결합합니다.그런 다음 활동 전위가 생성되어 시냅스 후 셀을 통해 전달되어 새로운 사이클이 시작됩니다.

글리신은 신경전달물질 수용체의 활성을 억제할 수 있으므로, 활동전위를 유발하기 위해 더 많은 양의 아세틸콜린에스테라아제가 필요하다.이것은 신경 자극의 발생을 엄격하게 통제하도록 합니다.그러나 스트리치닌이 추가되면 이 컨트롤이 분해됩니다.그것은 글리신 수용체(염화물 채널)를 억제하고 훨씬 낮은 수준의 신경 전달 물질 농도는 활동 전위를 트리거할 수 있습니다.현재 신경은 지속적으로 신호를 전달하고 과도한 근육수축을 일으켜 질식사와 [16]사망에 이르게 된다.

불가역 억제제:디이소프로필플루오로인산

DIPF에 의한 세린단백질가수분해효소의 비가역적 억제.

디이소프로필플루오로인산염(DIFP)은 세린단백질가수분해효소의 작용을 차단하는 비가역적 억제제이다.효소에 결합하면 친핵성 치환 반응이 일어나 하나의 불화수소 분자를 방출한다.활성 부위의 OH기는 DIFP의 인을 공격하고 사면체 중간체를 형성하여 양성자를 방출하는 친핵체 역할을 한다.그리고 나서 P-F 결합이 깨지고, 하나의 전자가 F 원자로 전달되고, 그것은 중간을 F 음이온으로− 남긴다.그것은 용액 속의 양성자와 결합하여 하나의 HF 분자를 형성한다.활성부위와 DIFP 사이에 공유결합이 형성되어 세린측 체인을 [17]기판에 사용할 수 없게 된다.

약물 발견 시

활성 부위의 식별은 약물 발견 과정에서 매우 중요하다.효소의 3-D 구조를 분석하여 활성 부위 잔류물을 확인하고 이에 적합한 약물을 설계한다.단백질 분해 효소는 AIDS와 고혈압에 대한 약을 포함하는 단백질 분해효소 [18]억제제와 같은 일부 약물의 표적이다.이러한 단백질 분해효소 억제제는 효소의 활성 부위에 결합하고 천연 [19]기질과의 상호작용을 차단합니다.약물 설계에서 중요한 요소는 활성 부위와 효소 [20]억제제 사이의 결합 강도이다.박테리아에서 발견되는 효소가 인간의 효소와 유의하게 다를 경우, 그 특정 박테리아에 대한 억제제를 인간의 효소에 해를 끼치지 않고 설계할 수 있다.만약 한 종류의 효소가 한 종류의 생물에만 존재한다면, 그 억제제는 그것들을 없애기 위해 특별히 사용될 수 있다.

활성 부위는 효소 억제제와 같은 신약 설계에 도움이 되도록 매핑할 수 있습니다.여기에는 활성 사이트의 크기와 바인딩 [18]상호 작용 세부 정보 등 하위 사이트의 수와 속성에 대한 설명이 포함됩니다.그러나 최신 데이터베이스 기술인 CPASS(단백질 활성 사이트 구조 비교)는 소프트웨어를 [21]사용하여 활성 사이트를 더 자세히 비교하고 구조적 유사성을 찾을 수 있습니다.

