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DNA에 대한 염기성 아미노산 잔기 결합 메커니즘

DNA에 대한 염기성 아미노산 잔기 결합 메커니즘


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나는 많은 단백질 DNA 결합 도메인이 아르기닌 및 라이신과 같은 염기성 잔기를 통해 DNA에 결합한다는 것을 이해합니다. 그러나 DNA에 결합하는 데 사용되는 메커니즘은 무엇이며 DNA의 어디에서 이러한 잔기가 결합합니까?


이 질문에는 특별한 답이 없습니다. DNA 결합 단백질에는 여러 패밀리가 있으며, 그 중 일부는 특이적으로 결합합니다(예: GAATTC에 결합하고 절단하는 EcoRI와 같은 제한 효소 또는 약 25개 염기쌍 길이의 대장균 게놈의 특정 지점에 결합하는 lac 억제인자와 같은 전사 인자) 및 일부 그 중 일부는 반특이적으로 결합하고(예: GC가 풍부한 영역에 결합하는 아연 핑거), 다른 것들은 비특이적으로 결합합니다(예: 슬라이딩 DNA 클램프).

이 모든 단백질의 경우 DNA의 인산 골격이 음전하를 띠기 때문에 DNA와 마주하는 양전하를 띤 아미노산을 갖는 경향이 있습니다. DNA의 주요 또는 보조 홈에 맞는 많은 단백질 모티프(나선 회전 나선 모티프와 같은)가 있습니다. 라이신과 아르게닌은 양전하를 띤 아미노산이기 때문에 중요합니다. 히스티딘도 양전하를 띠지만 그렇게 길거나 유연하지 않으며 자주 또는 잘 맞지 않는 것 같습니다.

http://en.wikipedia.org/wiki/DNA-binding_protein


제가 할 수만 있다면 코멘트를 하고 싶지만, 우리 연구실은 DNA 결합을 위해 많은 폴리 ​​라이신 펩타이드와 함께 작업했습니다. 우리의 경험에 따르면 라이신은 아르기닌보다 더 잘 작동하고 둘 다 히스티딘보다 훨씬 더 잘 작동합니다. 히스티딘은 pka가 더 낮기 때문에 생리학적 pH에서 덜 양전하를 띠는 경향이 있습니다. 단백질이 특정 DNA 서열에 결합하는 한 이중나선에는 2개의 홈이 있습니다. 염기쌍의 "측면"은 홈을 통해 접근할 수 있으며 단백질은 아마도 홈의 패턴을 인식할 것입니다. A-T 쌍은 G-C 쌍과 다른 모양을 나타내며 단백질의 DNA 결합 부분은 이러한 돌기를 구별하고 나선에 결합할 수 있습니다.


3 생물학의 기초 유기화학

유기 화학은 공유 결합에 탄소를 포함하는 유기 화합물의 구조, 특성 및 반응을 연구하는 화학의 한 분야입니다. 구조 연구는 화학 조성과 공식을 결정합니다. 특성 연구에는 물리적 및 화학적 특성, 그리고 그들의 거동을 이해하기 위한 화학적 반응성 평가가 포함됩니다. 유기 반응 연구에는 천연물, 약물 및 고분자의 화학적 합성과 실험실 및 이론적(in silico) 연구를 통한 개별 유기 분자에 대한 연구가 포함됩니다.

유기 화합물은 모든 지구 생명체의 기초를 형성하고 알려진 화학 물질의 대부분을 구성합니다. 탄소의 결합 패턴은 4가의 원자가(형식적 단일, 이중, 삼중 결합과 비편재화된 전자가 있는 구조)로 인해 유기 화합물의 배열이 구조적으로 다양하고 응용 범위가 엄청납니다. 이들은 제약 석유화학 및 농약을 포함한 많은 상업 제품과 윤활유, 솔벤트 플라스틱 연료 및 폭발물을 포함하여 이들로 만든 제품의 기초를 형성하거나 그 구성 요소입니다. 유기화학 연구는 유기금속화학 및 생화학과 중복되지만 의약화학, 고분자화학, 재료과학과도 겹친다.

유기 화학에서 연구되는 화학 물질의 범위에는 탄화수소(탄소와 수소만 포함하는 화합물)와 탄소 기반 화합물이 포함되지만 다른 원소, 특히 산소, 질소, 황, 인(많은 생화학 물질에 포함됨) 및 할로겐도 포함됩니다.

19세기 이전에 화학자들은 일반적으로 살아있는 유기체에서 얻은 화합물이 무기 화합물과 구별되는 생명력을 부여받았다고 믿었습니다. 활력론(생명력 이론)의 개념에 따르면, 유기물에는 "생명력"이 부여되었습니다. 19세기 전반부에 유기 화합물에 대한 최초의 체계적인 연구 중 일부가 보고되었습니다. 1816년경 Michel Chevreul은 다양한 지방과 알칼리로 만든 비누에 대한 연구를 시작했습니다. 그는 알칼리와 결합하여 비누를 생성하는 산을 분리했습니다. 이들은 모두 개별 화합물이기 때문에 그는 "생명력" 없이도 다양한 지방(전통적으로 유기 공급원에서 유래)에서 화학적 변화를 일으켜 새로운 화합물을 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 1828년 Friedrich Wöhler는 현재 Wöhler 합성이라고 불리는 방식으로 무기 출발 물질(염화칼륨 시아네이트 및 황산암모늄)에서 소변의 구성 요소인 유기 화학 요소(카바미드)를 생산했습니다. Wöhler 자신은 자신이 활력론을 반증했다고 주장하는 데 신중했지만 생물학적(유기적) 출발 물질 없이 유기물로 생각되는 물질이 실험실에서 합성된 것은 이번이 처음이었습니다. 이 사건은 이제 일반적으로 활력론의 교리를 실제로 반증하는 것으로 받아들여지고 있습니다.

유기 화학의 결정적인 돌파구는 1858년 Friedrich August Kekulé와 Archibald Scott Couper가 독자적으로 개발한 화학 구조의 개념이었습니다. 두 연구자 모두 4가 탄소 원자가 서로 연결되어 탄소 격자를 형성할 수 있으며 원자 결합의 상세한 패턴은 적절한 화학 반응에 대한 능숙한 해석으로 식별할 수 있다고 제안했습니다.

유기 분자는 일반적으로 도면 또는 구조식, 도면 및 화학 기호의 조합으로 설명됩니다. 선각 공식은 간단하고 모호하지 않습니다. 이 시스템에서 각 선의 끝점과 교차점은 하나의 탄소를 나타내며 수소 원자는 명시적으로 표시되거나 4가 탄소에 의해 암시된 것처럼 존재한다고 가정할 수 있습니다.

그림 3.1: 이 다이어그램은 유기 화합물 부탄의 5가지 다른 구조적 표현을 보여줍니다. 가장 왼쪽의 구조는 수소 원자가 제거된 결합선 그림입니다. 두 번째 구조는 수소가 추가된 것으로 묘사되어 있습니다. 어두운 쐐기형 결합은 수소 원자가 판독기를 향해 오고 있음을 나타내고, 해시 결합은 원자가 판독기로부터 멀어지는 방향을 나타내고, 고체(일반) 연못은 결합이 평면에 있음을 나타냅니다. 화면/종이의. 중간 구조는 4개의 탄소 원자를 보여줍니다. 4번째 구조는 3차원 없이 원자와 결합만을 나타내는 표현이다. 가장 오른쪽 구조는 부탄의 축합 구조 표현입니다.

제약 산업의 시대는 19세기 후반에 바이엘이 독일에서 아세틸살리실산(일반적으로 아스피린이라고 함) 제조를 시작하면서 시작되었습니다. 1910년까지 Paul Ehrlich와 그의 실험실 그룹은 매독에 대한 최초의 효과적인 의학적 치료법으로 비소 기반의 아르스페나민(Salvarsan)을 개발하기 시작했으며, 이에 따라 화학 요법의 의료 행위를 시작했습니다. Ehrlich는 "마법의 총알" 약물의 개념과 약물 요법을 체계적으로 개선하는 개념을 대중화했습니다. 그의 연구실은 디프테리아에 대한 항혈청을 개발하고 치료 혈청을 표준화하는 데 결정적인 기여를 했습니다.

20세기 초반에 고분자와 효소는 큰 유기 분자로 나타났고 석유는 생물학적 기원으로 밝혀졌습니다.

생물학적 유기체에서 발생하는 대부분의 화합물은 탄소 화합물이므로 유기 화학과 생화학의 연관성은 매우 밀접하여 생화학은 본질적으로 유기 화학의 한 분야로 간주 될 수 있습니다. 생화학의 역사는 약 4세기에 걸친 것으로 간주될 수 있지만, 이 분야에 대한 근본적인 이해는 19세기 후반에야 발전하기 시작했고 실제 용어인 생화학은 20세기 초에 만들어졌습니다.


단백질 합성 메커니즘에 관련된 단계 | 유전학 | 생물학

단백질 합성의 메커니즘은 E.coli에서 철저히 연구되었습니다. 70S 리보솜에서 단백질 합성 과정은 아래에 자세히 설명되어 있습니다. 단백질 합성 메커니즘의 다양한 단계에 대한 요약이 (그림 13)에 나와 있습니다.

1단계 - 전사:

DNA 분자의 한 가닥은 mRNA 형성을 위한 주형으로 기능합니다. 이 mRNA는 합성될 단백질에 대한 메시지를 포함합니다. mRNA가 형성되자마자 핵을 떠나 세포질에 도달하여 리보솜의 30S 소단위체와 붙습니다.

2단계 - mRNA를 리보솜의 30S 소단위체에 부착:

원핵 세포에서 리보솜은 해리되고 비활성 상태로 발견됩니다. mRNA는 30S 소단위체에 결합합니다. 리보솜의 작은 소단위체의 16 S rRNA의 특정 서열은 mRNA의 상보적 서열에 결합한다. 일반적으로 N 포르밀 메티오닌-tRNA(F-met tRNA)인 첫 번째 아미노산이 mRNA에 부착되어 개시 복합체를 형성합니다.

이 과정은 GTP와 세 가지 단백질 인자(IF1, IF2 및 IF3 인자)의 도움을 받습니다. 리보솜은 mRNA와 tRNA를 결합하도록 독특하게 설계되었습니다. mRNA는 작은 소단위 터널을 통해 연결되고 큰 소단위와 소단위는 함께 tRNA 결합 포켓을 형성합니다. 개시 복합체가 형성된 후, 50S 서브유닛은 더 작은 서브유닛과 결합하여 70S 리보솜을 형성합니다.

3단계 - 아미노산을 단백질 합성 부위로 이동:

이 단계에서 아미노산은 아미노산 풀에서 리보솜으로 운반됩니다. 그러나 아미노산은 비활성 상태의 세포질에서 발생합니다. 각 아미노산은 아미노 아실 합성 효소 및 ATP로 알려진 특정 활성화 효소에 의해 활성화됩니다.

세포는 20개 아미노산에 대해 20개 이상의 아미노아실 합성 효소를 가지고 있습니다. 각 효소는 특이적이며 올바른 아미노산을 활성화합니다. 효소는 tRNA의 효소 부위에 의해 인식되고 아미노산 잔기는 tRNA의 아미노산 부착 부위로 옮겨진다. 아미노산은 tRNA의 -CCA 말단에서 3-OH에 연결됩니다. 그 결과, AMP와 효소가 방출되고 최종 생성물인 아미노 아실-tRNA가 형성됩니다. 이것은 단백질 합성 부위로 이동합니다.

4단계 - 단백질 합성 시작:

개시는 70S 복합체의 형성을 포함하며 개시 인자의 도움을 받습니다.

mRNA는 일반적으로 첫 번째 코돈으로 AUG를 갖습니다. 메티오닌에 대한 AUG 코드. 메티오닌은 공식화되고 단백질 합성 과정을 시작하는 데 중요한 역할을 합니다. 단백질 합성이 완료된 후 가수분해효소의 활성에 의해 포르밀메티오닌이 탈착된다.

포르밀 메티오닌의 기능은 단백질 합성이 특정 방향으로 진행되도록 하는 것입니다. 이는 포르밀 메티오닌에서 NH가2 -COOH 말단을 떠나 -NH와 반응하도록 포르밀기에 의해 차단됨2 두 번째 아미노산 그룹.

개시 과정은 원핵 생물과 진핵 생물에서 크게 다릅니다. 3가지 개시 인자가 원핵생물인 IF1, IF2 및 IF3에 관여합니다. 진핵생물의 개시는 더 복잡하며 8개의 개시 인자가 필요합니다. (표 8). 첫 번째 아미노산은 진핵 생물의 메티오닌입니다.

5단계 - 폴리펩티드 사슬의 연장:

신장 동안 아미노산은 서로 연결됩니다. 신장 과정에는 신장 계수, EF-Tu, Ef-G 및 EF-T가 필요합니다. mRNA의 코돈에 상보적인 안티코돈을 가진 하전된 tRNA는 리보솜의 A 자리로 이동합니다. 펩티드 형성은 효소인 펩티딜 트랜스퍼라제의 존재하에 P 부위의 아미노산과 A 부위 사이에서 일어난다.

펩티딜 전이효소 반응은 아미노산을 P 부위에서 A 부위의 아미노 아실-tRNA로 전달합니다. 두 번째 tRNA는 이제 디펩티드를 운반하고 첫 번째 tRNA는 아미노산이 없습니다.

신장의 다음 단계는 mRNA를 따라 하나의 코돈에 의한 리보솜의 이동입니다. 이것을 전위라고 합니다. 이 반응에 관여하는 효소는 트랜스로카제입니다. 전위에는 GTP의 가수분해에 의해 제공되는 에너지가 필요합니다. 전위가 발생하면 디펩티드가 있는 tRNA가 P 자리로 전위되고 A 자리에서 새로운 코돈을 사용할 수 있습니다. 첫 번째 tRNA는 이제 ‘E’ 사이트로 이동합니다. 이 tRNA는 트랜스퍼라제의 작용에 의해 ‘쫓겨나’, 이는 또한 포르밀-메티오닌을 현재 P 부위에 존재하는 tRNA로 뒤집는 역할을 합니다.

요컨대, 전체 과정은 tRNA-아미노산 복합체의 도착, 펩타이드 결합 형성 및 전위를 포함합니다. 리보솜이 mRNA 위를 5′ → 3′ 방향으로 이동함에 따라 모든 코돈이 A 자리에 차례로 노출되어 폴리펩타이드 사슬의 성장이 이어집니다.

따라서 DNA의 언어는 나중에 폴리펩티드의 언어로 번역되는 mRNA의 언어로 전사됩니다. 새로 합성된 폴리펩타이드는 신생 폴리펩타이드로 알려져 있습니다. 신장에서의 일련의 사건은 매우 빠르게 발생하며 최적의 조건에서 40개 아미노산의 폴리펩타이드 사슬이 20초 내에 생성될 수 있습니다.

단계 — 6 폴리펩티드 사슬의 종료 및 방출:

mRNA 사슬의 끝에는 종결 코돈 또는 종결 코돈이 있습니다. 종결자 코돈에는 UAA, UGA 및 UAG의 세 가지가 있습니다.

