Chapter 3 생체반응의촉매 : 효소의기능과조절 생명과학의기초생화학
3 장의개요 3.1 효소연구의중요성과역사 3.2 생체반응의단백질촉매 : 효소 3.3 효소반응의특징 3.4 효소반응메커니즘및동력학 3.5 효소의조절 3.6 효소의활용
3.1 효소연구의중요성과역사 효소의소개 1. 생명현상 : 발생, 성장, 유지 많은생체물질의합성 2. 효소촉매필수 온화한반응조건에서기능 3. 효소는단백질 저온에서기능의보존가능 그림 3-1. 냉동인간. 효소가저온에서기능을상실 유지
효소연구의역사 1835 년, 스웨덴의베르첼리우스 : 감자속에전분의분해를촉매하는물질확인 1878 년, 독일의퀴네 (Kühne): 효소 (enzyme) 라는어휘사용, 어원은그리스어 효모속 (in yeast) 프랑스의파스퇴르 : 공기가없는상태에서글루코스분해 탄산가스와알코올이되는과정 ( 발효과정 ) 에살아있는세포가관여하고있다고보고 1897 년, 독일의뷔크너 : 파괴된효모의추출물여과 발효에직접관여하는효소를처음확인
효소활용의역사 그림 3-2. 포도주의역사. 고대이집트에서는포도주를생산할때포도의바깥표면에있는효모의효소들을활용하여포도의글루코스를에탄올로바꾸는발효과정으로포도주를만들수있었다.
그림 3-3. 우리의전통음식중발효식품인김치와된장.
효소의체계적인명명법
3.2 생체반응의단백질촉매 : 효소 효소의기능 ( 열역학, 전이상태 ) - 독일의피숴 (Fisher): 효소는반응하는물질 ( 기질 ) 과마치자물쇠와열쇠의관계 - 1900 년대초, 스베드버그 : 고속원심분리장치 효소는단일단백질로서촉매기능 - 생명체에서만만들어지는단백질촉매 - 화학반응속도 : 활성화에너지낮춤 - 보통의유기반응촉매와비교하면훨씬더온화한조건 - 촉매능력이대단히우수
그림 3-4. 효소의기질특이성은열쇠와자물쇠의원리로설명이가능.
- 전이상태이론 (transition state theory) 1930 년대, 헨리아이링 (Herny Eyring): 수소의이분자반응의메커니즘 H C 원자는이원자분자인 H A -H B 에접근해야만함 전이상태 : 가장높은자유에너지를갖는계 생화학반응 : S 는기질, E 는효소, P 는생성물, [ES] 는효소 - 기질복합체 전이상태에서생성물을얻는과정이전체반응의속도결정과정이됨
그림 3-5. 효소와활성화에너지
- 활성화자유에너지 (free energy of activation): 전이상태의자유에너지에서반응물의자유에너지를뺀값 ΔG = ΔG( 전이상태 ) - ΔG( 반응물질 ) 효소촉매는활성화자유에너지가낮은전이상태를가진반응경로를선택함으로써반응을빨리하게함 촉매반응 : 정반응과역반응은동일한속도 ΔG reaction < 0 : 반응물이생성물로자발적으로진행 ΔG reaction > 0 : 역반응이자발적으로일어남 효소는 ΔG reaction 를변화시키지못하며, 촉매가없을때에비하여평형에보다빠르게도달하게함. (ΔG 만을감소시키는기능 )
그림 3-6. 활성화에너지.
근접효과 (proximity effect) 와배향성효과 (orientation effect) - 근접효과 (proximity effect): 효소의활성부위에기질을근접시키는기능 - 배향성효과 (orientation effect): 반응하는물질의반응이쉽도록가장선호하는환경의조성 반응물이반응하기적합한공간적배치 - 이미다졸과 p- 나이트로페닐아세트산의이분자반응 : 진한노란색 p- 나이트로페놀이온의발생, 쉽게변화추적 - 이미다졸촉매의반응물에 p- 나이트로페닐아세트산이공유결합으로결합되어있고분자내부에서일어나는반응의경우 : 서로떨어져있는경우에비교, 24 배이상효과적 - 효소촉매 : 단백질의독특한삼차구조때문에근접효과와배향성효과의두가지를가능하게함.
