02 효소

02 효소

◈ 효소의 작용과 특성

▣ 생명체 내에서의 화학 반응

(1) 생명체에서 일어나는 대부분의 화학 반응에는 효소의 촉매 반응이 필요하다.

(2) 촉매: 화학 반응에서 소모되거나 변화되지 않으면서 활성화 에너지를 변화시켜 반응 속도를 조절하는 물질이다. 생명체 밖에서 화학 반응을 촉진하는 무기 화합물은 무기 촉매라고 부른다.

(3) 생명체에서 합성되는 효소는 생체 촉매라고 부르며, 생명체에서 화학 반응의 속도를 증가시킨다.

▣ 효소의 작용

(1) 활성화 에너지는 화학 반응이 일어나는 데 필요한 최소한의 에너지로, 반응물이 넘어야 할 에너지 장벽이다.

(2) 반응물이 활성화 에너지 이상의 충분한 에너지를 가지고 있어야만 화학 반응이 일어날 수 있다.

(3) 효소는 활성화 에너지를 낮춤으로써 더 많은 반응물이 화학 반응에 참여할 수 있도록 하여 화학 반응의 속도를 증가시킨다.

(4) 반응열: 화학 반응이 일어날 때 방출되거나 흡수되는 열로 반응물과 생성물의 에너지 차이를 의미한다. 반응열은 효소의 영향을 받지 않기 때문에 효소의 유무에 상관없이 반응열의 크기는 일정하다.

(5) 효소와 결합하는 반응물을 기질이라고 하며, 효소는 기질과 결합하여 효소·기질 복합체를 형성함으로써 활성화 에너지를 낮추어 화학 반응을 촉진한다.

(6) 기질이 효소의 활성 부위에 결합하여 복합체를 이루고 있는 동안 효소의 촉매 작용으로 기질은 생성물로 전환되며, 화학 반응이 끝나면 효소와 생성물이 분리된다. 분리된 효소를 다시 새로운 기질과 결합하여 촉매 작용을 반복한다.

(7) 효소는 화학 반응 동안 소모되거나 변화하지 않으면서 기질과 결합하여 촉매 작용을 반복하기 때문에 생명체에서 효소가 촉매하는 화학 반응은 매우 빠르게 일어난다.

▣ 효소의 특성

(1) 효소는 기질 특이성을 가지고 있어 활성 부위에 잘 들어맞는 입체 구조를 가진 특정 기질하고만 결합하여 반응을 촉매한다.

예) 설탕과 젖당은 모두 이당류의 물질이지만, 소화 효소인 락테이스는 설탕과는 반응하지 않고, 자신의 활성 부위에 잘 들어맞는 입체 구조를 가진 젖당과만 결합하여 젖당을 포도당과 갈락토스로 분해한다.

(2) 기질 특이성을 가지므로 생명체가 가지는 효소의 종류는 기질의 종류만큼 다양하다.

우유를 마시면 속이 부글부글?

사람은 우유 속의 젖당을 젖당 분해 효소인 락테이스를 이용해 포도당과 갈락토스로 소화하고, 소화된 산물을 흡수하여 온몸에 전달한다. 하지만 어떤 사람들은 락테이스가 부족하여 젖당 소화에 어려움을 겪는데 이러한 증상을 젖당불내증 또는 젖당못견딤증이라고 한다. 젖당불내증이 있는 사람이 우유를 마시게 되면 젖당은 소화되지 않은 채로 소화 기관을 지나가며, 이러한 젖당은 장내 세균의 좋은 먹이가 된다. 장내 세균이 젖당을 섭취하여 분해하는 과정에서 가스가 발생해 속이 더부룩하고 불편해지며, 삼투로 물이 소화 기관으로 몰려들어 설사하게 된다.

◈ 효소의 구조와 종류

▣ 효소의 구조

(1) 효소 대부분은 단백질이 주성분이며, 그 종류에 따라 단백질로만 구성되어 기능을 수행하는 것도 있지만 비단백질 성분인 보조 인자가 단백질에 결합하여 기능을 수행하는 것도 있다.