정보 처리 영역이 터미네이터 코돈을 만나면 단백질 합성이 중단된다는 신호입니다. 방출 인자는 정지 코돈을 연결하고 이것은 P 부위에서 완전한 폴리펩타이드 사슬의 가수분해를 돕습니다. 리보솜은 mRNA 사슬에서 분리되고 리보솜은 두 개의 소단위로 해리됩니다.

단계 - 7 방출된 폴리펩티드의 변형:

방출된 폴리펩타이드는 1차 형태입니다. 코일링을 거쳐 2차 및 3차 구조를 얻습니다. 4차 구조를 취하기 위해 다른 폴리펩티드와 결합할 수 있습니다. 샤페론(chaperone)으로 알려진 단백질은 단백질이 기능적으로 접히는 것을 돕습니다.

유리 리보솜에서 합성된 단백질은 세포질로 방출되어 구조 및 효소 단백질로 기능합니다. 부착된 리보솜에 형성된 단백질은 터널을 통과하여 ER의 채널로 들어가고 골지체에 포장된 후 세포외 배출에 의해 세포 분비물로 내보내집니다.

mRNA와 리보솜은 재사용이 가능합니다. 때때로 많은 리보솜이 한 번에 하나의 mRNA 분자를 읽습니다. 그들은 많은 동일한 폴리펩티드를 생산하는 폴리솜 또는 폴리리보솜을 형성합니다. 폴리펩타이드는 방출될 때 2차, 3차 또는 4차 구조를 취할 수 있는 단백질을 형성합니다. 폴리펩타이드 사슬을 암호화하는 DNA 서열을 시스트론 또는 유전자라고 합니다.


효소의 촉매 활성

다른 모든 촉매와 마찬가지로 효소는 두 가지 기본 특성을 특징으로 합니다. 첫째, 반응에 의해 소비되거나 영구적으로 변경되지 않고 화학 반응 속도를 증가시킵니다. 둘째, 반응물과 생성물 사이의 화학 평형을 변경하지 않고 반응 속도를 증가시킵니다.

효소 촉매 작용의 이러한 원리는 분자가 효소에 의해 작용하는 다음 예에서 설명됩니다(기질[NS])로 변환됩니다. 제품 (NS) 반응의 결과입니다. 효소가 없을 때 반응은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

사이의 화학 평형 NS 그리고 NS 열역학 법칙에 의해 결정되며(이 장의 다음 섹션에서 더 자세히 논의됨) 순방향 및 역방향 반응 속도의 비율로 표시됩니다(NSNS 그리고 NSNS, 각각). 적절한 효소의 존재하에, NS 에게 NS 가속되지만 사이의 균형은 NS 그리고 NS 변경되지 않습니다. 따라서 효소는 정반응과 역반응을 동등하게 가속해야 합니다. 반응은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

효소(이자형)은 반응에 의해 변경되지 않으므로 화학 평형은 변하지 않고 유지되며, 열역학적 특성에 의해서만 결정됩니다. NS 그리고 NS.

이러한 반응에 대한 효소의 효과는 전환 동안 발생해야 하는 에너지 변화에 의해 가장 잘 설명됩니다. NS 에게 NS (그림 2.22). 반응의 평형은 최종 에너지 상태에 의해 결정됩니다. NS 그리고 NS, 효소 촉매 작용에 영향을 받지 않습니다. 그러나 반응이 진행되기 위해서는 기질이 먼저 더 높은 에너지 상태로 전환되어야 합니다. 전이 상태. 전이 상태에 도달하는 데 필요한 에너지(활성화 에너지)는 반응의 진행을 방해하여 반응 속도를 제한합니다. 효소(및 기타 촉매)는 활성화 에너지를 줄임으로써 작용하여 반응 속도를 높입니다. 증가된 속도는 순방향 및 역방향 모두에서 동일합니다. 둘 다 동일한 전이 상태를 통과해야 하기 때문입니다.

그림 2.22

촉매 및 비촉매 반응에 대한 에너지 다이어그램. 예시된 반응은 기질의 단순 전환입니다. NS 제품에 NS. 왜냐하면 최종 에너지 상태는 NS 의 것보다 낮다 NS, 반응은 왼쪽에서 오른쪽으로 진행됩니다. (더.)

효소의 촉매 활성은 기질이 결합하여 효소-기질 복합체를 형성하는 것을 포함합니다.에스). 기질은 활성 부위라고 하는 효소의 특정 영역에 결합합니다. 활성 부위에 결합되어 있는 동안 기질은 반응 생성물로 전환된 다음 효소에서 방출됩니다. 따라서 효소 촉매 반응은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

참고 이자형 방정식의 양쪽에서 변경되지 않은 것으로 나타나므로 평형에 영향을 미치지 않습니다. 그러나 효소는 반응이 전환되는 표면을 제공합니다. NS 에게 NS 더 쉽게 발생할 수 있습니다. 이것은 활성화 에너지를 낮추고 전이 상태의 형성을 선호하는 효소와 기질 사이의 상호작용의 결과입니다.


논의

ELYS는 nucleosomes 16,17,18에 의해 매개되는 유사분열 후 NPC 어셈블리에서 중요한 역할을 합니다. 사실, ELYS는 시험관 내에서 뉴클레오솜에 결합하고 생체 내 23,24에서 히스톤과 함께 정제된 것으로 보고되었습니다. 그러나 ELYS-뉴클레오솜 결합의 기전은 아직 밝혀지지 않았다. 본 연구에서는 ELYS의 구조를 재구성했습니다.– cryo-EM 방법에 의한 뉴클레오솜 복합체(그림 3 및 4). 가교 질량 분석과 결합된 cryo-EM 구조는 RRK 스트레치를 포함하는 ELYS C-말단 영역이 뉴클레오솜 표면의 산성 패치에 결합하는 데 중요하다는 것을 보여주었습니다(그림 3-5). 일관되게, 생화학적 분석은 ELYS RRK의 Arg 및 Lys 잔기가 뉴클레오솜 결합에서 기능하는 것으로 밝혀졌습니다(그림 1 및 2).

Arg-Arg-Lys 잔기를 포함하는 RRK 스트레치는 ELYS 오르토로그 중에서 고도로 보존되어 있습니다(그림 2a). 그러나 이러한 잔류물의 기능적 중요성은 명확하지 않습니다. 여기에서 우리는 RRK 스트레치가 뉴클레오솜 산성 패치에 결합하는 기능을 한다는 것을 발견했습니다.산성 패치는 H2A 및 H2B 산성 아미노산 잔기로 구성되며 뉴클레오솜 표면의 양쪽에 노출됩니다(그림 4). 뉴클레오솜의 산성 패치는 RCC1, Sir3, PRC1, CENP-C 및 LANA 29,30,31,32,33과 같은 염색질 관련 인자에 대한 결합 부위를 제공합니다. 이러한 단백질에서 아르기닌 측쇄는 뉴클레오솜의 산성 패치에 특이적으로 결합하며 아르기닌 앵커(27)라고 합니다. 엘리스에서-뉴클레오솜 복합체, ELYS의 RRK 스트레치에 있는 아르기닌 잔기 아르기닌 앵커로 작용할 수도 있습니다. 우리의 돌연변이 분석은 RRK 스트레치에서 각 잔기가 아닌 세 가지 기본 잔기 모두가 뉴클레오솜 결합에 필요하다는 것을 보여주었습니다(그림 2). 따라서 ELYS의 결합 메커니즘은 뉴클레오솜의 산성 패치에 대한 반응은 기존의 아르기닌 앵커 모티브와 다소 다를 수 있습니다. 또는 RRK 스트레치의 두 아르기닌 잔기 중 하나가 아르기닌 앵커로 중복 기능할 수 있습니다.

이전 결과와 일치하게, 우리의 생화학적 분석은 AT-hook 영역이 뉴클레오솜 결합에서도 기능하는 것으로 나타났습니다(그림 1). 중요하게도, 우리의 돌연변이 분석은 뉴클레오솜 결합에서 RRK 스트레치의 기여가 AT-후크 영역의 기여보다 높을 수 있음을 입증했습니다(그림 1). 엘리스에서-뉴클레오솜 복합 구조, AT-hook 영역은 유연한 특성으로 인해 보이지 않습니다. ELYS의 AT-hook 영역은 보고된 바에 따르면 DNA 22,23에 결합합니다. 다른 단백질의 AT-후크 모티프는 보고된 바에 따르면 DNA가 포함된 AT가 풍부한 영역 22에 결합하는 것을 선호합니다. 따라서 AT-hook 영역의 DNA 결합은 산성 패치에 대한 RRK stretch의 결합에 의해 주로 매개되는 ELYS 뉴클레오솜 결합을 지원할 수 있습니다.

시험관 내 분석에서 importin β와 transportin이 ELYS의 C-말단 영역(2359-2408)에 직접 결합하지만 AT-hook 영역 34에는 결합하지 않는 것으로 나타났습니다. ELYS의 importin β 및 transportin 결합 영역에는 RRK 스트레치가 포함되어 있습니다. 따라서 ELYS-뉴클레오솜 결합은 임포틴 β 및 트랜스포틴 결합과 경쟁할 수 있으며 염색질 34,35에 대한 ELYS 모집을 억제할 수 있습니다. 따라서 importin β 및 transportin에서 ELYS의 방출은 NPC 어셈블리 34,35의 전제 조건이 될 수 있습니다. RanGTP는 보고된 바에 따르면 ELYS-importin β 및 ELYS-transportin 상호 작용 34,35을 약화시킵니다. 따라서 importin β 및 transportin에서 RanGTP 매개 ELYS 방출은 유사분열 후 단계에서 NPC 조립의 주요 단계인 ELYS-염색질 결합에 중요할 수 있습니다.


추상적 인

신속하고 적절한 치료를 촉진할 수 있는 생물학적으로 관련된 분석물에 대한 현장 진단 방법론의 개발은 현재 연구 노력과 관심의 최전선에 있습니다. 다양한 접근 방식 중에서 화학 센서의 광전자 신호가 대상 분석 물질과 상호 작용할 때 변조될 수 있는 호스트-게스트 화학을 이용하는 방법이 특히 중요합니다. 합리적인 개발을 돕기 위해 원하는 특성을 가진 핵심 모티프에 고정된 주변 기능 그룹을 신중하게 선택하는 것이 중요합니다. 여기에서 우리는 3가지 정신 활성 물질인 MDAI, mexedrone 및 phenibut가 도파민, 노르에피네프린 및 세로토닌에 대한 모노아민 수송체의 수용체에 결합하는 것에 대한 심층 조사를 보고하며, 특히 개별 아미노산 잔기의 역할에 중점을 둡니다. 우리는 먼저 실험적으로 결정된 결정 구조 기하학을 양자 및 분자 역학에 의해 최적화된 구조와 비교하여 리간드의 구조적 유연성을 평가하고 페니부트의 경우 상당한 변화를 관찰했습니다. 분자 도킹 연구를 사용하여 계산된 도킹 점수를 통해 우선적인 결합 부위를 확인했습니다. 모든 경우에 모노아민 수송체와 상관없이 향정신성 물질은 이전 연구와 같이 S1 또는 단백질의 중심 부위와 선호하는 상호 작용을 나타냅니다. 그러나 우리는 3가지 수송체에 대한 상대적 효능에 대한 실험적 경향이 멕세드론의 경우에만 재현된다는 것을 관찰했습니다. 결과적으로, 이러한 발견을 더 이해하고 이러한 물질에 대한 우수한 화학 센서의 합리적인 개발을 위한 길을 닦기 위해, 우리는 표적 분석물에 대한 결합에 대한 각 가장 가까운 이웃 아미노산 잔기의 개별 기여도를 계산했습니다. 흥미롭게도 이러한 결과는 이제 이러한 실험적 효능 경향과 일치합니다. 또한, 이러한 관찰은 모든 경우에 도파민에 대한 모노아민 수송체에 대한 리간드의 결합에서 티로신 및 아스파르트산과 같은 인접 잔기와의 주요 분자간 상호 작용과 관련이 있습니다. 결과적으로, 우리는 이 연구가 소분자 분석물을 위한 화학 센서의 합리적인 개발에 종사하는 사람들과 단백질-리간드 상호 작용을 더 이해하기 위한 컴퓨터 접근 방식의 사용에 관심이 있는 사람들에게 흥미로울 것이라고 믿습니다.


DNA에 대한 염기성 아미노산 잔기 결합 메커니즘 - 생물학

단백질 살아있는 시스템에서 가장 풍부한 유기 분자 중 하나이며 모든 거대 분자의 가장 다양한 기능을 가지고 있습니다. 단백질은 구조적, 조절적, 수축적 또는 보호적일 수 있으며 수송, 저장 또는 막에서 작용할 수 있거나 독소 또는 효소일 수 있습니다. 살아있는 시스템의 각 세포에는 각각 고유한 기능을 가진 수천 개의 단백질이 포함될 수 있습니다. 기능과 마찬가지로 구조도 매우 다양합니다. 그러나 그것들은 모두 의 폴리머입니다. 아미노산, 선형 순서로 배열됩니다.

그림 1. 아미노산은 아미노기, 카르복실기, 수소 원자 및 측쇄(R기)가 부착된 중심 비대칭 탄소를 가지고 있습니다.

아미노산 단백질을 구성하는 단량체입니다. 각 아미노산은 알파(알파)라고도 하는 중심 탄소 원자로 구성된 동일한 기본 구조를 가지고 있습니다.α) 탄소는 아미노기(NH2), 카르복실기(COOH) 및 수소 원자에 결합되어 있습니다. 모든 아미노산에는 또한 R 그룹으로 알려진 중심 원자에 결합된 또 다른 원자 또는 원자 그룹이 있습니다(그림 1).

“아미노산”이라는 이름은 기본 구조에 아미노기와 카르복실기를 모두 포함하고 있다는 사실에서 따왔습니다. 언급했듯이 단백질에는 20개의 아미노산이 있습니다. 이 중 9개는 인체에서 생성할 수 없고 음식을 통해 얻을 수 있기 때문에 인간의 필수 아미노산으로 간주됩니다.

각 아미노산에 대해 R 그룹(또는 측쇄)이 다릅니다(그림 2).

연습문제

그림 2. 단백질에서 일반적으로 발견되는 20개의 공통 아미노산이 있으며, 각각은 화학적 성질을 결정하는 다른 R 그룹(변이 그룹)을 가지고 있습니다.

가용성 단백질의 표면에서 어떤 종류의 아미노산을 찾을 것으로 예상하고 내부에서 찾을 것으로 예상합니까? 지질 이중층에 포함된 단백질에서 찾을 수 있는 아미노산의 분포는 무엇입니까?

측쇄의 화학적 성질은 아미노산의 성질(즉, 산성, 염기성, 극성 또는 비극성인지 여부)을 결정합니다. 예를 들어, 아미노산 글리신은 R 그룹으로 수소 원자를 갖는다. 발린, 메티오닌, 알라닌과 같은 아미노산은 본질적으로 비극성 또는 소수성인 반면, 세린, 트레오닌, 시스테인과 같은 아미노산은 극성이고 친수성 측쇄를 갖는다. 라이신과 아르기닌의 측쇄는 양전하를 띠고 있으므로 이러한 아미노산을 염기성 아미노산이라고도 합니다. 프롤린에는 아미노기에 연결된 R기가 있어 고리와 같은 구조를 형성합니다. 프롤린은 아미노기가 측쇄에서 분리되어 있지 않기 때문에 아미노산의 표준 구조에 대한 예외입니다(그림 2).