그림 3-7. 배향성효과
효소의촉매로서의기능 1. 기질을촉매활성부위의아미노산작용기에근접시키도록함. 2. 기질이두개이상인반응의경우 : 기질이서로접촉하도록접근시키게함. 3. 하전을갖는아미노산작용기 : 정전기적촉매현상인반응의전이상태를안정화하는데도움 4. 활성부위주위의하전의분포 : 극성기질을효소의결합자리로인도 5. 효소는기질및촉매작용기의상대적인운동및회전운동을억제시키는기능수행, 전이상태에서는활성부위아미노산작용기가상대적으로운동성감소
활성화에너지와엔트로피 - 기질과효소단백질의아미노산작용기를반응이있는방향으로근접 배향의증가 엔트로피의손실 - 엔트로피의감소를극복하기위해필요한자유에너지는효소에대한기질의결합에너지에의하여공급되며, 활성화에너지를감소시키는데기여
3.3 효소반응의특징 효소반응의조건 - 적정한 ph - 적정한농도의완충용액 - 최적의반응온도 - 금속이온또는금속이온착염형성제 - 효소의안정화물질 ( 수크로스, 글리세롤 )
1. 온도와 ph 의영향 - 보통효소 : 38 ( Taq polymerase 80 ) - 낮은온도나높은온도에서활성도의감소 : 삼차구조의변화 - 높은온도는수소결합에주로영향을주어구조의근본적인변화를가져오고, 기질을포용하는부착부위와촉매작용에직접작용하는아미노산의가지사슬작용기의배치상태를근본적으로파괴 - 효소마다적정온도의측정
그림 3-8. 효소의가상적인온도 - 활성그래프
효소활성에적정 ph 1. 수소이온농도는단백질촉매아미노산곁사슬작용기의하전에영향 2. 중성 ph 에서대부분안정 ( 예외 : 펩신은 ph 2~4, 알칼린포스파테이스는 ph 9) 3. 적정한농도를갖는완충용액을사용 ( 높은농도효소활성에영향 ) 4. 효소마다최적의 ph 측정
그림 3-9. 효소의가상적인 ph- 활성그래프
삼차구조의필요성 : 활성부위와기질특이성 1. 활성부위 - 효소의삼차구조의모양은효소가촉매로서효율적인기능을하기위하여기질을잠시한정된위치에고정시킴. - 활성부위아미노산이적절한위치에놓이도록도와줌. - 반응속도를조절하는물질의부착부위를가지게됨. - 조효소 : 효소내부에고정되어있음.
그림 3-10. 효소단백질카이모트립신의삼차구조
2. 효소기질특이성 - 효소와기질 비공유결합적인힘 - 기질 - 결합자리는효소분자내부에기질의모양에정확히들어맞는굴곡또는틈으로이루어짐. - 효소의삼차구조가기질의독특한결합자리를마련함으로써특정기질에특이하게작용 : 다른기질은접근못함 - 기질특이성 한기질만을촉매 - 카이모트립신 : 펩타이드결합또는에스터결합가수분해촉매에관여
그림 3-11. 카이모트립신의활성부위
효소촉매의특성 - 능력이월등히우수한촉매 전환수 (turn-over number): 단위시간당어떤물질을다른물질로만드는양 질소를암모니아로고정하는공정은 400~600, 100~900 기압의조건 뿌리혹박테리아나이트로지네이스복합효소는상온의중성 ph 에서반응수행 - 기질특이성이우수 - 촉매반응속도조절 : 마이오신은칼슘이온의농도에따라촉매속도가조절됨 - 단백질입체구조가필수 - 기능을하기위해유기물또는무기금속원소를필요로함
효소와바이타민 - 완전효소 (holoenzyme) = 효소 + 도움인자 (cofactor) - 결손효소 (apoenzyme): 도움인자가제거된비활성인단백질 - 보결원자단 (prosthetic goup): 효소단백질에항구적으로회합또는공유결합으로부착됨 - 바이타민 (vitamin): 조효소의전구물질 - 진화하는동안바이타민을합성하는불필요한세포내기구상실 ( 바이타민 C 는사람, 원숭이모르모트의영양소 아스코브산생합성에중요한효소손실 )