(2) 보조 인자가 결합하여 기능을 수행하는 효소의 단백질 부분을 주효소라고 하며, 주효소에 보조 인자가 결합하여 완전한 활성을 가지는 효소를 전효소라고 한다.

(3) 보조 인자의 종류와 기능

– 보조 인자의 종류와 특징: 보조 인자 중에는 주효소에 일시적으로 결합하였다가 반응이 끝나면 분리되어 다른 반응에 참여하는 것도 있지만, 주효소에 강하게 결합하여 분리되지 않는 것도 있다.

종류	특징
금속 이온	– 주효소에 일시적으로 결합하여 산화 또는 환원되면서 효소가 활성을 가지도록 돕는 무기 이온이다.   예) 구리 이온(Cu2+), 철 이온(Fe2+ 또는 Fe3+), 아연, 마그네슘
조효소	– 비타민 등의 유기물로 이루어진 보조 인자로 주효소에 일시적으로 결합하여 반응이 끝나면 분리된다.   예) NAD+, FAD, NADP+ 등
보결족(보결 분자단)	– 주효소와 매우 강하게 결합하여 분리되지 않는 보조 인자로 보통 금속 이온과 유기물 분자를 함께 포함한다.   예) 헤모글로빈과 사이토크롬에 존재하는 헴 그룹 등

– 보조 인자의 작용

주효소에 결합하여 기질이 효소의 활성 부위에 결합할 수 있도록 돕는다.

수소 원자나 전자, 특정 작용기를 다른 물질에 전달한다.

▣ 효소의 종류: 생물체 내에서 일어나는 물질대사의 종류가 다양하므로 물질대사에 관여하는 효소의 종류도 다양한다. 효소는 작용하는 반응의 종류에 따라 6가지로 분류된다.

종류	기능
산화 환원 효소	산화 환원 반응에서 H, O 또는 전자를 다른 분자에 전달한다.
전이 효소	특정 기질에서 작용기를 떼어 다른 분자에 전달한다.
가수 분해 효소	물 분자를 첨가하여 기질을 분해한다.
제거 부가 효소	기질로부터 작용기를 제거하여 이중 결합을 형성하거나, 반대로 이중 결합에 작용기를 첨가해 단일 결합을 형성한다.
이성질화 효소	기질을 이루는 원자의 위치를 변화시켜 분자 구조와 성질이 다른 이성질체로 전환한다.
연결 효소	에너지를 사용하여 두 기질 분자를 연결한다.

◈ 효소의 작용에 영향을 미치는 요인

▣ 온도

(1) 효소가 촉매하는 화학 반응 속도는 효소와 기질이 결합하여 형성되는 효소·기질 복합체의 농도에 비례한다.

(2) 효소가 촉매하는 대부분의 화학 반응에서 온도가 높아질수록 기질은 더 활발하게 움직여 효소의 활성 부위에 빈번하게 충돌한다. 그 결과 효소·기질 복합체가 더 많이 형성되므로 반응 속도가 증가한다.

(3) 반응 속도가 최대가 될 때 온도를 최적 온도라고 한다.

(4) 최적 온도보다 온도가 높아지면 효소의 주성분인 단백질이 열에 의해 입체 구조가 달라지는 변성이 일어나며, 그 결과, 효소·기질 복합체의 생성이 줄어들어 반응 속도는 급격히 감소한다.

▣ pH

(1) 효소가 촉매하는 화학 반응 속도는 pH의 영향을 받으며, 반응 속도가 최대가 될 때의 pH를 최적 pH라고 한다.

(2) 최적 pH를 벗어난 환경에서는 효소의 주성분인 단백질의 입체 구조가 달라지는 변성이 일어나며, 그 결과 효소·기질 복합체의 생성이 줄어들어 반응 속도는 감소한다.