아미노산은 단일 대문자 또는 3자리 약어로 표시됩니다. 예를 들어, 발린은 문자 V 또는 세 문자 기호 val로 알려져 있습니다. 일부 지방산이 식단에 필수적인 것처럼 일부 아미노산도 필요합니다. 그들은 필수 아미노산으로 알려져 있으며 인간의 경우 이소류신, 류신, 시스테인이 있습니다. 필수 아미노산은 신체에서 생성되지 않지만 필수 아미노산은 유기체에 따라 다르지만 신체에서 단백질을 구성하는 데 필요한 것을 말합니다.

그림 3. 펩티드 결합 형성은 탈수 합성 반응입니다. 한 아미노산의 카르복실기는 들어오는 아미노산의 아미노기에 연결되어 있습니다. 이 과정에서 물 분자가 방출됩니다.

서열과 아미노산의 수는 궁극적으로 단백질의 모양, 크기 및 기능을 결정합니다. 각 아미노산은 탈수 반응에 의해 형성되는 펩티드 결합으로 알려진 공유 결합에 의해 다른 아미노산에 부착됩니다. 한 아미노산의 카르복실기와 들어오는 아미노산의 아미노기가 결합하여 물 분자를 방출합니다. 생성된 결합은 펩티드 결합입니다(그림 3).

이러한 연결에 의해 형성된 산물을 펩타이드라고 합니다. 더 많은 아미노산이 이 성장하는 사슬에 결합함에 따라 생성된 사슬을 폴리펩티드라고 합니다. 각 폴리펩타이드는 한쪽 끝에 유리 아미노기를 가지고 있습니다. 이 말단을 N 말단 또는 아미노 말단이라고 하고, 다른 말단에는 C 또는 카르복실 말단이라고도 하는 유리 카르복실기가 있습니다. 폴리펩타이드와 단백질이라는 용어는 때때로 상호교환적으로 사용되지만, 폴리펩타이드는 기술적으로 아미노산의 중합체인 반면, 단백질이라는 용어는 함께 결합되고 종종 결합된 비펩타이드 보결기를 갖고 독특한 모양을 갖는 폴리펩타이드 또는 폴리펩타이드에 사용됩니다. , 고유한 기능을 가지고 있습니다. 단백질 합성(번역) 후 대부분의 단백질은 변형됩니다. 이를 번역 후 수정이라고 합니다. 그들은 분열, 인산화를 겪거나 다른 화학 그룹의 추가가 필요할 수 있습니다. 이러한 변형 후에야 단백질이 완전히 기능합니다.

시토크롬 c의 진화적 의미

시토크롬 c는 세포 호흡의 일부인 전자 수송 사슬의 중요한 구성 요소이며 일반적으로 세포 소기관인 미토콘드리아에서 발견됩니다. 이 단백질은 헴(heme) 보철기를 갖고 있으며, 헴의 중심 이온은 전자 전달 과정에서 교대로 환원 및 산화된다. 세포 에너지를 생산하는 이 필수 단백질의 역할은 매우 중요하기 때문에 수백만 년 동안 거의 변하지 않았습니다. 단백질 시퀀싱은 다른 종 사이에 상당한 양의 시토크롬 c 아미노산 서열 상동성이 있음을 보여주었습니다. 즉, 진화적 혈연 관계는 다양한 종의 DNA 또는 단백질 서열 간의 유사점 또는 차이점을 측정하여 평가할 수 있습니다.

과학자들은 인간의 시토크롬 c에 104개의 아미노산이 포함되어 있다고 결정했습니다. 지금까지 시퀀싱된 서로 다른 유기체의 각 시토크롬 c 분자에 대해 이들 아미노산 중 37개는 시토크롬 c의 모든 샘플에서 동일한 위치에 나타납니다. 이것은 공통 조상이 있었을 수 있음을 나타냅니다. 인간과 침팬지 단백질 서열을 비교했을 때 서열 차이는 발견되지 않았다. 인간과 붉은털 원숭이 서열을 비교했을 때 발견된 단일 차이점은 하나의 아미노산에 있었습니다. 다른 비교에서, 인간에서 효모로의 시퀀싱은 44번째 위치에서 차이를 보여줍니다.


모든 과학 저널 분류(ASJC) 코드

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In: 바이러스학, Vol. 318, No. 1, 05.01.2004, p. 204-213.

연구 성과 : 저널에 기고 › 기사 › 피어 리뷰

T1 - øx174 DNA 결합 단백질의 유전 및 기능 분석

T2 - 2개의 DNA 결합 도메인을 공간적으로 구성하는 아미노산 잔기에 대한 치환 효과

N1 - 자금 지원 정보: 이 연구는 NSF 보조금(MCB0234976)에서 B.A. 신전.

N2 - øX174 DNA 결합 단백질은 프롤린이 풍부한 링커 영역으로 분리된 일련의 DNA 결합 염기성 아미노산을 포함하는 2개의 DNA 결합 도메인을 포함합니다. 각 DNA 결합 도메인 내에는 보존된 글리신 잔기가 있습니다. 글리신 및 프롤린 잔기를 돌연변이시키고 비리온 구조에 대한 효과를 조사하였다. 글리신 잔기에 대한 치환은 DNA 결합 잔기에 대한 치환을 갖는 이전에 특성화된 돌연변이체와 유사한 특성을 갖는 입자를 산출한다. 두 돌연변이 세트는 공통의 유전자 외 2차 부위 억제인자를 공유하며, 이는 돌연변이 단백질에 의해 야기된 결함이 기계적으로 유사함을 시사합니다. 따라서 글리신 잔기는 DNA-단백질 접촉을 최적화할 수 있습니다. 프롤린 잔기의 치환에 의해 부여되는 결함은 근본적으로 다른 것으로 보입니다. 비리온의 원자 구조와 함께 돌연변이 입자의 특성은 프롤린 잔기가 포장된 DNA를 인접한 5중 관련 비대칭 단위로 안내하여 혼란스러운 포장 배열을 방지하는 작용을 할 수 있음을 시사합니다.

AB - øX174 DNA 결합 단백질은 프롤린이 풍부한 링커 영역으로 분리된 일련의 DNA 결합 염기성 아미노산을 포함하는 2개의 DNA 결합 도메인을 포함합니다. 각 DNA 결합 도메인 내에는 보존된 글리신 잔기가 있습니다. 글리신 및 프롤린 잔기를 돌연변이시키고 비리온 구조에 대한 효과를 조사하였다. 글리신 잔기에 대한 치환은 DNA 결합 잔기에 대한 치환을 갖는 이전에 특성화된 돌연변이체와 유사한 특성을 갖는 입자를 산출한다. 두 돌연변이 세트는 공통의 유전자 외 2차 부위 억제인자를 공유하며, 이는 돌연변이 단백질에 의해 야기된 결함이 기계적으로 유사함을 시사합니다. 따라서 글리신 잔기는 DNA-단백질 접촉을 최적화할 수 있습니다. 프롤린 잔기의 치환에 의해 부여되는 결함은 근본적으로 다른 것으로 보입니다. 비리온의 원자 구조와 함께 돌연변이 입자의 특성은 프롤린 잔기가 포장된 DNA를 인접한 5중 관련 비대칭 단위로 안내하여 혼란스러운 포장 배열을 방지하는 작용을 할 수 있음을 시사합니다.


CH450 및 CH451: 생화학 - 분자 수준에서의 생명 정의

7.1 효소 반응에 대한 개념 검토

효소의 정의

동종 분해 대 이종 분해 결합 절단

친핵체 및 친전자체

전자 밀기

산 해리 상수, pKa

1차 효소 분류

7.2 촉매 메커니즘의 개요

공유 촉매

산-염기 촉매

정전기 촉매

탈용매화

근사화에 의한 촉매 작용

조효소 촉매

변형률 왜곡

7.3 반응 메커니즘의 예

프로테아제 효소

NMP 키나제

제한 엔도뉴클레아제

RNA 효소 및 #8211 리보자임

7.4 참조

7.1 효소 반응에 대한 개념 검토

이 섹션에서는 효소 반응 메커니즘을 이해하는 데 도움이 되는 유기 및 생물학적 화학의 몇 가지 기본 사항을 검토합니다.

효소의 정의

효소는 반응이 순방향으로 진행되는 데 필요한 활성화 에너지를 감소시키는 생물학적 촉매라는 것을 6장에서 상기하십시오(그림 7.1). 그들은 반응 내에서 전이 상태 종의 형성을 촉진하고 비 촉매 반응과 비교하여 반응 속도를 백만 배 가속화합니다. 효소는 변경하지 않습니다 △G 반응의 자발성이나 평형 위치에 영향을 미치지 않습니다. 다른 촉매와 마찬가지로 효소도 반응 중에 소모되지 않습니다. 효소는 기질 특이성이 높으며 심지어 입체특이성 산물의 생성으로 이어지는 위치특이성을 나타낼 수도 있습니다.

그림 7.1 (a)는 비촉매 반응이고 (b)는 효소 촉매 반응인 반응을 시작하는 데 필요한 활성화 에너지 감소에 대한 효소의 효과.

동종 분해 대 이종 분해 결합 절단

본드 분열, 또는 절단, 화학 결합의 분할입니다. 이것은 일반적으로 분자가 2개 이상의 단편으로 절단될 때 해리로 지칭될 수 있다. 일반적으로 결합 절단에는 두 가지 분류가 있습니다. 동질의그리고 이종 분해, 프로세스의 특성에 따라 다릅니다(그림 7.2).

이종 분해 또는이종분해, 결합은 원래 공유된 전자 쌍이 파편 중 하나와 함께 남도록 하는 방식으로 끊어집니다. 따라서 조각은 결합 전자를 모두 가진 전자를 얻고 다른 조각은 전자를 잃습니다. [4] 이 과정을 이온 핵분열이라고도 합니다.

동질 분해 또는균질화, 절단된 공유 결합의 두 전자는 제품 간에 균등하게 분할됩니다. 이 과정은 라고도 동형분열 또는 급진적 핵분열.

그림 7.2 Heterolytic 및 Homolytic 결합 절단의 예. heterolytic cleavage에서 두 공유 전자는 공유 결합의 원자 중 하나에 의해 유지되는 반면, homolytic cleavage에서는 하나의 전자가 공유 결합의 각 원자에 의해 유지되어 라디칼 중간체를 형성합니다.

친핵체 및 친전자체

NS 친핵체 공유할 수 있는 전자 쌍(보통 비결합 또는 고립 쌍)이 있는 원자 또는 작용기입니다. 그러나 염기에 대해서도 마찬가지입니다. 실제로 염기는 친핵체로 작용할 수 있고 친핵체는 염기로 작용할 수 있습니다. 그렇다면 염기와 친핵체의 차이점은 무엇입니까?

Brønsted-Lowry 염기는 고독한 전자쌍을 사용하여 산성 양성자와 새로운 결합을 형성합니다. 염기성 및 염기의 강도를 평가할 때 열역학의 관점에서 말하는 것을 기억하십시오. 기준 산-염기 반응에서 평형은 어디에 있습니까?

그림 7.3 브뢴스테드-로우리 베이스. 위 그림과 아래 그림은 각각 강염기와 약염기의 평형 위치를 나타냅니다.

NS 친핵체 고독한 전자쌍을 다른 사람과 공유 친전자체 수소 이외의 전자가 부족한 원자, 일반적으로 탄소입니다. 친핵성을 평가할 때 친핵체가 기준 친전자체와 얼마나 빨리 반응하는지 역학의 관점에서 생각합니다.

그림 7.4 친핵체. 위쪽 및 아래쪽 다이어그램은 각각 더 빠르게 반응하는 친핵체와 느리게 반응하는 친핵체를 보여줍니다.

실험실 및 생물학적 유기 화학에서 가장 일반적인 친핵성 원자는 산소, 질소 및 황이며 가장 일반적인 친핵성 화합물 및 작용기는 물/수산화물 이온, 알코올, 페놀, 아민, 티올 및 때때로 카르복실레이트입니다.

특정 상황에서 탄소 원자는 친핵체로도 작용할 수 있습니다. 예를 들어, 에놀레이트 이온은 생화학 반응에서 일반적인 탄소 친핵체이며, 시안화물 이온(CN - )은 실험실에서 일반적으로 사용되는 탄소 친핵체의 예입니다(그림 7.5).

그림 7.5 탄소는 특정 상황에서 친핵체로 작용할 수 있습니다.

살아있는 시스템에서 수행되는 많은 효소 기능은 단백질을 촉매로 사용합니다. 그러나 일부 효소 반응은 RNA와 같은 다른 거대분자에 의해 매개될 수 있으며 이 장의 끝에서 더 자세히 설명합니다. 단백질 구조 내에서 여러 아미노산 R 그룹은 친핵체 역할을 할 수 있으며 종종 효소의 활성 부위에서 발견됩니다.여기에는 시스테인, 세린, 트레오닌, 티로신, 글루타민산, 아스파르트산, 라이신, 아르기닌 및 히스티딘이 포함됩니다(그림 7.6).

그림 7.6 일반적으로 친핵체로 작용하는 아미노산 R-기. 친핵체 역할을 할 수 있는 반응성 아미노산은 종종 효소의 활성 부위에서 발견되며 반응 메커니즘에 참여합니다.

전자 밀기

화살표 밀기 또는 전자 밀기 유기 화학 반응 메커니즘의 진행을 설명하는 데 사용되는 기술입니다. 로버트 로빈슨 경이 처음 개발했습니다. 화살표 밀기를 사용하는 경우, “곡선 화살표” 또는 “곱슬 화살표” 반응 메커니즘을 보여주기 위해 화학 반응식에서 반응물의 구조식 위에 중첩됩니다. 화살표는 원자 사이의 결합이 끊어지고 형성될 때 전자의 움직임을 나타냅니다. 화살표 밀기는 또한 공명을 통해 유기 분자 주위에 양전하와 음전하가 분포하는 방식을 설명하는 데 사용됩니다. 그러나 화살표 밀기는 형식주의이며 전자(또는 오히려 전자 밀도)는 현실에서 그렇게 깔끔하고 불연속적으로 움직이지 않는다는 것을 기억하는 것이 중요합니다.

유기 화학자들은 분자 구조 내에서 두 가지 유형의 화살표를 사용하여 전자 움직임을 설명합니다. 단일 전자 궤적은 단일 가시 화살표로 표시되는 반면 이중 가시 화살표는 전자 쌍의 이동을 보여줍니다(그림 7.7).

그림 7.7 전자쌍의 궤적(상단 도표)과 단일 전자 이동의 궤적(하단 도표).

결합이 끊어지면 전자는 결합이 있던 자리를 떠납니다. 이는 결합에서 멀어지는 곡선 화살표로 표시되고 다음 비어 있는 분자 궤도를 가리키는 끝 화살표로 표시됩니다. 유사하게, 유기 화학자들은 두 종 사이를 가리키는 곡선 화살표로 결합 형성을 나타냅니다.

