가역적 억제제

가역적 억제제는 효소를 영구적으로 변화시키지 않고 효소 활성을 연구하는 데 도움이 되기 때문에 신약 개발 연구에서 일반적으로 사용됩니다. 계속해서 경쟁적, 불경쟁적, 비경쟁적 억제제 등 일반적인 유형의 억제제를 포함하여 가역적 억제제의 다양한 유형과 그 반응속도에 대해 알아보세요.

더 알아보기

• 가역적 억제제란 무엇인가요?
• 경쟁적 억제제
• 불경쟁적 억제제
• 비경쟁적 억제제
• 혼합형 억제제
• 알로스테릭 억제제
• 최종 산물 억제제

가역적 억제제란 무엇인가요?

가역적 억제제는 효소에 영구적인 영향을 미치지 않는 억제제로, 제거하면 효소가 다시 정상적으로 작동하게 됩니다(즉, 억제를 쉽게 되돌릴 수 있음). 이들은 수소 결합, 이온 결합, 소수성 상호작용과 같은 비공유 결합을 통해 효소에 가역적으로 결합합니다(그림 1). 반면, 비가역적 억제제는 효소와 공유 결합으로 반응하여 효소 활성에 필요한 주요 아미노산을 변형하는 화학적 변화를 유도할 수 있습니다.

그림 1. 가역적 효소 억제에 대한 일반적인 도식입니다.

또한 효소가 다른 여러 기질에 작용할 수 있는 경우, 억제제는 사용되는 기질에 따라 다른 유형의 억제를 일으킬 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이는 활성 부위가 기질에 따라 각각 다른 결합 부위를 가질 수 있기 때문에 발생합니다. 따라서 억제제는 첫 번째 결합 부위에서는 기질 A와 경쟁하고 두 번째 결합 부위에서는 기질 B에 대해 비경쟁적으로 작용할 수 있습니다.

가역적 억제제의 세 가지 주요 유형으로는 경쟁적, 불경쟁적, 비경쟁적 억제가 있습니다.

경쟁적 억제제

경쟁적 억제에서 억제제는 일반적으로 천연 기질과 구조적 유사하며 활성 부위와 결합하기 위해 기질과 경쟁합니다 (그림 2). 억제제는 활성 부위에 대한 친화력을 가지며, 기질보다 더 단단히 결합하면 효과적인 경쟁적 억제제로 간주합니다. 반대로, 덜 강하게 결합하면 효과가 저조한 억제제로 간주합니다.

경쟁적 억제제의 예는 다음과 같습니다.

• 메토트렉세이트, 항암제
  • 테트라하이드로폴레이트 합성에 관여하는 효소인 디하이드로폴레이트 환원효소의 활성을 억제함
• 구연산 실데나필, 평활근 이완제
  • 구조적으로 고리형-GMP(cGMP)와 유사하여 포스포디에스테라아제 V의 활성을 경쟁적으로 억제하고 cGMP가 축적되게 함

경쟁적 억제에서 경쟁적 억제제는 유리 효소에만 결합할 수 있고 효소-기질 복합체에는 결합하지 못합니다. 따라서 반응 혼합물에서 기질의 농도를 증가시켜 억제를 극복할 수 있습니다.  기질이 경쟁에서 억제를 능가하여 V_max를 달성할 수 있습니다. 그러나 억제제가 있는 경우, V_max에 도달하려면 기질 농도를 증가시켜야 합니다. 이렇게 하면 K_m 값이 증가합니다.

그림 2. 경쟁적 억제의 단순화 모델입니다.

경쟁적 억제의 경우 효소-억제제 복합체의 해리 상수인 억제 상수 K_i를 결정할 수 있습니다. K_i 값이 낮을수록 반응 속도를 낮추는 데 필요한 억제제의 양이 적다는 의미입니다. 이 관계는 다음과 같이 단순화할 수 있습니다.

경쟁적 억제제의 효과를 연구할 때 일반적인 팁은 배양 배지에 적절한 양의 기질을 추가하는 것입니다. 과도한 양의 기질은 경쟁에서 억제제를 능가합니다. 항상 억제제 없이 대조군 반응을 진행해야 합니다.

경쟁적 억제의 반응속도

경쟁적 억제의 반응속도 결과는 라인위버-버크 플롯으로 표시할 수 있습니다(그림 3). 경쟁적 억제의 결과로 K_m이 증가하므로, 억제제가 존재할 때 X-절편은 원점에 더 가까워집니다. 억제제 농도를 높이면 K_m이 더 증가하고 X-절편이 원점에 더욱 가까워집니다. 경쟁적 억제제는 V_max에 영향을 주지 않으므로 모든 선이 Y-절편의 동일한 지점을 통과합니다.

