CH 6-1 효소 반응속도론 대 열역학

1) 효소의 기능

- 단백질의 여러 기능 중에서 효소로의 역할은 매우 중요함

- 효소는 유기체에서 촉매(catalysis)로 작용하며 반응 속도를 최대 1020배만큼 빠르게 할 수 있음

- 상온, 상압에서 촉매로의 기능을 수행할 수 있으며 매우 특이적임

- 보통 촉매 + 기질 -> 촉매-기질 complex -> 촉매 + 생성물 과정을 거쳐서 기능을 수행

2) 열역학 법칙

① 표준 자유에너지 변화 (Standard Free Energy change, ∆G°)

- 반응물의 에너지 (초기상태)와 생성물의 에너지 (최종상태)에서의 에너지 차이를 뜻함

- 해당 반응의 열역학적 선호도를 물어보는 것을 뜻하며 ∆G° < 0 일 때 반응이 자발적(spontaneous)라고 하며, ∆G° > 0 일 때 반응이 비자발적(spontaneous)임을 뜻함

  cf) 항상 강조되는 부분이지만, 반응이 자발적이라는 것은 반응이 빠른 것을 뜻하지는 않음

② 활성화 에너지 (Activation Energy, ∆G°‡, Ea)

- 반응이 진행되기 위해서 필요한 에너지의 투입량

- Arrenius Equation: Ea = -RTln(k/A)

  -> 활성화에너지는 특정 반응의 반응 속도를 표현하는 척도: 활성화 에너지가 크면 반응 속도는 느림

- 촉매는 활성화에너지를 낮추어서 반응 속도를 더 빠르게 하지만, 평형 상수나 표준 자유에너지 변화에는 영향을 주지 않으며, 줄 수도 없음

 

3) 전이상태 (Transition State)

- 위의 활성화에너지 도표 (activation energy profile)에서 반응물과 생성물 사이에 가장 에너지가 높은 상태를 전이상태라고 함

- 활성화에너지는 반응물을 전이상태까지 끌어올리기에 필요한 에너지의 양이라고도 말할 수 있음

- 전이상태 유사체는 효소 촉매 반응의 메커니즘 연구에 도움이 됨

- 효소 반응에서는 기질과 효소가 완전한 complex를 형성한 지점을 전이상태라고 말하며, 이때 필요한 에너지는 효소의 3차원적 구조를 기질과 완전히 fit하게 맞추기 위해 변형할 때 필요한 에너지

4) 온도와 효소 반응의 관계

- 일반적인 반응 메커니즘에서는 온도의 증가는 활성화에너지로 사용될 수 있는 에너지의 양을 더 증가시키는 역할을 하기에 더 높은 온도에서는 더 빠른 반응이 진행됨

- 다만 생화학에서는 단백질이 반응에 관여하기 때문에 어느 정도의 온도 상승만 반응 속도를 상승시키지, 지나치게 높은 온도는 단백질(효소)의 변성을 일으키고, 이는 반응 속도를 낮추는 역할을 함

- 어느 지점에서 활성화가 최대가 되는 지는 효소(또는 효소를 포함하고 있는 유기체)에서 추출한 물질의 활성도를 조사해야 함

  e.g. 고생물의 효소에서 추출한 물질이 고온에서 활성화가 잘 되면, 이를 갖고 있던 효소도 고온에서 활성화 정도가 최대

cf) 촉매도 단백질이기 때문에 온도와 pH의 영향을 많이 받으며, 조사한 정보에 따라서 최대 활성화 조건을 잘 맞춰주는 것이 중요