명확성을 위해 화살표를 누를 때 고립 전자 쌍 또는 σ 또는 π 결합에서 시작하여 한 쌍의 전자를 수용할 수 있는 위치에서 끝나는 화살표를 그리는 것이 가장 좋습니다. 그러면 독자가 어떤 전자가 움직이는지 정확히 알 수 있습니다. 그리고 그들이 끝나는 곳.

산 해리 상수, Ka 및 pKa

Brønsted-Lowry 산의 정의는 양성자를 제공할 수 있는 모든 종인 반면 염기는 양성자를 받을 수 있는 모든 종입니다. 산의 강도는 용액 내에서 해리될 수 있는 가능성의 관점에서 측정되며 특정 산 해리 상수, 케이NS, (또한 ~으로 알려진 산도 상수, 또는 산 이온화 상수). NS 는 용액 내 산의 강도를 정량적으로 측정한 것이며 화학 반응에 대한 평형 상수입니다.

산-염기 반응의 맥락에서 해리로 알려져 있습니다. 화학종 ​​HA는 산의 짝염기인 A - 와 수소 이온 H + 로 해리되는 산입니다. 정방향 반응과 역방향 반응이 같은 속도로 일어나기 때문에 시간이 지남에 따라 성분의 농도가 변하지 않을 때 시스템이 평형 상태에 있다고 합니다.

해리 상수는 다음과 같이 정의됩니다.

여기서 대괄호 안의 양은 평형 상태의 종의 농도를 나타냅니다.

산 해리 상수는 해리 반응의 기본 열역학의 직접적인 결과입니다. 피 케이NS 값은 반응에 대한 표준 Gibbs 자유 에너지 변화에 정비례합니다. p의 값케이NS 온도에 따라 변화하며 다음과 같이 Le Châtelier’s 원리에 따라 정성적으로 이해할 수 있습니다. 반응이 흡열일 때, 케이NS 증가하고 p 케이NS 온도가 증가함에 따라 감소합니다. 발열 반응의 경우 반대입니다. p의 값케이NS 또한 산의 분자 구조에 따라 다릅니다.

용액에서 산과 염기의 정량적 거동은 다음과 같은 경우에만 이해할 수 있습니다.케이NS 값이 알려져 있습니다. 특히, 용액의 pH는 분석 농도와 p일 때 예측할 수 있습니다.케이NS 역으로 모든 산과 염기의 값을 알고 있으면 pH를 알 때 용액에서 산과 염기의 평형 농도를 계산할 수 있습니다. 이러한 계산은 화학, 생물학, 의학 및 지질학의 다양한 영역에서 적용됩니다. 예를 들어, 약물에 사용되는 많은 화합물은 약산 또는 약염기이며 p에 대한 지식이 있습니다.케이NS 물-옥탄올 분배 계수와 함께 값을 사용하여 화합물이 혈류에 들어가는 정도를 추정할 수 있습니다. 살아있는 유기체에서 산-염기 항상성과 효소 동역학은 p에 의존합니다.케이NS 세포와 신체에 존재하는 많은 산과 염기의 값.

1차 효소 분류

6장에서 효소에 의해 매개되는 생화학적 반응에는 6가지 주요 부류가 있음을 상기하십시오(표 7.1). 여기에는 산화-환원 반응, 그룹 이동 반응, 가수분해 반응, 탄소-탄소 이중 결합의 형성/제거, 이성질체화 반응 및 결찰 반응이 포함됩니다. 이 섹션에서는 이러한 6가지 유형의 반응에 대한 간략한 소개를 제공합니다.

표 7.1 효소 위원회(EC)의 1차 효소 분류 시스템

산화 환원 반응

NS 산화-환원(산화환원) 반응 두 원자 또는 화합물 사이의 전자 이동을 포함하는 화학 반응의 한 유형입니다. 전자를 잃은 물질을 산화, 전자를 얻은 물질을 환원이라고 한다. 산화환원반응은 항상 함께 일어나야 합니다. 한 분자가 산화되면 다른 분자가 환원되어야 합니다(즉, 전자는 화합물에 추가되기 위해 희박한 공기에서 나타나지 않고 항상 어딘가에서 나와야 합니다!).

전자 조성의 변화는 의 변화로 평가할 수 있습니다. 산화 상태(또는 수)원자의. 따라서 산화 환원 반응 전자를 얻거나 잃음으로써 분자, 원자 또는 이온의 산화 상태(수)가 변하는 화학 반응입니다. 이 섹션에서 분자의 산화 상태를 평가하는 방법을 배웁니다. 전반적으로 산화환원 반응은 광합성, 호흡, 연소, 부식 또는 녹을 포함하여 생명의 일부 기본 기능에 일반적이고 필수적입니다.

그림 7.8과 같이 전자를 얻는 구성원과 전자를 잃는 구성원을 기억하는 데 도움이 되는 쉬운 니모닉은 'LEO lion say GER'입니다. 사자 별자리 의 약자 오세 이자형전자 = 영형산화되고 게르 의 약자 NS아인 이자형전자 = NS교육을 받았다.

그림 7.8. 산화 및 환원 규칙. (상단 다이어그램) 니모닉 LEO 사자는 GER이 산화-환원 반응의 주요 개념을 기억하는 데 도움이 되는 방법이라고 말합니다. 오스 이자형그것은 바로 영형산화(사자 별자리), 그리고 분자일 때 NS아인즈 이자형렉트론이다 NS교육 (게르). (하단 다이어그램) 표시된 산화 및 환원 성분과의 산화 환원 반응의 예.

그룹 이전 반응

그룹 전이 반응, 작용기는 공여체 분자의 역할을 하는 한 분자에서 수용체 분자가 될 다른 분자로 옮겨질 것입니다. 한 분자에서 다른 분자로 아민 작용기의 이동은 이러한 유형의 반응의 일반적인 예이며 아래 그림 7.9에 나와 있습니다.

그림 7.9 아민 작용기의 이동. 생물학적 시스템에서 일반적인 그룹 전달 반응은 단백질 합성에 사용할 수 있는 α-아미노산을 생성하는 데 사용되는 반응입니다. 이 반응에서 하나의 α-아미노산은 공여체 분자로 작용하고 α-케토산(이 분자에는 1개의 α-탄소에 의해 분리된 카르복실산 작용기와 케톤 작용기를 포함함)이 수용체 역할을 합니다. 억셉터 분자에서 카르보닐 산소는 아민 작용기로 대체되는 반면, 도너 분자에서는 아민 작용기가 산소로 대체되어 새로운 케톤 작용기를 형성합니다.

가수분해 반응

분류 가수분해 반응 분자를 분해하기 위해 분자에 물을 첨가하는 것을 포함하는 정반응 또는 분자를 함께 결합하기 위해 물을 제거하는 것을 포함하는 역반응을 모두 포함한다. 탈수 합성(또는 축합)(그림 7.7) .분자에 물을 첨가하여 두 분자로 분해하는 반응을 이 반응이라고 합니다. 가수 분해. 용어 '용해'는 쪼개진다는 뜻이고, '수력'는 물을 가리킨다. 따라서 용어 가수 분해 물로 쪼개진다는 뜻. 그 반응의 반대는 두 분자에서 물을 제거하여 더 큰 분자로 결합하는 것을 포함합니다. 두 분자가 물을 잃고 있기 때문에 탈수. 따라서 물의 제거를 통한 분자의 형성은 다음과 같이 알려져 있습니다. 탈수 합성. 물도 이러한 반응의 부산물이기 때문에 일반적으로 축합 반응이라고도 합니다. 6장에서 보았듯이 신체의 주요 거대분자(단백질, 탄수화물, 지질, 핵산)의 형성은 다음을 통해 형성됩니다. 탈수 합성물이 분자에서 제거되는 곳(그림 7.10). 음식 분자가 정상적으로 소화되는 동안 주요 거대 분자는 다음 과정을 통해 빌딩 블록으로 분해됩니다. 가수 분해.

그림 7.10 가수분해 및 탈수 합성. 가수분해 반응은 분자에 물을 첨가하여 더 큰 중합체를 단량체 빌딩 블록으로 분해하는 것을 매개합니다. 반응의 반대는 탈수 합성이며, 여기서 물은 단량체 빌딩 블록에서 제거되어 더 큰 중합체 구조를 생성합니다.

이 학기 내내 배웠듯이 주요 거대분자는 탈수 합성 과정을 통해 반복되는 단위체 소단위체를 조합하여 만들어집니다. 흥미롭게도, 주요 고분자 유형 각각에 대한 탈수 합성 과정에서 사용되는 유기 기능 단위는 서로 유사합니다. 따라서 반응을 함께 살펴보는 것이 유용합니다(그림 7.11).

그림 7.11 고분자 형성과 관련된 탈수 합성 반응. 지질, 핵산(DNA/RNA), 단백질 및 탄수화물의 생합성에 필요한 주요 유기 반응이 표시됩니다. 모든 반응에는 두 개의 전자 끄는 그룹을 포함하는 작용기가 있습니다(카복실산, 인산 및 헤미아세탈은 각각 중심 탄소 또는 인 원자에 부착된 두 개의 산소 원자를 가짐). 이것은 알코올 또는 아민 작용기의 음전기 산소 또는 질소에 의해 공격받을 수 있는 반응성 부분적으로 양의 중심 원자(카르복실산 및 헤미아세탈의 경우 탄소 또는 인산의 경우 인)를 형성합니다.

탄소-탄소 이중 결합의 형성/제거

탄소-탄소 이중 결합의 형성과 제거를 매개하는 반응은 생물학적 시스템에서도 흔히 볼 수 있으며 분해. 탄소-탄소 이중 결합의 형성 또는 제거는 또한 합성 유기 화학 반응에서 원하는 유기 분자를 생성하는 데 사용됩니다. 이러한 유형의 반응 중 하나를 수소화 반응, 여기서 수소 분자(H2)은 C-C 이중 결합에 걸쳐 추가되어 C-C 단일 결합으로 환원됩니다. 이것이 불포화 오일을 사용하여 수행된다면, 불포화 지방은 포화 지방으로 전환될 수 있습니다(그림 7.12). 이러한 유형의 반응은 일반적으로 실온에서 액체에서 고체로 변환하는 부분적으로 수소화된 오일을 생성하기 위해 수행됩니다. 식물성 기름으로 만든 마가린은 이런 방식으로 만들어집니다. 불행히도, 이 반응의 부산물은 다음을 포함하는 TAGS의 형성일 수 있습니다. 트랜스 이중 결합. 트랜스 지방 섭취의 건강 위험이 인식되자 FDA는 트랜스 지방의 포함을 금지했습니다. 트랜스 식품의 지방. 이 금지령은 2015년 여름에 제정되었으며 식품 제조업체는 2018년 6월 18일까지 식품 공급에서 그들을 제거할 수 있는 3년의 시간을 주었습니다.

그림 7.12 마가린을 생산하기 위한 오일의 수소화. 불포화 오일은 부분적으로 또는 완전히 수소화되어 포화 지방산을 생성하여 실온에서 고체 상태를 유지하는 마가린을 생성할 수 있습니다. 포화 탄화수소를 생성하기 위한 새로운 수소 원자의 추가는 최종 제품에서 노란색으로 표시됩니다.

위 사진 제공 면실유 그리고 아래 사진 제공 리틀건

이성질체화 반응

이성질체화 반응 단일 분자가 재배열되어 동일한 분자식을 유지하지만 이제 구조 또는 입체 이성질체를 형성하는 원자의 결합 순서가 다릅니다. 포도당 6-인산에서 과당 6-인산으로의 전환은 이성질체화 반응의 좋은 예이며 그림 7.13에 나와 있습니다.

그림 7.13 포도당 6-인산의 과당 6-인산으로의 이성질화.

결찰 반응

결찰 반응 ATP의 에너지를 사용하여 두 분자를 결합합니다. 이러한 종류의 반응의 예는 단백질 합성 동안 아미노산과 전달 RNA(tRNA) 분자의 결합입니다. 단백질 합성 동안 tRNA 분자는 각 아미노산을 리보솜으로 가져와 새로 성장하는 단백질 서열에 통합할 수 있습니다. 이렇게 하려면 먼저 tRNA 분자가 적절한 아미노산에 부착되어야 합니다. 이 반응을 매개하는 아미노 아실 – tRNA 합성효소라고 하는 특정 효소를 사용할 수 있습니다. 합성 효소는 ATP의 에너지를 사용하여 아미노산을 tRNA 분자에 공유 결합합니다. 이 프로세스의 다이어그램은 그림 7.14에 나와 있습니다. 20개 아미노산 각각에 대해 특정 tRNA 분자와 tRNA 분자에 올바른 아미노산이 올바르게 부착되도록 하는 특정 합성 효소가 있습니다.

그림 7.14 적절한 tRNA와 메티오닌을 공유적으로 연결하는 라이게이션 반응. 메티오닌에 대한 아미노-아실 tRNA 합성 효소(파란색으로 표시)는 메티오닌(밝은 분홍색)을 메티오닌 tRNA 분자(진한 분홍색)와 공유적으로 부착합니다. 이 반응은 ATP 분자가 AMP로 분해될 때 제공되는 에너지를 필요로 하며, 인산염 결합이 2개의 무기 인산염 이온(2Pi)으로 분해되면서 에너지를 방출합니다.

7.2 촉매 메커니즘의 개요

아래 설명은 효소가 화학 반응을 촉매하는 데 사용하는 주요 메커니즘을 설명합니다. 많은 효소가 반응 메커니즘 중에 하나 이상, 때로는 여러 다른 촉매 전략을 사용한다는 점에 유의해야 합니다.

공유 촉매

공유 촉매 효소와 반응에 관여하는 기질 중 하나 이상 사이에 공유 결합이 형성됩니다. 종종 이것은 다음을 포함합니다. 친핵성 촉매 공유 촉매의 하위 클래스입니다. 섹션 7.1에서 볼 수 있듯이 여러 아미노산 R 그룹은 친핵체 역할을 할 수 있으며 종종 효소의 활성 부위에서 발견됩니다. 친핵성 측쇄는 염기로 작용할 수 있는 히스티딘과 같은 인접 측쇄에 의해 유발된 탈양성자화에 의해 종종 활성화됩니다. 또는 물이 친핵체를 활성화할 수도 있습니다. 효소와 기질 사이의 중간 공유 결합 형성은 결합 절단 및 이탈기 제거를 가능하게 한다.

산-염기 촉매

산-염기 촉매 한 분자에서 다른 분자로 양성자를 전달해야 하는 모든 반응 메커니즘에 관여합니다. 많은 친핵체가 알코올, 티올 및 아민 작용기를 포함한 양성자의 제거에 의해 활성화되기 때문에 공유 촉매와 결합된 이 메커니즘을 보는 것은 매우 일반적입니다. 산-염기 촉매를 활용하는 효소는 다음 중 하나로 더 세분화될 수 있습니다. 특정 산-염기 또는 일반 산-염기 반응. 특정 산 또는 특정 기반 히드로늄 이온(H3O + ) 또는 수산화 이온(OH – )은 각각 반응 메커니즘에 직접 활용되며 용액의 pH가 촉매 속도에 영향을 미칩니다. 일반 산 및 일반 염기 반응 하이드로늄 이온(H3O + ) 또는 수산화 이온(OH –)은 양성자 기증 또는 수용의 원천입니다. 가장 일반적으로 활성 부위 아미노산 잔기는 반응 메커니즘 내에서 양성자를 받거나 제공하는 데 사용됩니다. 에 일반적인 산-염기 반응 pH는 일반적으로 완충 시스템 내에서 일정하게 유지됩니다.