그림 3. 경쟁적 억제의 반응속도입니다.

때때로 효소는 부분적으로 경쟁적 억제의 반응 속도를 보일 수 있습니다. 이 과정은 경쟁적 억제와 유사하지만, 효소-기질-억제제 복합체(ESI)는 부분적인 활성을 나타낼 수 있습니다. 이러한 유형의 억제는 V_max를 낮추지만, K_m에는 영향을 미치지 않습니다. 완전한 경쟁적 억제의 경우 억제제 농도가 증가하면 반응 속도는 0이 되는 경향이 있습니다. 그러나 부분적 억제의 경우 효소는 수정된 상태이지만 여전히 어느 정도 기능하는 ESI 복합체로 전환됩니다.

불경쟁적 억제제

불경쟁적 억제제는 효소-기질(ES) 복합체에만 결합합니다. 불경쟁적(Uncompetitive) 억제를 비경쟁적(non-competitive) 억제와 혼동해서는 안 됩니다. 불경쟁적 억제제는 효소의 활성 부위에 결합하지 않으며 기질과 유사할 필요가 없습니다. 불경쟁적 억제에서는 활성화된 ES 복합체가 제거되어 V_max가 감소합니다. ESI 복합체의 양은 억제제의 농도에 따라 달라집니다. ES 복합체를 제거하면 결과적으로 K_m도 감소합니다. 이 관계는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

불경쟁적 억제의 반응속도

불경쟁적 억제에서는 K_m 및 V_max 모두 동시에 같은 비율로 감소합니다. 즉, V_max/K_m은 바뀌지 않습니다. 그림 4는 불경쟁적 억제제를 사용하면 1/V_max이 증가함을 보여줍니다. 따라서 Y-절편은 위로 이동합니다. 또한 억제는 K_m/V_max의 비율, 즉 곡선의 기울기를 유지하는 정도까지 1/K_m을 증가시킵니다. 이러한 이유로 불경쟁적 억제에 대한 라인위버-버크 플롯은 억제제 유무에 관계없이 평행을 유지합니다.

그림 4. 불경쟁적 억제의 반응속도입니다.

불경쟁적 억제는 비교적 드물지만 다중 효소 시스템에서 발생할 수 있습니다. 진화론적으로, 이는 대사 경로에서 불경쟁적 억제가 경쟁적 억제보다 대사 중간 생성물의 농도에 더 큰 영향을 미칠 수 있고 독성을 크게 증가시킬 수도 있다는 점에서 중요합니다. 불경쟁적 가역적 억제제의 예로는 젖산 탈수소효소를 억제하는 옥살레이트가 있습니다.

비경쟁적 억제제

비경쟁적 억제에서 억제제의 결합은 효소 활성을 저하시키지만 기질과의 결합에는 영향을 미치지 않습니다(그림 5). 따라서, 억제제의 농도만이 억제 정도에 영향을 미칩니다. 비경쟁적 가역적 억제제의 예로는 Na⁺-K⁺ ATPase의 활성을 차단하고 심장 부정맥 치료에 사용되는 디기탈리스가 있습니다. 이러한 비경쟁적 억제제는 기질 결합 부위 이외의 부위에 비공유 결합합니다. 억제제 결합은 기질 결합 부위의 가용성에 영향을 미치지 않습니다. 따라서 기질과 억제제의 결합은 서로 독립적이며 기질 농도를 증가시켜도 억제를 극복할 수 없습니다. 

그림 5. 비경쟁적 억제의 단순화 모델입니다.

비경쟁적 억제의 반응속도

비경쟁적 억제제는 효소 및 ES 복합체에 대해 동일한 친화력을 보이므로 K_i=K'_i(ES 복합체 해리 상수=K'_i)입니다. 따라서 V_max는 감소하지만 K_m은 영향을 받지 않습니다. 비경쟁적 억제제가 존재하는 경우 V_max에 도달할 수 없습니다. 비경쟁적 억제를 위한 평형 조건은 다음과 같이 단순화할 수 있습니다.

비경쟁적 억제제의 효과는 그림 6에 그래프로 표시되어 있습니다. Y-절편은 1/V_max이므로, V_max가 감소하면 1/V_max은 증가합니다. 그러나 K_m은 모든 비경쟁적 억제제 농도에서 동일하게 유지됩니다. 따라서 모든 선은 X-절편의 동일한 지점을 통과합니다. 

그림 6. 비경쟁적 억제의 반응속도입니다.