효소억제제 적용

예 작용 메커니즘
항균제 페니실린 박테리아 세포벽은 펩티도글리칸으로 구성되어 있다.박테리아가 성장하는 동안 펩티도글리칸 섬유의 현재의 가교 관계가 끊어지고, 그래서 새로운 세포벽 단량체가 세포벽에 통합될 수 있다.페니실린은 가교 형성에 필수적인 트랜스펩티드가수분해효소를 억제하여 작용하므로 세포벽이 약해져 팽압에 의해 파열된다.
항풍기제 아졸레 에르고스테롤은 균류의 세포 표면막을 형성하는 스테롤이다.아졸은 라노스테롤 14α-데메틸라아제를 억제함으로써 생합성을 억제할 수 있으므로 새로운 에르고스테롤이 생성되지 않고 유해한 14α-라노스테롤이 세포 내에 축적된다.또한 아졸은 활성산소를 발생시킬 수 있다.
항바이러스제 사퀴나비르 HIV단백질가수분해효소는 Gag-Pol 폴리단백질을 3개의 개별 단백질로 분해하여 적절하게 기능하고 바이러스 포장 과정을 시작하기 위해 필요합니다.사퀴나비르와 같은 HIV단백질가수분해효소억제제는 그것을 억제하기 때문에 새로운 성숙한 바이러스 입자가 만들어지지 않는다.
살충제 피소스티그민 동물의 신경계에서는 아세틸콜린에스테라아제가 신경전달물질인 아세틸콜린을 아세테이트와 콜린으로 분해하는데 필요하다.피소스티그민은 활성 부위에 결합해 억제하기 때문에 자극 신호가 신경을 통해 전달되지 않는다.이것은 곤충들이 근육과 심장 기능을 통제하지 못하게 되면서 죽음을 초래한다.
제초제 시클로헥산디온 시클로헥산디온은 아세틸-CoA의 ATP 의존성 카르복실화 지방 합성에 관여하는 아세틸-CoA 카르복실화효소를 대상으로 한다.지질은 세포막을 구성하는 데 중요하다.

알로스테릭 사이트

주요 기사:알로스테릭 조절
A – 활성 부위 B – 알로스테릭 부위 C – 기질 D – 억제제 E – 효소.이것은 효소의 알로스테릭 조절에 대한 그림이다.억제제가 알로스테릭 부위에 결합하면 활성 부위의 모양이 바뀌어 기질이 들어가지 않음