정전기 촉매

정전기 촉매 효소 활성 부위가 기질과 정전기적 상호작용을 형성하여 반응의 전이 상태를 안정화할 때 발생합니다. 정전기 상호작용은 이온, 이온-쌍극자, 쌍극자-쌍극자 또는 소수성 상호작용일 수 있습니다. 수소 결합은 활성 부위에서 형성되는 가장 일반적인 정전기 상호 작용 중 하나입니다.

탈용매화

효소 활성 부위는 물이 없을 수 있고 기상의 반응 특성을 모방할 수 있습니다. 이것은 산 및 염기와 같은 하전된 기의 극성화된 상태를 불안정하게 할 수 있습니다. 따라서 이러한 유형의 잔류물의 중성 형태는 선호되는 상태가 됩니다. 이는 비극성 환경 내 활성 부위 잔류물의 pKa가 크게 변경되었기 때문입니다. 이것은 예를 들어 글루타메이트와 같은 일반적으로 산성 잔기가 히스티딘에서 양성자를 추출하고 염기처럼 행동하게 할 수 있습니다.

근사화에 의한 촉매 작용

근사에 의한 촉매 작용에서 효소는 여러 기질과 결합하고 반응이 진행될 수 있도록 유리한 위치에 배치하여 반응 속도를 높입니다. 효소와의 결합은 용액에서 무작위로 자유롭게 떠 있는 기질의 회전 엔트로피를 감소시키고 반응을 위한 기질의 정확한 위치를 가능하게 합니다. 바람직하지 않은 엔트로피의 손실은 기질-효소 상호작용으로 방출되는 결합 에너지에 의해 상쇄됩니다.

서로 상호 작용하도록 기질을 올바르게 배치하는 것 외에도 근사에 의한 촉매 작용은 기질이 용액에 자유롭게 떠 있는 2차 반응을 모든 기질이 제자리에 유지되는 1차 반응으로 전환합니다. 효소에 의해 단일 분자처럼 행동합니다. 이것은 효소 시스템에 따라 반응의 촉매 속도를 10 5 에서 10 7 배 더 빠르게 향상시킬 수 있습니다.

변형률 왜곡

유기 화학에서는 에폭사이드와 같은 3원 및 4원 고리 구조와 같은 특정 구조가 고리 고유의 바람직하지 않은 결합 각도에 내재된 변형 왜곡으로 인해 반응성이 높다는 것을 배웠습니다. 효소 활성 부위는 또한 결합된 기질 내 변형 왜곡을 이용하여 분자의 반응성을 증가시키고 전이 상태의 형성을 촉진할 수 있습니다. 유도된 적합 모델에 의해 기능하는 많은 효소는 또한 촉매 메커니즘 내에서 변형 왜곡을 활용합니다.결합되지 않은 상태에서는 낮은 촉매 상태로 유지되지만 기질과의 상호작용은 효소 활성 부위의 불안정화를 유도하거나 기질 내 변형을 유도하여 효소의 촉매 활성을 개시할 수 있습니다.

보조인자 촉매

보조 인자 효소에 결합하고 효소의 촉매 활성에 필요한 분자입니다. 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다. 궤조 그리고 조효소. 금속 보조 인자 인간 효소에서 일반적으로 발견되는 물질로는 철, 마그네슘, 망간, 코발트, 구리, 아연 및 몰리브덴이 있습니다. 코엔자임 에서 종종 파생되는 작은 유기 분자입니다. 비타민, 식단 내에서 소비되는 필수 유기 영양소입니다. 코엔자임 효소와 느슨하게 결합할 수 있고 활성 부위에서 결합 및 방출하는 능력을 가질 수 있거나, 또는 단단히 결합하고 효소로부터 쉽게 방출하는 능력이 부족할 수 있다. 단단한 결합 보효소는 보철 그룹. 필요한 보조인자와 아직 연관되지 않은 효소를 아포효소, 필요한 보조 인자와 결합된 효소는 홀로효소.때로는 유기 분자와 금속이 결합하여 헴 보조인자의 경우와 같이 조효소를 형성합니다(그림 7.15). 헴 보조인자와 효소 대응물의 조정은 종종 그림 7.15에 표시된 석시네이트 탈수소효소 효소에서 볼 수 있는 히스티딘 잔기와의 정전기적 상호작용을 포함합니다.

그림 7.15 헴 보조인자. 헴 보조인자의 계열은 다음 그림과 같이 포르피린 고리 구조와 배위된 철 금속을 포함합니다 왼쪽 패널 Heme B의 구조 내에서. 오른쪽 패널에서 Heme B는 Kreb Cycle의 석시네이트 탈수소효소와 복합된 것으로 표시됩니다.

왼쪽 패널에 표시된 Heme B의 구조는 Yikrazuul에서 가져오고 Heme B와 복합된 석시네이트 탈수소효소의 결정 구조는 Richard Wheeler에서 가져옵니다.

비타민이 어떻게 활용될 수 있는지에 대한 예로서 보조 인자, 표 7.2는 일반적인 비타민 B군과 조효소그들의 구조에서 파생됩니다. 많은 비타민 결핍은 비타민의 활동 부족으로 인해 질병 상태를 유발합니다. 아포효소 올바르게 바인딩되지 않고는 작동할 수 없습니다. 코엔자임.

표 7.2 필수 비타민 B와 변형된 효소 보조인자

보조 인자 위에 나열된 다양한 촉매 전략을 사용하여 효소 반응을 매개하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그들은 친핵체로 작용하고 공유 촉매 작용을 매개하거나 기질과 정전기 상호 작용을 형성하고 전이 상태를 안정화시킬 수 있습니다. 또한 변형 왜곡을 일으키거나 산-염기 촉매 작용을 촉진할 수 있습니다. 금속 보조 촉매는 종종 라디칼 중간체를 포함하는 균일 반응 메커니즘을 사용할 수 있습니다. 이것은 단일 전자의 안전한 이동을 요구하는 전자 수송 사슬에서 일어나는 반응과 같은 반응에서 중요할 수 있습니다.

7.3 반응 메커니즘의 예

프로테아제 효소

단백질 분해 효소(펩티다제, 프로테아제 및 프로테아제라고도 함)는 단백질의 펩티드 결합을 가수분해할 수 있습니다. 그들은 바이러스에서 동물 및 인간에 이르기까지 모든 살아있는 유기체에서 찾을 수 있습니다. 단백질 분해 효소는 생물학적 과정과 많은 병원체의 수명 주기에서 중요한 역할을 하기 때문에 의학적 및 약학적 중요성이 매우 큽니다. 프로테아제는 산업 및 생명 공학의 여러 부문에서 광범위하게 적용되는 효소이며, 또한 Klenow 단편의 생산, 펩티드 합성, 핵산 정제 중 원치 않는 단백질의 소화, 세포 배양 및 조직 해리, 재조합 항체 제조를 비롯한 수많은 연구 응용 프로그램에서 사용이 필요합니다. 연구, 진단 및 치료를 위한 단편, 구조-기능 관계의 탐색.

단백질 분해 효소는 효소의 가수분해효소 부류에 속하며 펩티드 가수분해효소 또는 펩티다아제의 하위 분류로 분류됩니다. 효소 작용 부위에 따라 프로테아제는 또한 엑소펩티다아제 또는 엔도펩티다아제로 세분될 수 있습니다. 아미노펩티다아제 및 카르복시펩티다아제와 같은 엑소펩티다아제는 각각 기질의 N – 또는 C 말단 근처에서 펩티드 결합의 가수분해를 촉매합니다(그림 7.16). 엔도펩티다아제(그림 7.16)는 펩티드 서열 내의 내부 위치에서 펩티드 결합을 절단합니다. 프로테아제는 또한 비특이적일 수 있고 모든 펩티드 결합을 동등하게 절단할 수 있거나 고도로 서열 특이적일 수 있고 특정 잔기 뒤 또는 특정 국부 서열 내에서만 펩티드를 절단할 수 있다.

그림 7.16 일반적인 펩티다제 반응. 아미노펩티다제(상단 도표) 및 카르복시펩티다제(중간 도표)는 말단 아미노산 잔기를 제거하는 반면, 엔도펩티다제(하단 도표)는 내부 부위에서 단백질 서열을 절단한다. 빨간색 화살표는 절단될 펩티드 결합을 보여줍니다.

단백질 분해 효소의 작용은 많은 생리학적 과정에서 필수적입니다. 예를 들어, 프로테아제는 식품 단백질의 소화, 단백질 전환, 세포 분열, 혈액 응고 캐스케이드, 신호 전달, 폴리펩티드 호르몬 처리, 세포자멸사 및 레트로바이러스 복제를 포함한 여러 질병 유발 유기체의 수명 주기에서 기능합니다. 인간 면역 결핍 바이러스(HIV)로. 많은 숙주와 병원체의 생활사에서 중요한 역할을 하기 때문에 의학적, 약학적, 학문적 중요성이 매우 큽니다.

인간 유전자의 약 2%가 단백질 분해 효소를 암호화하는 것으로 이전에 추정되었으며, 많은 생물학적 과정에서 단백질 분해효소가 필요하기 때문에 프로테아제는 중요한 치료 표적이 되었습니다. 그들은 구조-기능 관계를 탐구하고, 기질 및 억제제와의 상호 작용을 조사하고, 항바이러스 요법을 위한 치료제를 개발하거나, 열안정성, 효율성을 개선하고, 산업 또는 치료 목적을 위한 단백질 공학에 의해 특이성을 변경하기 위해 집중적으로 연구됩니다.

촉매 메커니즘 및 활성 부위에 아미노산 잔기(들)의 존재에 따라 프로테아제는 아스파르트산 프로테아제, 시스테인 프로테아제, 글루탐산 프로테아제, 메탈로프로테아제, 아스파라긴 프로테아제, 세린 프로테아제, 트레오닌 프로테아제 및 혼합 또는 알려지지 않은 촉매 메커니즘. 여기에서 우리는 세린 프로테아제 계열의 반응 메커니즘과 서열 특이성을 탐구할 것입니다.

세린 프로테아제의 목록은 상당히 깁니다. 그들은 1) 키모트립신과 유사한 것과 2) 서브틸리신과 같은 두 가지 광범위한 범주로 분류됩니다. subtilisin-type과 chymotrypsin-like enzymes는 촉매 triad를 포함하여 동일한 작용 기전을 사용하지만, 효소들은 순서에 의해 서로 관련이 없으며 독립적으로 진화한 것으로 보입니다(그림 7.17). 따라서 그들은 다음의 예입니다. 수렴 진화 서로 다른 형태의 진화가 하나의 구조에 수렴하여 공통 기능을 제공하는 과정입니다.

그림 7.17 세린 프로테아제, 키모트립신 및 서브틸리신의 수렴 진화. 녹색으로 표시된 촉매 트라이어드가 있는 진핵생물, 소 키모트립신(왼쪽 패널)의 결정 구조. 박테리아의 원핵생물 Subtilisin BPN의 결정 구조 고초균 (오른쪽 패널) 볼 및 스틱 모델을 사용하여 표시된 촉매 트라이어드 및 공통 돌연변이. 촉매 트라이어드 형성은 두 구조 사이에서 현저하게 유사하지만 주변 단백질 구조 및 서열은 상동성 또는 관련 조상을 나타내지 않습니다.

Mattyjenjen에서 변형된 소 키모트립신의 이미지와 Romero-Garcia, E.R., et al.의 subtilisin BNP 이미지 (2009) 제이바이오메드바이오텍 2009(1):201075

키모트립신과 같은 세린 프로테아제 효소는 특정 아미노산의 카르복실산 쪽에 있는 펩티드 결합을 절단하고 특이성은 효소의 S1 결합 주머니에 맞는 아미노산 측쇄의 크기/모양/전하로 결정됩니다(그림 7.18). 높은 서열 상동성을 공유하는 3개의 키모트립신 유사 패밀리 구성원은 췌장 소화 효소인 트립신, 키모트립신 및 엘라스타제입니다. 이 효소의 단백질 절단 부위는 다양합니다. 트립신은 리신 및 아르기닌과 같은 염기성 잔기의 카르복시 쪽 단백질을 절단하는 반면 키모트립신은 페닐알라닌, 티로신 및 트립토판과 같은 방향족 소수성 아미노산을 절단하고 Elastase는 글리신, 알라닌과 같은 작은 소수성 잔기를 절단합니다. 그리고 발린. 그림 7.18에서 볼 수 있듯이 이러한 프로테아제의 결합 포켓 내 아미노산 잔기의 변형은 기질과 정전기적 상호작용을 가능하게 하고 서열 특이성을 결정합니다.

그림 7.18 트립신, 키모트립신 및 엘라스타제의 기질 특이성. NS 상부 패널 S1 기질 결합 포켓이 표시된 Trypsin, Chymotrypsin 및 Elastase의 공간 충전 결정 구조를 각각 보여줍니다. NS 하부 패널 표시된 중요한 아미노산 R-그룹과 함께 각 프로테아제의 S1 결합 도메인을 더 자세히 묘사합니다. 트립신의 경우, S1 포켓의 하부에 있는 아스파르트산염 잔류물은 기질의 염기성 잔류물과 정전기적 상호작용을 돕습니다. 키모트립신 S1 결합 포켓은 본질적으로 기질의 방향족 잔기를 수용하는 크고 소수성인 반면, Elastase S1 결합 포켓은 작고 소수성이어서 다른 작고 소수성인 R-그룹만 이 위치에 도킹할 수 있습니다.

세린 프로테아제는 반응 주기 동안 4가지 주요 촉매 메커니즘인 산-염기 촉매, 공유 촉매, 정전기 상호작용 및 탈용매화를 사용합니다. 세린 프로테아제의 활성 부위는 His, Ser(따라서 이름 “세린 프로테아제”) 및 Asp의 3가지 아미노산의 촉매 삼합체를 포함합니다. 이 세 가지 주요 아미노산은 각각 프로테아제의 절단 능력에 필수적인 역할을 합니다. 트라이어드의 아미노산 구성원은 단백질의 1차 서열에서 서로 멀리 떨어져 있지만 접힘으로 인해 효소의 심장부에서는 서로 매우 가깝습니다.

촉매 작용 중에 여러 중간체가 생성되는 질서 있는 메커니즘이 발생합니다. 펩티드 절단의 촉매 작용은 다음과 같이 볼 수 있습니다. 탁구 촉매, 기질이 결합하면(이 경우 폴리펩타이드가 절단됨) 생성물이 방출되고(펩타이드의 N-말단 “half”), 또 다른 기질이 결합하고(이 경우에는 물), 또 다른 생성물 방출된다(펩티드의 C-말단 “half”). 그림 7.19는 촉매 과정을 자세히 설명합니다.