혼합형 억제제

경우에 따라 억제제는 유리 효소(해리 상수 K_i)와 ES 복합체(해리 상수 K'_i) 모두에 결합할 수 있습니다. 그러나 이들의 친화력이 다르므로 K_i ≠ K'_i입니다. 여기에서 기질을 더 추가하면 억제제 결합을 줄일 수 있지만 경쟁적 억제에서처럼 억제를 완전히 극복할 수는 없습니다. 혼합형 억제의 예로는 팔라듐 이온에 의한 잔틴 산화효소 억제가 있습니다.

혼합형 억제의 반응속도

혼합형 억제제는 결합을 방해하고 전환 효과를 감소시킵니다. 이러한 유형의 억제는 주로 알로스테릭 억제 성질을 띠며, 억제제가 활성 부위 이외의 부위에 결합하여 효소 구조의 배좌 변화를 일으켜 활성 부위에 대한 기질 친화력을 감소시킵니다. 따라서 K_m은 증가하고 V_max는 감소합니다(그림 7). 

그림 7. 혼합형 억제의 반응속도입니다.

알로스테릭 억제제

알로스테릭 효소는 마이클리스-멘텐 반응속도론을 따르지 않는 효소 그룹에 속합니다. 일반적으로 세포 내에서 조절 역할을 수행합니다. 이들은 활성물질(활성제 및 억제제)이 조절 부위에 가역적 비공유 결합을 하여 작동합니다. 활성제의 결합은 활성 형태와 효소 활성을 촉진하는 반면, 억제제가 조절 부위에 결합하면 알로스테릭 효소가 비활성 형태를 취하게 되어 활성이 감소합니다(그림 8).

그림 8. 알로스테릭 억제 모델입니다.

알로스테릭 억제는 한 리간드의 결합이 다른 활성 부위의 기질 친화력을 감소시킬 때 발생합니다. 알로스테릭 억제의 대표적인 예는 인산과당 인산화효소(PFK)입니다. PFK는 과당-6-인산의 인산화를 촉매하여 과당-1-6-이중인산을 형성합니다. ATP 수치가 증가하면 PFK의 활동이 알로스테릭 방식으로 억제됩니다. ATP는 PFK의 알로스테릭 부위에 결합하여 효소의 형태에 변화를 일으킵니다. 이는 활성 부위의 과당-6-인산 및 ATP에 대한 친화성을 감소시켜 해당과정 진행 속도를 감소시킵니다.

알로스테릭 효소의 활성 및 비활성 형태는 기질과 억제제의 상대적 농도에 따라 평형 상태로 존재합니다. 알로스테릭 억제제를 결합하면 효소가 비활성 배좌를 받아들여 두 번째 억제제의 협동 결합을 촉진할 수 있습니다.

알로스테릭 억제 반응속도

알로스테릭 억제제의 반응속도는 쌍곡선이 아닌 시그모이드 곡선을 그립니다. 이러한 효소가 여러 결합 부위를 가지고 있고 둘 이상의 기질 분자에 결합할 수 있기 때문입니다. [S]가 충분히 높으면 기질과의 포화 상태를 나타냅니다. 이 시그모이드 반응 곡선에서 반응속도가 반수 최대인 기질 농도는 마이클리스-멘텐 모델이 적용되지 않으므로 K_m으로 지정할 수 없습니다. 대신 [S]_0.5 또는 K_0.5 기호는 최대 속도의 절반이 관찰되는 기질 농도를 나타내는 데 사용됩니다.

최종 산물 억제제

많은 효소 촉매 반응이 생화학적 경로에서 순차적으로 일어나며, 한 반응의 생성물은 다음 반응의 기질이 됩니다. 경로의 최종 생성물이 필요 이상으로 많이 축적되면 이 최종 생성물이 첫 번째 효소의 활동을 억제할 수 있습니다. 경로의 최종 생성물이 경로에서 첫 번째 효소의 알로스테릭 부위에 결합되면 경로가 차단됩니다(그림 9). 

그림 9. 최종 생성물 억제에서는 경로의 최종 생성물(D)이 A를 B로 전환하는 효소에 직접 결합(및 억제)하여 경로를 차단할 수 있습니다.

이 결합이 일어나면 효소에 배좌 변화가 일어나 첫 번째 기질과 반응할 수 없게 됩니다. 이는 생산물의 과도한 축적을 방지하는 생물학적 제어의 한 형태입니다. 예를 들어, L-트레오닌 탈수소효소로 인해 촉매되어 L-트레오닌에서 L-아이소류신이 형성되는데, 이는 L-아이소류신에 의해 강력하게 억제됩니다.

효소 억제제의 기타 주요 카테고리는 당사 비가역적 억제제에 관한 문서에서 살펴볼 수 있습니다.