1. 니코틴아마이드 ; 니코틴산 - 명칭 : 나이아신 (niacin) - 생화학적으로활성화된상태 : 니코틴아마이드 (nicotinamide) - 조효소 I(coenzyme I): 니코틴아마이드아데닌다이뉴클레오타이드 (NAD + ) - 조효소 II(conenzyme II): 니코틴아마이드아데닌다이뉴클레오타이드인산 (NADP + ) - 결핍 : 빛을쪼였을때통증을느끼는피부병, 소화장애, 장출혈
나이아신, 니코틴아마이드
NAD + 및 NADP + 의구조
NAD + 및 NADP + 의기능 - 알콜탈수소효소 CH 3 CH 2 OH + NAD + = CH 3 CHO + NADH + H + - 일차알콜, 이차알콜, 알데하이드, α,β- 하이드록시카복실산, α- 아미노산의산화 - 플라빈조효소의환원에참여 NADH + H + + FAD = NAD + + FADH 2 - 하이드록실화반응, 방향족또는지방족화합물의비포화반응에전자제공 - DNA 연결효소촉매반응에관여
2. 라이보플라빈
라이보플라빈 (riboflavin, 바이타민 B 2 ) - 녹색식물, 박테리아, 균류에서합성됨 - 산화 - 환원반응의조효소 - D- 아미노산의산화효소 - 하이드라이드이온을주위로부터프로톤과함께 1,5 위치의질소원자를받아들임 - 아미노산, 지방산의싸이오에스터, 피리미딘, 알데하이드, 석신산의 α- 하이드록시산 수소원자쌍을받아들임
3. 리포산 리포산의구조
리포산의기능 - 간이나효모에다량존재 - 이황화결합의환원을통하여산화 - 환원두형태로존재 - 피류브산탈수소효소, α- 케토글루탈산탈수소효소의필수적인조효소 - 아실그룹생성과이동반응을촉매, 그과정에환원이일어나고재산화가일어남
리포산의기능 : 아실그룹의이동
NAD + 나 FAD 와같이기능
4. 바이오틴 - 효모, 박테리아의성장인자 - 에비딘 (avidin) 염기성단백질에강력히부착 - 바이타민 + ε-n- 바이오티닐 - L- 라이신 바이오시틴 (biocytin) - 카복실화반응과연계된특수효소단백질에결합 카복실화효소 (cocarboxylase)
바이오틴의구조
바이오시틴 카복실화효소 카복실화효소의두기능 : 1. 바이오틴을갖는카복실그룹의운반 2. 단백질의카복실화 메커니즘 : 1. 카복실화효소의형성 2. 카복실그룹 트렌스카복실화효소에의해서수용체인 α- 케톤산에옮기게됨 3. 아세틸 CoA 카복실화효소와프로피오닐 CoA 카복실화효소에서는아실 CoA 가특수한카복실그룹수용체로기능
바이오틴의기능
5. 싸이아민 1. 식이용곡물, 식물의씨앗껍질부분에존재현미나밀로만든식품이좋은공급원임 2. 동물, 효모에서 싸이아민이인산이카복실화효소의조효소 (cocarboxylase) 로기능 3. 결핍시 : 건식각기병 근육무력증, 체중감소, 신경염습식각기병 부종, 심장기능장애 4. α- 케토산탈수소효소, 피류브산탈카복실화효소, 케토이동효소, 인산케톨분해효소등의조효소
조효소 (cofactor)
반응메커니즘 : 피류브산의탈카복실화반응
6. 바이타민 B 6 그룹 - 동식물에서널리분포 - 피리독살, 피리독사민 조효소의형태로자연에존재, 흡수된피리독살은피리독살인산으로변함, 투여된 90% 의피리독신은 4- 피리독신산형태로배설 - 결핍시 : 쥐에서피부염증, 동물에서극심한경련증세, 중추신경계장애 - 관여반응 : 아미노기이동반응, 탈카복실화반응, 라셈화반응
B 6 조효소가관여하는대표적인반응들
B 6 조효소가관여하는대표적인반응들
B 6 조효소가관여하는대표적인반응들