1~2단계에서 폴리펩타이드 기질은 활성 부위에 들어가 세린 잔기를 통해 활성 부위 근처에 정확한 방향으로 위치한다. 정전기 상호작용 S1 바인딩 포켓에. 기질의 카르보닐 탄소는 활성 부위 세린 잔기 근처에 위치한다. 세린 알코올의 수소는 촉매 히스티딘 잔기에 의해 추출됩니다. 산-염기 촉매.이것은 활성 부위인 아스파르테이트 잔류물의 작용에 의해 가능합니다. 이 경우 아스파테이트 잔기는 히스티딘에서 양성자를 추출하여 히스티딘이 세린 알코올에서 양성자를 제거할 수 있도록 합니다. 일반적으로 이것은 aspartate가 할 수 있는 이상한 일입니다. pKa 아스파테이트의 R-기의 비율은 수성 환경 내에서 히스티딘의 R-기보다 훨씬 낮습니다. 그러나, 펩타이드 기질이 효소의 활성 부위에 도킹할 때, 이것은 탈용매화프로세스, 소수성 미세 환경을 만듭니다. 이는 효과적으로 pKa 아스파테이트의 비하전 또는 양성자화된 형태의 잔류물을 선호하여 히스티딘에서 양성자 추출을 유발합니다.

2~3단계에서 공유 촉매 활성 부위 세린이 기질의 카르보닐 탄소에 대한 친핵성 공격을 매개하여 사면체 옥시음이온 중간체를 형성함에 따라 활성화됩니다. 그런 다음 경로의 옥시음이온 중간체는 옥시음이온 구멍으로 알려진 프로테아제 영역과의 정전기적 상호작용에 의해 안정화됩니다. 여기서 산소음이온의 음전하는 다음과 같이 안정화됩니다. 정전기 상호작용 프로테아제 백본에서 아미드 질소로. 카르보닐 이중 결합을 재형성하기 위한 산소음이온의 재결합은 펩타이드 결합의 절단으로 이어진다. 그러면 단백질의 C-말단 부분이 효소의 활성 부위를 떠날 수 있습니다.

일단 C-말단 펩타이드가 활성 부위를 떠나면 5-6단계에서 볼 수 있듯이 물이 활성 부위에 들어가 재수화될 수 있습니다. 물 분자는 여전히 결합되어 있는 N-말단 펩타이드의 카르보닐 탄소에 근접하게 배향됩니다 활성 부위 세린 잔기. 물의 산소는 친핵체로 작용하여 카르보닐 탄소를 공격하여 정전기 상호작용 산소음이온 구멍. 이 옥시음이온이 카르보닐을 재형성하기 위해 반발할 때, 세린 잔기는 이탈기로 작용하고 N-말단 펩타이드가 효소로부터 방출된다. 활성 부위에 물이 존재하면 세린 잔기와 히스티딘 및 아스파라긴산 잔기의 천연 상태가 재설정됩니다.

전반적으로 트라이어드의 각 아미노산은 이 과정에서 특정 작업을 수행합니다.

  • 세린은 친핵체로 작용할 수 있는 -OH 기를 가지고 있어 기질의 분열성 펩타이드 결합의 카르보닐 탄소를 공격합니다.공유 촉매).
  • 히스티딘 질소에 있는 한 쌍의 전자는 세린 -OH 그룹에서 수소를 받아들이는 능력을 가지고 있어 펩티드 결합의 공격을 조정합니다.산/염기 촉매).
  • 아스파르트산의 카르복실기는 차례로 히스티딘과 배위하여 위에서 언급한 질소 원자를 다음의 과정을 통해 훨씬 더 전기음성적으로 만듭니다. 탈용매화.

정전기 상호작용 (1) S1 결합 포켓의 기질에 결합하고 (2) 전이 상태 산소 음이온을 안정화하고 (3) 효소 결합 중간체에 대한 친핵성 공격을 매개하기 위해 물 분자를 조정하는 데 중요합니다.

그림 7.19 키모트립신 유사 프로테아제의 반응 메커니즘. 반응 메커니즘은 8단계 프로세스로 세분화되었습니다. 단계 1-3에서 단백질 기질은 프로테아제와 결합하고 기질의 카르보닐 탄소를 활성 부위 세린 잔기에 근접하게 배치하도록 배향된다. 산-염기 촉매작용은 단백질 기질에 대한 친핵성 공격을 매개하는 세린 잔기의 활성화를 가능하게 한다. 3 및 4에 나타낸 공유 산소음이온 중간체는 산소음이온 구멍에 의해 안정화된다. 카르보닐기를 재형성하기 위한 전자의 반발은 펩타이드 결합의 절단을 야기하고 활성 부위에서 펩타이드의 C-말단 부분을 제거한다(5). 물은 활성 부위로 들어가고 카르보닐 탄소에 대한 친핵성 공격을 매개한다 6과 7과 같이 효소-기질 중간체의 중간체이다. 카르보닐 결합이 재형성됨에 따라 세린은 이탈기로 작용하고 N-말단 펩타이드는 효소로부터 방출된다. 효소 활성 부위의 촉매 트라이어드(catalytic triad)가 회복되고 효소는 8에서와 같이 또 다른 촉매 활성 라운드를 위해 재설정됩니다.

아데닐산 키나제

아데닐산 키나제 (또한 ~으로 알려진 또는 미오키나제)은 아데닌 뉴클레오티드(ATP, ADP 및 AMP)의 상호전환을 촉매하는 포스포트랜스퍼라제 효소입니다. 세포 내부의 인산 뉴클레오티드 수준을 지속적으로 모니터링함으로써 AK 효소는 세포 에너지 항상성에 중요한 역할을 합니다. 이 효소 부류에 의해 매개되는 기본 화학 반응은 2개의 ADP 분자가 1개의 ATP와 1개의 AMP로 전환되는 것입니다(그림 7.20A). 역반응은 또한 다양한 인산화 상태의 세포 농도를 기반으로 평형을 형성하여 발생할 수 있습니다.

현재까지 9개의 인간 AK 단백질 동형이 확인되었습니다. 이들 중 일부는 몸 전체에 편재되어 있지만 일부는 특정 조직에 국한되어 있습니다. 예를 들어, AK7과 AK8은 모두 세포의 세포질에서만 발견되고 AK7은 골격근에서 발견되지만 AK8은 그렇지 않습니다. 세포 내 다양한 ​​동형의 위치가 다를 뿐만 아니라 기질과 효소의 결합 및 인산 전달의 동역학도 다릅니다. 가장 풍부한 세포질 AK 동종효소인 AK1은 K를 가지고 있습니다.미디엄 K보다 약 1000배 높다.미디엄 AK7과 8의 결합은 AMP에 대한 AK1의 훨씬 약한 결합을 나타냅니다. AK 효소의 세포내 국소화는 단백질에서 발견되는 독특한 표적 서열에 의해 수행됩니다. 각 isoform은 NTP’에 대한 선호도가 다릅니다. 일부는 ATP만 사용하는 반면 다른 일부는 GTP, UTP 및 CTP를 인산 운반체로 받아들입니다.

AK 효소는 뉴클레오타이드 농도 조절에 관여할 수 있으며 그림 7.20B에서 볼 수 있듯이 세포와 아데닌 뉴클레오타이드의 미토콘드리아 풀 사이에서 중계 시스템 역할을 할 수 있습니다. AK 효소는 또한 세포 내 에너지 부하에 대한 센서 역할을 할 수 있으며 에너지 수준이 낮을 때 세포 내에서 AMP 민감성 시스템의 활성화로 이어질 수 있습니다(그림 7.20C).

그림 7.20. 아데닐산 키나제(AK) 효소 활성. (A) AMP 키나제의 기본 반응. (B) AK 효소의 반응은 세포질과 미토콘드리아를 포함하여 세포의 다른 영역 사이에 신호 및 통신을 제공하는 연쇄 메커니즘에서 작동할 수 있으며, (C) AK 효소는 종종 에너지 부하의 대사 모니터로 사용되어 다운스트림 효소의 활성화 또는 억제.

AK 반응 중 인산 전달은 효소의 ‘open lid’ 구조가 근사에 의한 촉매 메커니즘(그림 7.21 및 7.22). 이것은 기질을 서로 근접하게 하고 AMP의 α-포스포릴에 대한 ATP의 γ-포스포릴 그룹에 의한 친핵성 공격에 대한 에너지 장벽을 효과적으로 낮추는 물 분자의 배제를 유발합니다. AK 효소의 결정 구조에서 대장균 억제제 Ap5A(그림 7.21C)와 함께 Arg88 잔기는 다음을 통해 α-포스페이트 그룹에서 Ap5A를 조정합니다. 정전기 상호작용. Arg88의 Gly(R88G)로의 돌연변이는 이 효소의 촉매 활성의 99% 손실을 초래하는 것으로 나타났으며, 이는 이 잔기가 인산 전달에 밀접하게 관련되어 있음을 시사합니다. 고도로 보존된 또 다른 잔기는 AK의 아데노신 결합 영역에 있는 Arg119이며 활성 부위에 아데닌을 끼우는 역할을 합니다. 다른 NTP’을 수용할 때 이들 효소의 난잡함은 ATP 결합 주머니에 있는 염기의 상대적으로 중요하지 않은 상호작용 때문이라고 제안되었습니다. 양성의 보존된 잔기 네트워크(AK의 Lys13, Arg123, Arg156 및 Arg167 대장균) 전달 동안 포스포릴 그룹의 음전하 축적을 안정화합니다. 두 개의 말단 아스파테이트 잔기가 아르기닌 네트워크에 결합하여 효소가 접혀 유연성을 감소시킵니다. NS 마그네슘보조 인자 이 마그네슘 이온은 정전기적 상호작용에 의해서만 활성 주머니에 유지되고 쉽게 해리되지만 AMP에서 인산염의 친전자성을 증가시키는 데 필수적입니다.

유연성과 가소성은 단백질이 리간드에 결합하고, 올리고머를 형성하고, 응집하고, 기계적 작업을 수행하도록 합니다. 단백질의 큰 형태 변화는 세포 신호 전달에서 중요한 역할을 합니다. AK는 신호 전달 단백질로 작용하므로 구조 간의 균형이 단백질 활성을 조절합니다. AK는 기질 결합 시 ‘폐쇄’ 및 생물학적 활성 구조로 유도되는 ‘개방’ 구조(그림 7.21A)를 가지고 있습니다.

그림 7.21 Adenylate Kinase 효소의 결정 구조. 열린 상태(A, PDB ID: 4AKE)와 닫힌 상태(B, PDB ID: 1AKE)의 구조. LID 및 NMP 도메인은 각각 빨간색과 주황색으로 표시됩니다. CORE 도메인과 나머지 단백질은 파란색으로 표시됩니다. (C) 만화에서 AK 효소 골격을 보여주는 PDB 이미지 3HPQ와 주요 잔류물을 막대기로 표시하고, 대장균 Ap5A 억제제로 결정화된 AK 효소.

두 개의 하위 도메인(LID 및 NMP)은 기질 결합에 따라 서로 독립적으로 접히고 펼칠 수 있습니다. 기질 결합은 단백질 구조에서 부분적으로 폐쇄되거나 완전히 폐쇄된 구조로의 지역적 이동을 유도합니다. 완전히 닫힌 형태는 인산 전달을 위한 기질의 정렬을 최적화하고 ATP의 낭비적인 가수분해를 방지하기 위해 활성 부위에서 물을 제거하는 데 도움이 됩니다.

그림 7.22 구조적 전이 경로 및 AK의 제안된 촉매 메커니즘. 모델 에이, 개방형 구조의 기질이 없는 AK. 모델 b, 닫힌 LID 도메인이 있는 ADK의 ATP 결합 형태. 모델 c, ATP 및 AMP 결합 형태의 AK가 닫힌 형태를 가집니다. 모델 d, 닫힌 형태를 가진 2개의 ADP 결합 형태의 AK. 모델 e, 폐쇄된 NMP 도메인을 가진 AK의 ADP 결합 형태.

제한 엔도뉴클레아제

NS 제한효소, 제한 엔도뉴클레아제, 또는 제한하다제한 부위로 알려진 분자 내의 특정 인식 부위 또는 그 근처에서 DNA를 단편으로 절단하는 효소입니다. 제한 효소는 더 넓은 엔도뉴클레아제 그룹의 효소 중 하나입니다. 제한효소는 일반적으로 구조가 다르고 인식 부위에서 DNA 기질을 절단하는지 여부 또는 인식 및 절단 부위가 서로 분리되어 있는지 여부에 따라 5가지 유형으로 분류됩니다. DNA를 절단하기 위해 모든 제한 효소는 DNA 이중 나선의 각 당-인산염 백본(즉, 각 가닥)을 통해 한 번씩 두 개의 절개를 합니다. 여기에서는 분자 생물학 및 생명 공학 응용 분야에서 일상적으로 사용되는 유형 II 제한 효소에 중점을 둘 것입니다.

다른 종류의 제한 효소와 마찬가지로 유형 II 제한 효소는 주로 박테리아와 고세균(원핵생물)과 같은 단세포 미생물 형태에서만 발생하며 주로 바이러스 및 기타 감염성 DNA 분자로부터 이러한 세포를 보호하는 기능을 하는 것으로 생각됩니다. 원핵생물 내부에서 제한효소가 선택적으로 절단 외국의 DNA라고 불리는 과정에서 제한 소화 한편, 숙주 DNA는 원핵 DNA를 수정하고 절단을 차단하는 수정 효소(메틸트랜스퍼라제)에 의해 보호됩니다. 이 두 가지 과정을 함께하면 제한 수정 시스템.

유형 II 제한 효소가 발견된 첫 번째 유형은 박테리아의 HindII였습니다. 헤모필루스 인플루엔자 로드 이 사건은 Hamilton Smith(그림 7.23)가 1978년 12월 8일 노벨상 강연에서 다음과 같이 설명했습니다.

“그런 실험 중 하나에서 우리는 우연히 내가 홉킨스에 ​​오기 전에 몇 년 동안 작업했던 박테리아 바이러스인 파지 P22의 표지된 DNA를 사용했습니다. 놀랍게도 우리는 세포에서 외래 DNA를 회수할 수 없었습니다. Meselson의 최근 보고서를 염두에 두고 우리는 그것이 제한을 받고 있을지도 모른다고 즉시 의심했고 점도 측정에 대한 우리의 경험은 이것이 그러한 활동에 대한 좋은 분석이 될 것이라고 말했습니다. 다음 날, 두 개의 점도계가 설치되었는데 하나는 P22 DNA를 포함하고 다른 하나는 헤모필루스 DNA. 세포 추출물이 각각에 추가되었고 우리는 빠르게 측정을 시작했습니다. 실험이 진행됨에 따라 우리는 점도가 높아짐에 따라 점점 더 흥분하게 되었습니다. NS 헤모필루스 P22 DNA 점도가 떨어지는 동안 DNA는 안정적으로 유지되었습니다. 우리는 새롭고 매우 활성적인 제한 효소를 발견했다고 확신했습니다. 또한, 보조 인자로 Mg 2+ 만 필요한 것으로 나타났습니다. 그것보다 더 간단한 효소로 판명될 것입니다. 대장균 K 또는 B.