알로스테릭 부위는 활성 부위와 무관한 효소의 부위로, 이펙터 분자와 결합할 수 있다.이 상호작용은 효소 조절의 또 다른 메커니즘이다.알로스테릭 변형은 보통 하나 이상의 서브유닛을 가진 단백질에서 일어난다.알로스테릭 상호작용은 종종 대사 경로에 존재하며, 한 단계의 반응이 다른 [19]단계를 조절하도록 허용한다는 점에서 유익하다.그것들은 효소가 매우 특정한 활성 [19]부위 이외에 다양한 분자 상호작용을 할 수 있게 해줍니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c Bugg TD (2004). Introduction to Enzyme and Coenzyme Chemistry (PDF) (2nd ed.). Blackwell Publishing Limited. ISBN 9781405114523. Archived from the original (PDF) on 22 March 2018.
  2. ^ a b Shanmugam S (2009). Enzyme Technology. I K International Publishing House. p. 48. ISBN 9789380026053.
  3. ^ a b Pravda L, Berka K, Svobodová Vařeková R, et al. (2014). "Anatomy of Enzyme Channels". BMC Bioinformatics. 15: 379. doi:10.1186/s12859-014-0379-x. PMC 4245731. PMID 25403510.
  4. ^ Alberts B (2010). Essential Cell Biology. Garland Science. p. 91. ISBN 9780815341291.
  5. ^ a b Dagmar R, Gregory A (2008). "How Enzymes Work". Science. 320 (5882): 1428–1429. doi:10.1126/science.1159747. PMID 18556536. S2CID 43617575.
  6. ^ a b c d e f g h i Robert A (2000). Enzymes: A Practical Introduction to Structure, Mechanism, and Data Analysis (PDF) (2nd ed.). Wiley-Blackwell. ISBN 9780471359296.
  7. ^ Kool ET (1984). "Active site tightness and substrate fit in DNA replication". Annual Review of Biochemistry. 71: 191–219. doi:10.1146/annurev.biochem.71.110601.135453. PMID 12045095.
  8. ^ Csermely, Peter; Palotai, Robin; Nussinov, Ruth (2010). "Induced fit, conformational selection and independent dynamic segments: an extended view of binding events". Trends in Biochemical Sciences. 35 (10): 539–546. arXiv:1005.0348. doi:10.1016/j.tibs.2010.04.009. ISSN 0968-0004. PMC 3018770. PMID 20541943.
  9. ^ Daniel E (1995). "The Key–Lock Theory and the Induced Fit Theory". Angewandte Chemie International Edition. 33 (2324): 2375–2378. doi:10.1002/anie.199423751.
  10. ^ Sullivan SM (2008). "Enzymes with lid-gated active sites must operate by an induced fit mechanism instead of conformational selection". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (37): 13829–13834. Bibcode:2008PNAS..10513829S. doi:10.1073/pnas.0805364105. PMC 2544539. PMID 18772387.
  11. ^ Copeland, Robert A. (2013). "Drug–Target Residence Time". Evaluation of Enzyme Inhibitors in Drug Discovery. John Wiley & Sons, Ltd. pp. 287–344. ISBN 978-1-118-54039-8.
  12. ^ a b Pan, Albert C.; Borhani, David W.; Dror, Ron O.; Shaw, David E. (2013). "Molecular determinants of drug–receptor binding kinetics". Drug Discovery Today. 18 (13–14): 667–673. doi:10.1016/j.drudis.2013.02.007. ISSN 1359-6446. PMID 23454741.
  13. ^ Miller, Duncan C.; Lunn, Graham; Jones, Peter; Sabnis, Yogesh; Davies, Nichola L.; Driscoll, Paul (2012). "Investigation of the effect of molecular properties on the binding kinetics of a ligand to its biological target". MedChemComm. 3 (4): 449–452. doi:10.1039/c2md00270a. ISSN 2040-2503.
  14. ^ Flexner C (1998). "HIV-protease inhibitors". The New England Journal of Medicine. 338 (18): 1281–1292. doi:10.1056/NEJM199804303381808. PMID 9562584.
  15. ^ Ashraf B, Chi-Huey W (2003). "HIV-1 protease: mechanism and drug discovery". Organic & Biomolecular Chemistry. 1 (1): 5–14. doi:10.1039/B208248A. PMID 12929379.
  16. ^ Gray W, Rick G (1993). "Cytoprotection by inhibition of chloride channels: The mechanism of action of glycine and strychnine". Life Sciences. 53 (15): 1211–1215. doi:10.1016/0024-3205(93)90539-F. PMID 8412478.
  17. ^ Jansen EF, Nuttig F, Balls AK (1949). "Mode of inhibition of chymotrypsin by diisopropyl fluorophosphate; introduction of phosphorus". The Journal of Biological Chemistry. 179 (1): 201–204. doi:10.1016/S0021-9258(18)56828-9. PMID 18119235.
  18. ^ a b Schechter I (2005). "Mapping of the active site of proteases in the 1960s and rational design of inhibitors/drugs in the 1990s". Current Protein & Peptide Science. 6 (6): 501–512. doi:10.2174/138920305774933286. PMID 16381600.
  19. ^ a b c DeDecker BS (2000). "Allosteric drugs: thinking outside the active-site box". Chemistry & Biology. 7 (5): 103–107. doi:10.1016/S1074-5521(00)00115-0. PMID 10801477.
  20. ^ Zuercher M (2008). "Structure-Based Drug Design: Exploring the Proper Filling of Apolar Pockets at Enzyme Active Sites". Journal of Organic Chemistry. 73 (12): 4345–4361. doi:10.1021/jo800527n. PMID 18510366.
  21. ^ Powers R (2006). "Comparison of protein active site structures for functional annotation of proteins and drug design". Proteins. 65 (1): 124–135. doi:10.1002/prot.21092. PMID 16862592. S2CID 2527166.

추가 정보

  • Alan Fersht, 단백질 과학 구조 및 메커니즘: 효소 촉매 작용 및 단백질 접힘 가이드.W. H. 프리먼, 1998년ISBN 0-7167-3268-8
  • Bugg, T. 효소와 코엔자임 화학개론 (제2판), Blackwell 출판사, 2004.ISBN 1-4051-1452-5.
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