7. 엽산 - 자연에 3~7 개글루탐산을갖는엽산유도체존재 - 병아리에서영양결핍성빈혈, 미생물에서특수성장인자로기능 - 동물 : 장내의박테리아, 백혈구형성에기여 - 환원된형태의엽산은조효소, 이수소엽산 (DHF), 사수소엽산 (THF) - 환원제는모두 NADPH 사용
- 사수소엽산 : 한개의탄소원자단위운반체 - 포밀산단위 : 피리미딘, 퓨린, 세린, 글리신의생합성 - N 10 - 포밀 THF 는고리가봉합되어 N 5 N 10 - 메테닐 THF 가됨 - 양성자를잃으면 N 5 N 10 - 메틸렌 THF - 환원되어 N 5 - 메틸 THF
엽산의구조
조효소 DHF, THF 의구조
8. 바이타민 B 12 - 바이타민 B 12 CN, -OH, NO 2, SO 4-5- 하이드록실 - 벤즈이미다졸 - 동물과미생물에서만발견 ( 식물에전혀없음 ) - 조효소 ( 사이아나이드대신아데노신라이보스 ) - 심한빈혈증세의방지나치료제로유용함 - 내부인자 (intrinsic factor) 인소화기뮤코세포의 뮤코당은회장으로부터흡수된외부인자인 B 12 와복합체를만듦
바이타민 B 12 의구조
바이타민 B 12 관여반응
바이타민 B 12 관여반응
바이타민 B 12 관여반응
9. 판토텐산 - 동물이나박테리아성장에필수 - 아실운반단백질 (ACP) 과조효소 A(CoA-SH) 성분으로자연에존재 - 싸이오에스터결합의독특한성질 - 카보닐탄소에부분적인양하전을갖는카보닐특성 - 친핵성인아민, 암모니아, 물, 싸이오화합물은친전자성을공격 :S-CoA 를교체시킴 - 친전자성인 CO 2, 아실 -CoA, CO 2 BCCP (Biotin Carbonyl Carrier Protein) 은친핵성공격
CoA-SH 의기능
CoA-SH 의반응
3.4 효소반응메커니즘및동력학 유기반응촉매 유기반응메커니즘 1. 산-염기촉매 (acid-base catalysis) 2. 공유결합촉매 (covalent catalysis) 3. 금속이온촉매 (metal ion catalysis)
1. 산 - 염기촉매 - 브뢴스테드산 ( 양성자공여체 ) 으로부터양성자이동 전이상태의자유에너지감소 - 효소활성부위아미노산 : Asp, Glu, His, Cys, Tyr - 촉매활성 ph 가활성부위의아미노산곁사슬에있는양성자상태에영향을미치기때문에중요 - 반응 : 펩타이드나에스터의가수분해반응, 인산그룹의이동반응, 토토머화반응, 카보닐그룹의부가반응
글루코스의상호전환반응
라이보핵산가수분해효소 (RNaseA) - 산 - 염기촉매 - RNA 의분해효소 - pk 5.4, pk 6.4 - His12 가 RNA 의 2 -OH 그룹에서양성자를제거하는일반염기로작용 - 근처의인산원자를친핵성공격을하도록도와줌 - His119 는일반산으로행동 이탈그룹의양성자에의해결합이붕괴 - 두번째단계에서는첫단계의정확히반대의과정이일어나며, 2, 3 고리형중간체의가수분해도일어남 - 이때 His12 는일반산, His119 는일반염기로기능
라이보핵산가수분해효소의반응메커니즘
2. 공유결합촉매 - 전이상태촉매 - 기질간의공유결합을형성 - 친핵성작용기와친전자성작용기의반응 친핵성촉매 (nucleophilic catalysis) - 아세토아세트산의탈카복실화반응 : 친핵체인일차아민 아세토아세트산의카보닐기를공격하여쉬프염기 ( 이민결합 ) 를형성 - 공유결합중간체의양성자화된질소원자 전이상태의높은에너지에놀레이트특성을감소시키는전자받이로기능
공유결합촉매과정의세단계 1. 공유결합은기질과효소사이에친핵성반응에의해서형성 2. 친전자성인촉매효소는반응중심으로부터전자를제거하는기능을수행 3. 촉매효소의제거는제1단계의반대과정