우리의 힘들지만 민감한 점도계 분석으로 몇 차례 잘못된 시작과 지루한 시간을 보낸 후 Wilcox와 저는 제한 효소의 정제된 제제를 얻는 데 성공했습니다. 우리는 다음으로 정제된 효소가 선택적으로 분해된다는 것을 보여주기 위해 자당 구배 원심분리를 사용했습니다. 단일 가닥이 아닌 이중 가닥의 P22 DNA를 평균 길이가 약 100bp인 단편으로 헤모필루스 동일한 반응 혼합물에 존재하는 DNA는 손상되지 않았습니다. 반응 동안 유리 뉴클레오타이드가 방출되지 않았으며, 우리는 DNA 제품의 흠집을 감지합니다. 따라서 효소는 이중 가닥 절단을 생성하고 외래 DNA에 특이적인 엔도뉴클레아제임이 분명했습니다. 외래 DNA의 최종(한계) 소화 산물이 크게 남아 있기 때문에 분열은 부위에 따라 달라야 한다고 생각했습니다. 이것은 사실로 판명되었고 우리는 분열 단편의 말단을 시퀀싱함으로써 직접 증명할 수 있었습니다.'

그림 7.23. 1978년 10월 12일 노벨상 기자 회견에서 해밀턴 스미스와 다니엘 네이선스 (Susie Fitzhugh의 허가를 받아 복제). 원본 저장소: Alan Mason Chesney 의료 기록 보관소, Daniel Nathans 컬렉션.

제한 효소는 발견된 유기체의 분류에 따라 명명됩니다. 효소의 첫 번째 문자는 유기체의 속을 나타내고 두 번째와 세 번째 문자는 종을 나타냅니다. 그 뒤에 격리를 식별하는 문자 및/또는 숫자가 옵니다. 로마 숫자는 동일한 유기체에서 다른 효소를 지정하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 효소 'HindIII'은 다음에서 발견되었습니다. 헤모필루스 인플루엔자, 혈청형 ​​d는 이 박테리아 내에 존재하는 HindI 및 HindII 엔도뉴클레아제와 구별됩니다. 제한효소에 수반되는 DNA-메틸트랜스퍼라제(MTases)는 같은 방식으로 명명되고 접두사 'M.'이 부여됩니다. MTase가 2개 이상인 경우, 분리된 단백질이면 'M1.', 'M2.' 등으로 접두사를 붙이고, 결합될 때는 'M1∼M2.'로 접두사를 붙입니다.

절단 위치에 관계없이 동일한 DNA 서열을 인식하는 제한 효소 '동분열체' (iso = 동일한 스키조 = 분할). 동질 분열 이성질체 다른 위치에서 동일한 시퀀스를 자르는 것을 더 지칭합니다. '네오시조머' (네오 = 새로운). 동질 분열 이성질체 동일한 위치에서 절단되는 동일한 효소(예: BamHI 및 OkrAI)는 진화적으로 드리프트된 버전인 경우가 많지만 항상 그런 것은 아닙니다. 신생 분열 이성질체, 반면에 진화론적으로 관련이 없는 효소(예: EcoRII 및 MvaI)인 경우가 많습니다.

유형 II 제한 효소는 정의에 따라 인식 서열 내 또는 그에 가까운 고정 위치에서 이중 DNA를 절단하는 공통 능력을 갖는 많은 다른 단백질의 집합체입니다. 이 절단은 재현 가능한 DNA 단편과 예측 가능한 겔 전기영동 패턴을 생성하며, 이러한 특성은 이러한 효소를 실험실 DNA 조작 및 조사에 매우 유용한 시약으로 만듭니다. 거의 모든 유형 II 제한 효소는 촉매 부위의 필수 구성요소로 2가 양이온(보통 Mg 2+ )을 필요로 합니다. 반면에 Ca 2+ 는 종종 II형 제한 효소의 억제제로 작용합니다.

유형 II 제한 효소의 인식 서열은 다음과 같습니다. 회문본질적으로 두 가지 유형의 회문 시퀀스가 ​​있습니다. NS 거울 같은 회문 GTAATG에서와 같이 DNA의 단일 가닥에서 시퀀스가 ​​앞뒤로 동일하게 읽는 일반 텍스트에서 발견되는 것과 유사합니다. NS 역반복 회문 또한 동일한 순방향 및 역방향을 읽는 서열이지만 순방향 및 역방향 서열은 GTATAC(GTATAC은 CATATG에 상보적임)에서와 같이 상보적인 DNA 가닥(즉, 이중 가닥 DNA)에서 발견됩니다. 역반복 회문 보다 일반적이고 생물학적 중요성이 더 큽니다. 거울 같은 회문.회문 서열 내의 절단 위치는 효소에 따라 다를 수 있으며 단일 가닥 돌출 서열(끈끈한 말단) 또는 무딘 말단 DNA 생성물을 생성할 수 있습니다.

EcoRI 제한 효소는 끈적한 말단을 생성합니다.

반면 SmaI 제한 효소 절단은 무딘 말단을 생성합니다.

메틸화는 절단으로부터 자신의 게놈을 보호하기 위해 숙주에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, M.EcoRI 메틸트랜스퍼라제(MTase)에 의한 EcoRI 인식 서열의 메틸화는 서열을 GAATTC에서 GAm6ATTC(m6A = N6-메틸아데닌)로 변경합니다. 이 변형은 EcoRI에 의한 절단으로부터 서열을 완전히 보호합니다.

유형 II 제한 효소는 처음에 DNA와 비특이적으로 결합하고 인식 서열을 찾기 위해 DNA 스캐닝을 진행합니다(그림 7.24). 정확한 회문 서열에 결합하면 효소는 금속 보조인자와 결합하고 다음 메커니즘을 사용하여 DNA의 촉매적 절단을 매개합니다. 변형 왜곡그리고 근사에 의한 촉매.

그림 7.24 유형 II 제한 엔도뉴클레아제에 의한 DNA 인식 및 절단. (A) 특정 결합 부위가 인식될 때까지 DNA를 따라 비특이적으로 스캐닝하는 EcoRV 이량체의 그림 보기. 이것은 금속 보조 인자와 결합하고 DNA의 변형 왜곡을 유발합니다. 포스포디에스테르 결합의 가수분해가 매개되고 DNA 절단 산물이 효소에서 방출됩니다. (B)는 EcoRV DNA 인식 및 절단의 공간 채우기 모델을 보여줍니다.

가수분해효소의 촉매 메커니즘에 관한 가장 중요한 질문 중 하나는 가수분해가 이전에 설명한 프로테아제의 경우와 같이 공유 중간체를 포함하는지 여부입니다. 이것은 반응의 입체화학적 과정을 분석하여 결정할 수 있습니다. 이것은 EcoRI에 대해 먼저 수행되었고 나중에 EcoRV에 대해 수행되었습니다. 두 효소는 공유 효소-DNA 중간체의 형성에 반대하는 인에서 입체 배열의 역전으로 포스포디에스테르 결합을 절단하는 것으로 밝혀졌습니다. 따라서 절단은 그림 7.25에서 볼 수 있듯이 물 분자에 의한 기질의 직접적인 친핵성 공격을 포함한다고 제안됩니다.

그림 7.25 EcoRI 및 EcoRV에 의한 DNA 절단을 위한 일반적인 메커니즘. 활성화된 물 분자는 절단될 포스포디에스테르 결합과 함께 인라인으로 인을 공격하여 배열의 역전을 진행합니다. X, Y 및 Z는 각각 일반 염기, 루이스 산 및 일반 산이다.

유형 II 제한 효소는 일반적으로 BGLII 그림 7.26B에서. BGLII 물에 대한 포스포릴 전달을 통해 DNA 백본에서 포스포디에스테르 결합 절단을 촉매합니다. 제한 효소의 기전에 대한 연구는 각 효소의 실제 기전이 이 일반 기전의 일부 변형일 가능성이 가장 높지만 거의 모든 경우에 사실인 것처럼 보이는 몇 가지 일반적인 특징을 밝혀냈습니다(그림 7.25). 이 메커니즘은 친핵체로 작용하고 포스포디에스테르 결합에서 인을 공격하는 물에서 수산화 이온을 생성하기 위해 염기가 필요합니다. 또한 5배위 전이 상태 인의 추가 음전하를 안정화하기 위한 루이스 산과 이탈기(3'-O - )를 안정화시키는 일반 산 또는 금속 이온이 필요합니다. 일부 유형 II 제한 효소에서는 2개의 2가 금속 보조인자가 필요하지만(예: EcoRV 및 BamHI), 다른 효소는 1개의 2가 금속 보조인자(예: EcoRI 및 BglII에서)만 필요합니다.

엔도뉴클레아제의 구조적 연구는 약한 공통 서열 Glu/Asp-(X) 다음의 잔기를 갖는 활성 부위에 대한 유사한 구조를 밝혀냈습니다.9-20-Glu/Asp/Ser-X-Lys/Glu. BGLII’s 활성 부위는 Asp-(X) 시퀀스를 따르는 다른 엔도뉴클레아제와 유사합니다.9-Glu-X-Gln. 활성 부위에는 Asp-84, Val-94, 인산 산소 및 3개의 물 분자와 상호 작용하는 2가 금속 양이온(대부분 Mg 2+)이 있습니다. 이 물 분자 중 하나는 분열성 인산기에 근접하기 때문에 친핵체로 작용할 수 있습니다(그림 7.26A). 친핵성 물 분자는 Gln-95의 측쇄 아미드 산소와의 수소 결합 및 금속 양이온과의 접촉에 의해 인산기에 공격을 가할 수 있는 위치에 있습니다. 금속 양이온과의 상호 작용은 효과적으로 pK를 낮춥니다.NS, 물의 친핵성을 촉진합니다(그림 7.26A). 가수분해 동안, 2가 양이온은 3′-O– 이탈기를 안정화하고 배위된 물 분자 중 하나로부터 양성자 추출을 조정할 수 있습니다(그림 7.26A).

그림 7.26 유형 II 제한 엔도뉴클레아제에 대한 제안된 반응 메커니즘, BGLⅡ. (A) DNA 기질의 포스포디에스테르 결합에 대한 친핵성 공격을 위한 물 분자를 활성화하고 배치하기 위한 활성 부위 내의 Mg2+ 이온 및 극성 아미노산 잔기의 유용성을 입증하는 촉매 메커니즘의 개략도. (B) 이중 가닥 DNA를 갖는 BglII 이량체의 결정 구조 및 (C) BglII 효소의 활성 부위 내에서 Mg2+ 보조인자의 배위.

리보자임

리보자임 (리보핵산 엔효소s) 단백질 효소의 작용과 유사한 유전자 발현에서 RNA 스플라이싱을 포함하여 특정 생화학적 반응을 촉매하는 능력이 있는 RNA 분자입니다. 1982년에 자기 접합 그룹 I 인트론이 최초로 발견된 촉매 RNA로 보고되었습니다. 섬모 원생 동물에 설명되어 있습니다. 테트라히메나 써모필라 1989년 노벨 화학상을 수상한 Sidney Altman과 Thomas Czech. 유사한 인트론이 일부 원핵 생물 게놈과 다양한 진핵 생물의 미토콘드리아 및 엽록체 DNA에서 발견될 수 있습니다. 발견된 리보자임의 두 번째 예는 tRNA 성숙에 관여하는 RNAse P로, 이는 원핵생물과 진핵생물 모두에서 중요한 생물학적 역할과 도처에서 발생합니다. 세 번째로 보고된 촉매 RNA는 작은 리보자임(

50 nt), 자가 절단 해머헤드 리보자임(HHR)은 바이러스 위성 RNA 및 바이로이드와 같은 작은 원형 RNA(circRNA) 게놈을 가진 비정형 식물 병원체 그룹에서 발견되었습니다. 그 이후로 현존하는 생물학의 중심 화학 반응인 펩티드 결합 형성을 촉매하는 단일 촉매 RNA인 리보솜을 포함하여 천연 또는 인공 리보자임의 몇 가지 예가 더 발견되었습니다. 이 풍경은 최초의 자가 복제 유기체가 유전 물질이자 촉매로서 RNA를 기반으로 하는 프리바이오틱 RNA 세계의 가설을 강력하게 뒷받침합니다. 현대의 단백질은 이러한 고대 촉매 RNA의 대부분을 대체했을 것이지만, 그 중 일부는 다른 기능을 수행하는 현재 유기체에 남아 있습니다. 알려진 모든 리보자임 중에는 매우 서열 특이적 방식으로 간단한 분자내 트랜스에스테르화를 촉매하는 작은(<200nt) 자가 절단 RNA의 수수께끼 같은 패밀리가 있습니다. RNA에서 자발적으로 발생할 수 있는 이 반응은 S에 의해 시작됩니다.N인접한 3'-인산에 대한 2'-산소의 2-유사 친핵성 공격으로 인해 포스포디에스테르 결합이 절단되어 2'-3'-고리 포스페이트와 5'-히드록실 RNA 산물이 형성됩니다(그림 7.27A). .

그림 7.27 귀상어 리보자임. (NS) RNA에서 내부 에스테르 교환 반응의 메커니즘. 절단 반응은 2'의 하이드록실 부분이 3'의 인산염 그룹으로 공격한 후 이중 피라미드 전이 상태로 진행됩니다. 절단 생성물은 5' RNA 생성물에서 2'-3'-고리 포스페이트이고 3' RNA 생성물에서 5'-히드록실이다(NS) 귀상어 리보자임의 다이어그램. 블랙 박스는 촉매 코어에서 고도로 보존된 뉴클레오티드를 나타냅니다. (의 2차 구조) 귀상어 리보자임의 3차원 구조.

RNAse A와 같은 리보뉴클레아제 단백질과 유사하게 작은 자가 절단 리보자임은 인라인 원자 배향, 정전기 중화 및 일반 산-염기 촉매와 같은 다양한 촉매 전략을 통해 바이피라미드 옥시포스포란 전이 상태의 형성을 안정화합니다. 이러한 방식으로, nucleolytic ribozymes는 단백질 대응물보다 몇 배 느린 속도로 RNA 절단을 촉매할 수 있습니다. 자연적으로 발생하는 작은 자체 절단 리보자임의 최소 9가지 클래스가 지금까지 설명되었습니다. 귀상어(그림 7.27C), 머리핀, 인간 δ형 간염, Varkud-위성, GlmS, 트위스터, 트위스터 자매, 도끼 및 권총 리보자임입니다. HHR은 30년 전에 발견된 이후 구조, 생화학적 및 생물학적 연구를 위한 모델 리보자임으로 광범위하게 사용되었습니다. 그것은 3개의 이중 나선(I에서 III)으로 둘러싸인 15개의 고도로 보존된 뉴클레오티드로 구성된 촉매 중심으로 구성되어 있으며, 이는 귀상어 머리 모양과 유사한 2차 구조를 채택합니다. 끝이 열린 나선에 따라 유형 I, II 또는 III으로 명명된 세 가지 가능한 순환 순열 형태가 있습니다(그림 7.27B). HHR 모티프는 헤어핀 및 Hepatitis-δ와 같은 다른 작은 리보자임과 마찬가지로 역사적으로 서브바이러스 원형 RNA 게놈의 생물학적 특성으로 간주되어 왔습니다. 그러나 이제 우리는 HHR과 같은 작은 촉매 RNA가 우리 자신의 게놈을 포함하여 박테리아에서 진핵생물에 이르는 DNA 게놈에서 수없이 발생할 수 있음을 알고 있으며, 이제 막 인식하기 시작한 다양한 생물학적 기능을 수행합니다.