공유결합성 : 아세토아세트산의탈카복실화
- 이미다졸작용기및싸이올작용기와같이높은극성화성질 공유결합이쉽게부숴지는특성 - 단백질작용기의예 : 1. Lys 의양성자화되지않은 ε- 아미노기 2. His 의이미다졸기 3. Cys 의싸이올기 4. Asp 의카복실기 5. Ser 의하이드록실기
3. 금속이온촉매 - 효소의 1/3 이촉매활성에금속이온필요 - 금속효소 (metalloenzyme): 금속이온이촉매기능에직접참여, 도움인자로기능 Fe 2+, Fe 3+, Cu 2+, Mn 2+, Co 2+ - 금속에의해효소의기능이활성화 (metal activated enzyme) 구조에영향 Na +, K +, Ca 2+ 구조와촉매 Mg 2+, Zn 2+
촉매메커니즘에서금속의역할 1. 기질에결합함으로써반응물이적절히배치되도록하여반응을촉매 2. 금속이온산화상태의가역적인변화를통하여산화 - 환원반응을매게 3. 정전기적으로효소단백질을안정화시키거나전기적으로음하전의보호 4. 금속이온은중성 ph 에서높은농도를유지할수있으며, 하전된상태유지 금속이온은양성자보다효율적인촉매작용에기여 금속이온을초강산 (super acid)
탄산무수화효소 1. 금속이온의하전은금속이온에결합된물분자를그렇지않은물분자에비교하여더산성이되게함 중성보다낮은 ph에서도친핵성인 OH-그룹의공급원 2. 아연이온은세개의 His 곁사슬과하나의 H 2 O 분자 정사면체로배위결합 3. Zn 2+ : 극성화된 H 2 O는이온화를돕고네번째 His64의 Zn부착된물분자 수소결합연결 물분자가양성자의수용체로기능 4. Zn ++ OH - 효소결합의인접한기질 CO 2 에친핵성공격 HCO 3- 로전환
금속 안정화 촉매하전의보호막 : 인산화효소의실제기질 Mg 2+ -ATP 착염 Mg 2+ 인산그룹의음하전을막아주고 배향성에도움
특정효소반응메커니즘 1. 세린단백질가수분해효소 - 카이모트립신 (chymotrypsin), 트립신 (trypsin), 엘라스테이스 (elastase) 2. 단백질가수분해효소의활성부위 - 기질특이성 : 트립신 Arg, Lys 카이모트립신 Tyr, Phe, Leu 엘라스테이스 알라닌, 세린
그림 3-13. 효소의기질특이한절단부위.
그림 3-14. 효소내부의기질부착부위.
그림 3-15. 카이모트립신에의한펩타이드가수분해효소반응메커니즘.
효소동력학 - 효소에의하여촉매되는반응속도의측정은제안된효소촉매메커니즘을증명 1. 효소반응속도론
2. 마이켈리스 - 멘텐 (Michaelis-Menten) 식 3-1 의속도식 ES 의생성전체속도 : 적분하기위한두가지가정 1. 평형상태의가정 2. 정류상태 (steady state) 의가정
(1) 평형상태가정 - k -1 >> k 2 일때 (2) 정류상태가정 - [ES] 초기를제외하고전과정에서일정 - ES 생성속도 = ES분해속도, ES 정류상태유지 - ES는일정한값
그림 3-16. 단일효소촉매반응의진행그래프.
- ES 및 E 의양은직접젤수없으나총효소농도는쉽게얻을수있음 - 마이켈리스상수
- 식 3-8 은다음식으로정리됨 - [ES] 에대하여풀면 - 반응의초기속도, t = 0 일때의속도
- 최대속도 (maximal velocity): 전체효소가포화된높은기질농도, 효소가모두 ES 를형성 - 마이켈리스 - 멘텐식 [S] = K M 기질농도에 ν 0 = V max /2 K M : 반응속도가최대속도의절반의기질농도
그림 3-17. 간단한효소반응에서기질농도 (S) 에대한초기속도 (ν 0 ) 그림.
- 효소의능력 k cat /K M - k cat : 효소의각활성부위에서단위시간에반응물을생성물로전환하는값전환수 (turnover number) V max = k 2 [E]T k cat = k 2
3. 마이켈리스 - 멘텐식의그래프 그림 3-18. 라인위버 - 버크 (Lineweaver-Burk) 그래프.
그림 3-19. (1) 울프 (Woolf) 그래프 (2) 에디 - 홉스티 (Eadie-Hofstee) 그래프.
방해제의동력학 1. 효소촉매반응의경쟁적방해 - 경쟁적방해 (competitive inhibition): 기질과구조가유사하여활성부위에특이적으로부착
- 마이켈리스 - 멘텐식 - K I 의측정
그림 3-20. 경쟁적방해제의농도의증가에따른라인위버 - 버크그래프.
2. 효소촉매반응의무경쟁적방해 - 방해제가효소 - 기질복합체에직접결합
그림 3-21. 무경쟁적인방해제와효소에대한라인위버 - 버크그래프.
3. 효소촉매반응의비경쟁적방해 - 방해제의비경쟁적방해 기질의결합자리와촉매활성부위에모두결합
그림 3-22. 비경쟁적방해제의라인위버 - 버크그래프.
3.5 효소의조절 효소의합성의조절 - 효소단백질의양 전사단계에서조절 - 홀몬에의한전사의조절 - 세포의조건에따른영향에관계없이합성되는효소 구성성효소 (constitutive enzyme) - 유도물질의존재하에많은양의효소가 합성되는유도성효소 (induced enzyme)
효소활성도의조절 : 다른자리입체성조절 다른자리입체성조절 (allosteric control) - 구조적인활성의조절 : 효소기질부착부위와다른지역 입체적인효소의구조변형 - 아스파트산카바모일그릅이동효소 (ATCase) 카바모일인산 + 아스파트산 - CTP 방해제 ( 불활성형 T), ATP( 활성형 R) - 되먹임방해 (feedback inhibition)
그림 3-23. 다른자리입체성효소의조절.
그림 3-24. ATCase 반응에서기질 ( 아스파트산 ) 에대한초기속도의그래프.
ATCase 의구조변형 - 방해제의유사구조 N-( 인산아세틸 )-L- 아스파트산 (PALA) R 상태의결합선호 - 대장균의 ATCase 의구조 c 6 r 6 (C 촉매단위, R 조절단위효소 R( 활성형 )) T( 비활성형 ) - 촉매삼량체 : 축을따라 11Å 만큼분리됨. 각각 12 o 만큼재배열 - 조절이량체 : 15 o 만큼시계방향으로회전, 4Å 만큼분리 - 효소의입체구조를변형시킴
그림 3-25. ATCase 의구조변화에따른효소활성의조절
효소공유변형 (covalent modification) 에의한조절 - 글라이코젠가인산분해효소 인산화에따라활성화 - 글라이코젠가인산분해효소 a (Ser14) : AMP 활성화, 효소 b 는 AMP 없이활성화 그림 3-26. 인산화에의한가인산분해효소의활성화
3.6 효소의활용 산업적인응용 - 설탕제조 : 아밀레이스 - 포도주, 과일주스투명도향상 : 폴리갈락유로네이스 - 맥주의투명도 : 파파인 - 연육제 : 파파인, 키위단백질분해효소 - 아스파탐의제조 : 더모라이신 (thermolysine) - 제약산업 : 항생제 클로람페니콜, 에리뜨로마이신, 스트렙토마이신, 페니실린 - 고지혈증치료제 : HMG-CoA 환원효소 로바스타틴 (Lovastatin)
그림 3-27. 콜레스테롤합성초기의효소인 HMG- CoA 환원효소 (1) 의경쟁적인방해제로바스타틴 (lovastatin)(2) 의구조.