리보솜은 또한 단백질 합성 동안 아미드 결합의 형성을 매개하는 리보자임으로도 기능합니다. mRNA 주형으로부터의 단백질 합성은 단백질과 리보솜 RNA(rRNA)로 구성된 나노머신인 리보솜에서 발생합니다. 리보솜은 단백질과 rRNA 분자가 결합된 두 개의 매우 큰 구조 단위로 구성됩니다(그림 7.28). 더 작은 단위(박테리아 및 진핵생물에서 각각 30S 및 40S로 명명됨)는 mRNA의 삼중항 코돈과 다른 작은 어댑터 RNA, 전달 또는 tRNA의 정확한 염기 쌍을 조정하여 공유 연결된 아미노산을 해당 부위로 가져옵니다.

그림 7.28 리보솜의 작은 소단위체 테르무스 써모필루스. 16S 리보솜 RNA는 파란색으로 부착된 리보솜 단백질과 함께 주황색으로 표시됩니다.

펩티드 결합 형성은 다른 tRNA-아미노산 분자가 mRNA의 인접한 코돈에 결합할 때 발생합니다. tRNA는 일부 내부 가닥 H-결합 2차 구조를 갖는 클로버잎 3차 구조를 갖는다. tRNA의 3′ 말단에 있는 마지막 3개의 뉴클레오티드는 CpCpA입니다. 아미노산은 단백질 효소인 aminoacyl-tRNA synthetase에 의해 A 말단의 3’OH 말단에 에스테르화된다.

디펩티드를 형성하는 두 번째 아미노산과 첫 번째 아미노산 사이의 공유 아미드 결합 형성은 더 큰 리보솜 서브유닛(박테리아 및 진핵생물에서 각각 50S 및 60S)에 위치한 펩티딜 트랜스퍼라제 중심에서 발생합니다. 리보솜은 mRNA를 아래로 끌어내리므로 dipeptide-tRNA는 이제 P 또는 Peptide 부위에 있고 A 또는 Amino 부위에서 새로운 tRNA-아미노산을 기다립니다. 그림 7.29는 30S 서브유닛에 결합된 mRNA와 각각 A 및 P 부위의 아미노산(또는 성장하는 펩타이드)에 공유적으로 부착된 tRNA가 있는 리보솜의 개략도를 보여줍니다.

그림 7.29 박테리아 리보솜의 도식적 표현. 리보솜의 50대(노란색) 및 30대(파란색) 소단위는 단백질과 rRNA로 구성됩니다. mRNA(빨간색 선형 가닥)는 30s 서브유닛에 도킹되어 표시됩니다. P 및 A 사이트는 tRNA 분자(녹색 및 빨간색)로 채워져 있습니다.

P-site tRNA의 성장하는 펩타이드와 A-site tRNA의 아미노산 사이의 아미드 결합 형성에 대한 가능한 메커니즘은 결합된 기질과 전이 상태 유사체가 있는 결정 구조에서 파생되었으며 그림 7.30에 나와 있습니다. 일반적인 산/염기 촉매 작용에 참여할 수 있는 아미노산을 제공하기에 충분한 펩티딜 전이효소 중심에 근접한 리보솜 단백질이 없기 때문에 촉매 작용에는 리보솜 단백질(표시되지 않음)이 포함되지 않습니다. 따라서 rRNA는 효소(즉, 리보자임)로 작용해야 합니다. 처음에는 pKa가 교란된 근위 아데노신이 생리학적 pH에서 양성자화/탈양성자화되어 반응에서 일반적인 산/염기로 작용할 수 있다고 생각되었습니다. 그러나 아무 것도 발견되지 않았습니다. 친전자성 탄소 공격 부위에서 산소음이온 전이 상태를 안정화하는 가장 가능성 있는 메커니즘은 rRNA의 우라실 2584에 대한 H-결합에 의해 산소음이온 구멍에 위치하는 정확하게 위치한 물입니다. 분열 메커니즘은 그림 7.30과 같이 일치된 proton shuffle을 포함합니다. 이 메커니즘에서 기질(Peptide-tRNA)은 2’OH가 단백질 셔틀 메커니즘을 시작하는 위치에 있다는 점에서 자체 절단을 돕습니다. (P-site tRNA로부터 완전히 연장된 단백질의 가수분해를 촉진하기 위해 유사한 메커니즘이 발생할 수 있습니다.) 물론 이 모든 것은 기질의 완벽한 위치 지정을 필요로 하며 어떤 효소가 가장 잘 하는 것이 아닙니까? 리보솜(리보자임으로서)에 의한 펩타이드 결합 형성의 촉매 작용을 위한 주요 메커니즘은 분자내 촉매 작용 및 적절하게 위치된 물 분자에 의한 전이 상태 안정화입니다.

그림 7.30 펩티드 결합 형성 메커니즘. 펩티드 결합 형성은 산소음이온 구멍 내에서 조정된 물 분자에 의해 안정화되는 양성자 셔틀 메커니즘에 의해 매개될 가능성이 있습니다.

진핵생물 리보솜의 결정 구조가 최근에 발표되었습니다(Ben-Shem et al). 그것은 약 3吆 6 달톤의 질량을 가진 원핵생물보다 훨씬 더 큽니다(40%). 40S 소단위체에는 1개의 rRNA 사슬(18S)과 33개의 관련 단백질이 있는 반면, 더 큰 60S 소단위체에는 3개의 rRNA 사슬(25S, 5.8S 및 5S)과 46개의 관련 단백질이 있습니다. 진핵생물 리보솜의 크기가 클수록 세포 단백질과 더 많은 상호작용을 촉진하고 세포 사건의 더 큰 조절을 촉진합니다. rRNA와 단백질 상호작용을 보여주는 진핵생물 80S 리보솜의 구조가 그림 7.31에 나와 있습니다.

그림 7.31 진핵생물 80S 리보솜. 40S 서브유닛은 왼쪽에, 60S 서브유닛은 오른쪽에 있습니다. 리보솜 RNA(rRNA) 코어는 회색 튜브로 표시되고 확장 세그먼트는 빨간색으로 표시됩니다. 보편적으로 보존된 단백질은 파란색으로 표시됩니다. 이 단백질은 진핵생물, 고세균 및 박테리아에 상동체를 가지고 있습니다. 진핵생물과 고세균 사이에서만 공유되는 단백질은 주황색으로 표시되고, 진핵생물에 특정한 단백질은 빨간색으로 표시됩니다. 3U5B, 3U5C, 3U5D, 3U5E에 맞춰 정렬된 PDB 식별자 4a17, 4A19, 2XZM


효소 조절을 통한 대사 조절

세포는 효소를 억제하거나 활성화하여 생화학적 과정을 조절합니다.

학습 목표

화학 평형에 대한 효소의 영향을 설명하십시오.

주요 내용

키 포인트

  • 경쟁적 억제에서 억제제 분자는 효소의 활성 부위에 결합하여 기질과 경쟁하여 기질이 차단됩니다.
  • 비경쟁적 억제(알로스테릭 억제라고도 함)에서 억제제가 알로스테릭 부위에 결합하면 기질은 여전히 ​​효소에 결합할 수 있지만 효소는 더 이상 반응을 촉매할 최적의 위치에 있지 않습니다.
  • 알로스테릭 억제제는 활성 부위의 모양을 변화시키고 기질에 대한 효소 활성 부위의 친화도를 감소시키는 구조적 변화를 유도합니다.
  • 알로스테릭 활성제는 활성 부위의 모양을 변화시키고 기질에 대한 효소 활성 부위의 친화도를 증가시키는 구조적 변화를 유도합니다.
  • 피드백 억제는 자신의 추가 생산을 조절하기 위해 반응 생성물을 사용하는 것을 포함합니다.
  • 무기 보조인자와 유기 보조효소는 최적의 효소 방향과 기능을 촉진합니다.
  • 비타민은 조효소(또는 조효소의 전구체)로 작용하며 효소가 기능하는 데 필요합니다.

핵심 용어

  • 코엔자임: 효소가 기능하는 데 필요한 유기 분자.
  • 알로스테릭 사이트: 효소의 활성부위 이외의 부위.
  • 보조 인자: 효소가 기능하는 데 필요한 무기 분자.

효소 조절을 통한 대사 조절

세포의 필요와 조건은 세포마다 다르며 시간이 지남에 따라 개별 세포 내에서도 변합니다. 예를 들어, 위 세포는 피부 세포, 지방 저장 세포, 혈구 또는 신경 세포와 다른 양의 에너지를 필요로 합니다. 같은 위 세포도 식사 직후에는 더 많은 에너지가 필요하고 식사 사이에는 더 적은 에너지가 필요할 수 있습니다.

세포의 기능은 수행할 수 있는 화학 반응에 의해 캡슐화됩니다. 효소는 세포에서 화학 반응의 활성화 에너지를 낮추고 세포 기능에 특정한 반응을 촉진합니다. 효소는 궁극적으로 세포가 수행할 수 있는 화학 반응과 진행 속도를 결정하기 때문에 세포 기능의 핵심입니다.

경쟁 및 비경쟁 금지

세포는 특정 화학 반응을 촉진하거나 억제하기 위해 특정 분자를 사용하여 효소를 조절합니다. 때로는 반응 속도를 줄이기 위해 효소를 억제할 필요가 있으며 이러한 억제가 발생하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 경쟁적 억제에서 억제제 분자는 효소의 활성 부위에 결합하여 기질에 결합하는 것을 막을 수 있는 기질과 충분히 유사합니다. 기질과 경쟁하여 효소에 결합합니다.

비경쟁적 억제에서 억제제 분자는 활성 부위(알로스테릭 부위) 이외의 위치에서 효소에 결합합니다. 기질은 여전히 ​​효소에 결합할 수 있지만 억제제는 효소의 모양을 변경하여 더 이상 반응을 촉매할 최적의 위치에 있지 않습니다.

효소 억제: 경쟁적 억제와 비경쟁적 억제는 반응 속도에 다르게 영향을 미칩니다. 경쟁적 억제제는 초기 속도에 영향을 주지만 최대 속도에는 영향을 미치지 않는 반면 비경쟁적 억제제는 최대 속도에 영향을 줍니다.

알로스테릭 억제 및 활성화

비경쟁적 알로스테릭 억제에서 억제제 분자는 알로스테릭 부위에서 효소에 결합합니다. 이들의 결합은 기질에 대한 효소 활성 부위의 친화도를 감소시키는 구조적 변화를 유도합니다. 이 알로스테릭 억제제의 결합은 효소의 형태와 활성 부위를 변화시켜 기질이 결합할 수 없습니다. 이것은 효소가 반응의 활성화 에너지를 낮추는 것을 방지하고 반응 속도를 감소시킵니다.

그러나 알로스테릭 억제제가 알로스테릭 부위에 결합하는 유일한 분자는 아닙니다. 알로스테릭 활성제는 반응 속도를 증가시킬 수 있습니다. 그들은 구조적 변화를 유도하는 알로스테릭 부위에 결합하여 증가 기질에 대한 효소 활성 부위의 친화력. 이것은 반응 속도를 증가시킵니다.

알로스테릭 억제제 및 활성제: 알로스테릭 억제제는 효소의 활성 부위를 변형시켜 기질 결합을 줄이거나 방지합니다. 대조적으로, 알로스테릭 활성제는 기질에 대한 친화력이 증가하도록 효소의 활성 부위를 수정합니다.

보조인자 및 보조효소

많은 효소는 보조인자 및 보조효소라고 하는 비단백질 보조 분자에 결합된 경우에만 작동합니다. 이들 분자에 대한 결합은 각각의 효소에 대한 최적의 형태와 기능을 촉진합니다. 이 분자는 이온 또는 수소 결합을 통해 일시적으로 결합하거나 더 강한 공유 결합을 통해 영구적으로 결합합니다.

보조인자는 철(Fe 2+ ) 및 마그네슘(Mg 2+ )과 같은 무기 이온입니다. 예를 들어, DNA 중합효소는 DNA 분자를 만들기 위해 아연 이온(Zn 2+ )이 필요합니다. 조효소는 탄소와 수소로 구성된 기본 원자 구조를 가진 유기 보조 분자입니다. 가장 흔한 조효소는 식이 비타민입니다. 비타민 C는 결합 조직의 중요한 구성 요소인 콜라겐 생성에 참여하는 여러 효소의 조효소입니다. 피루브산 탈수소효소는 화학 반응을 촉매하기 위해 1개의 보조인자와 5개의 다른 유기 보조효소를 필요로 하는 여러 효소의 복합체입니다. 다양한 보조인자와 보조효소의 가용성은 효소 기능을 조절합니다.

비타민: 비타민은 중요한 조효소 또는 조효소의 전구체이며 효소가 제대로 기능하기 위해 필요합니다. 종합 비타민 캡슐에는 일반적으로 모든 비타민이 다른 비율로 혼합되어 있습니다.

효소 구획화

진핵 세포에서 효소와 같은 분자는 일반적으로 다른 소기관으로 구획화됩니다. 이 조직은 특정 세포 과정이 별도의 소기관에 포함되어 있기 때문에 효소 조절에 기여합니다. 예를 들어, 세포 호흡의 후기 단계에 관여하는 효소는 미토콘드리아에서만 반응을 수행합니다. 세포 파편 및 이물질의 소화에 관여하는 효소는 리소좀 내에 있습니다.

대사 경로의 피드백 억제

피드백 억제는 반응 생성물이 자체 추가 생산을 조절하는 데 사용되는 경우입니다. 세포는 추가 효소 활성을 억제하기 위해 효소 반응의 산물을 사용함으로써 대사에서 효소 활성을 조절하기 위해 피드백 억제를 사용하도록 진화했습니다. 동화 및 이화 과정과 같은 대사 반응은 세포의 요구에 따라 진행되어야 합니다. 화학적 평형을 유지하고 세포의 필요를 충족시키기 위해 일부 대사 산물은 화학적 경로에서 효소를 억제하는 반면 일부 반응물은 효소를 활성화합니다.

피드백 억제: 대사 경로는 여러 효소에 의해 촉매되는 일련의 반응입니다. 경로의 최종 산물이 초기 단계를 억제하는 피드백 억제는 세포에서 중요한 조절 메커니즘입니다.

아미노산과 뉴클레오티드의 생산은 피드백 억제를 통해 제어됩니다. 피드백 억제의 예는 ATP를 고려하십시오. 이것은 당의 이화 대사(세포 호흡)의 산물이지만, 그것을 생성한 동일한 효소에 대한 알로스테릭 조절자로서도 작용합니다. ATP는 너무 많은 ATP가 존재하는 경우 자발적으로 ADP로 해리될 수 있는 불안정한 분자이며 대부분이 낭비됩니다. 이 피드백 억제는 ATP가 이미 풍부한 경우 추가 ATP 생성을 방지합니다. 그러나 ATP는 억제제이지만 ADP는 알로스테릭 활성제입니다. ADP 수준이 ATP 수준에 비해 높을 때, ADP는 더 많은 ATP를 생성하기 위해 당의 이화작용을 유발합니다.



코멘트:

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