효소의의학적이용 1. 임상에사용되는효소 - 환자의병리적학적인증상확인 - 병의진단및병세의진전, 증세를수행 - 조직의손상 혈청에서증가하는아스파트산아미노이동효소의측정 - 치료과정의진전관찰, 수술후회복, 이식수술과정의거부반응 - 심장혈관파괴 : 크레아틴인산화효소가 50,000 배나증폭되어나타남
- 간조직의파괴정도 : 글루타싸이온 -S- 이동효소 - 간의바이러스감염시배출되는효소 : 혈청아스파트산이동효소 (serum aspartate transferase) 또는알라닌아미노이동효소 (alanine aminotrasferasealt) - 알콜중독, 암전이 : γ- 글루타밀이동효소를측정 - 혈전응고 : 유로인산화효소 - 페닐알라닌분해 : 페닐알라닌하이드록실화효소투여 - 척추통증의치료 : 단백질분해효소
효소방해제와신약개발 1. 약물의발견 - 기원전 5 세기히포크라테스 버드나무잎 통증제거 - 2300 년후, 1829 년버드나무껍질 살리신발견 - 1853 년아스피린의구조확인 - 1900 년상품으로발매, 현재매년 15,000 톤합성, 심장질환치료제 - 20 세기초디기탈리스 심장촉진제 - 기나피나무 (cinchona tree) 퀴닌 (quinine)
- 신약 : 현재상품으로출시되지않은약물질. 약품의기능, 작용방법, 성능, 효력이기존제품보다우수, 부작용이최소화됨 - 신약의종류 : 1. 천연물신약 2. 합성신약 : 수용체나효소의방해제 - 선도화합물 (lead compound): 특정질병에원인이되는수용체나효소또는전사조절물질의기능을억제하거나활성화시킬수있는, 우수한약효를나타내는약물후보물질
2. 조합화학및고속처리탐색 - 고속처리탐색기술 (high-throughput screening), 조합화학 (combinatorial chemistry) 기술발전 - 문고를제작하여복합물질로그약효를조사하고, 나중에단일물질을확인하는방법도가능
3. 효소의삼차구조 - 근거약물설계 - 합성해야할화합물의수를크게줄이는방법 - 수용체의구조 결합자리에서결합친화력증가 - 약물후보물질에필요한치환기및결합자리에서수소결합형성의위치 약물의설계자료확보 - 분자모델링 컴퓨터시뮬레이션실험 - 시간과경비감소
4. 생체이용률및독성시험 - 약물동력학 (pharmackinetics): 인체내의표적단백질이분포하는곳 충분히높은농도로운반되어야함. 약물의전달, 상호작용확인 - ADME: 약물의 absorption( 흡수 ), distribution( 분포 ), metabolism( 신진대사 ) 생체이용률 : 약물이작용하는위치까지도달하는범위와투여된양과의관계는약물동력학적인방법에의해조사
경구투여된약물이갖추어야할조건 1. 위의강한산성환경에서화학적으로안정 2. 위장관세포막을통해혈액으로흡수되어야함 3. 체내에서강하게결합해선안됨 4. 간의해독작용에유도체가되지않아야함 5. 신장을통해빨리배출되어서는안됨 6. 모세혈관에서표적조직으로수송 7. 뇌에전달의경우 혈관 - 뇌장벽통과
5. 약물의임상시험 - 미국 : FDA, 한국 : 식품의약품안정청 - I 상 (phase I): 20~100 명의정상적이고건강한자원자 약물후보물질의안전성, 투여량, 투여방법, 횟수 - II 상 (phase II): 100~500 명, 단일어림시험 ( 약물과대조물질중무엇인지환자가모름 ) - III 상 (phase III): 약물효능확인, 장기간의부작용감시, II 상보다 10 배많은환자, 이중어림시험 ( 환자, 임상조사자가모르는상태 )
제품화이후 - 임상전시험 : 5,000 개 다섯개정도 - 만명당수명꼴의부작용 : 허가취소 - 예 : 신경안정제탈리도마이드 장애아출생 - 부작용이전혀없는약물은없다 - 유전형결정방법개발 개인유전자기질에맞게맞춤약약물치료가능 - 약물유전체학 (pharmacogenomics): 개인특성에맞는맞춤형신약개발