▣ 기질의 농도

(1) 효소의 농도가 일정할 때 기질의 농도가 증가함에 따라 효소·기질 복합체가 더 많이 생성되므로 반응 속도는 증가한다.

(2) 기질의 농도가 증가함에 따라 반응 속도의 증가는 둔화하며, 기질의 농도가 일정 수준을 넘어서면 모든 효소가 기질과 결합하므로 반응 속도는 일정해진다.

▣ 저해제

(1) 효소와 결합하여 효소가 촉매하는 화학 반응의 속도를 감소시키는 물질을 저해제라고 한다.

(2) 저해제의 종류

– 경쟁적 저해제

기질과 유사한 입체 구조로 되어 있어 효소의 활성 부위를 두고 기질과 경쟁적으로 결합한다.

기질 대신 경쟁적 저해제가 효소의 활성 부위에 결합하면 효소·기질 복합체가 형성되지 못하므로 효소의 작용이 저해된다.

기질의 농도가 증가하면 경쟁적 저해제의 저해 효과는 감소한다.

예) 말론산: 석신산 탈수소 효소의 활성 부위에 석신산 대신에 결합하여 효소의 작용을 경쟁적으로 저해한다.

– 비경쟁적 저해제

효소의 활성 부위가 아닌 다른 부위에 결합하여 효소의 구조를 변형시킴으로써 효소의 작용을 저해한다.

기질이 효소의 활성 부위에 결합한다고 해도 감소한 효소의 활성 때문에 반응 속도는 저해제가 작용하지 않았을 때보다 느리다.

활성 부위를 두고 기질과 경쟁하지 않으므로 기질의 농도가 증가해도 비경쟁적 저해제의 저해 효과는 감소하지 않는다.

예) 히루딘: 거머리에서 분비되는 히루딘은 혈액 응고 과정에 관련된 효소의 작용을 비경쟁적으로 저해한다.

(3) 저해제는 해충을 없애거나, 질병을 치료하는 의약품과 항암제 개발 등 다양한 분야에서 유용하게 쓰이고 있다.

(4) 생명체에서 일부 물질대사 과정에서 생성된 최종 산물이 이 물질대사 과정의 초기 단계를 촉매하는 효소에 비경쟁적 저해제처럼 작용하여 물질대사 과정을 조절한다.

▣ 효소의 작용과 특성

• 효소의 기질 특이성을 설명하는 모델

– 자물쇠-열쇠 모델: 1894년 독일의 화학자 에밀 피셔가 제안한 모델로 기질과 효소의 관계를 자물쇠와 열쇠에 비유하였다. 효소의 활성 부위와 기질의 구조는 열쇠와 자물쇠처럼 구조적으로 정확히 들어맞게 되어 있어서 구조적인 변화 없이 서로 결합하여 효소·기질 복합체를 형성한다.

– 유도 적합 모델: 효소의 활성 부위와 기질의 구조가 정확히 들어맞지 않지만, 기질이 효소의 활성 부위에 결합할 때 활성 부위의 구조가 기질에 잘 들어맞도록 변화하여 효소·기질 복합체를 형성한다. 화학 반응이 종료되면 효소의 활성 부위는 원래의 구조로 되돌아간다.

• 효소의 작용에 영향을 미치는 요인

– 온도가 무기 촉매와 효소의 작용에 미치는 영향

무기 촉매가 촉매하는 화학 반응은 온도가 높아질수록 반응 속도가 계속 빨라지지만, 효소는 최적 온도에서 반응 속도가 가장 빠르며, 최적 온도보다 높아지면 효소의 주성분인 단백질의 입체 구조가 변화하여 효소·기질 복합체의 생성이 줄어들기 때문에 반응 속도는 오히려 감소한다.

– 사람의 체온이 급격히 상승하면 위험한 까닭?

사람의 정상 체온은 대략 36.5℃이며, 사람의 체온에 급격한 변화가 일어나게 되면 목숨이 위험할 수 있다. 고온이 지속하면 사람의 몸에서 중요한 생명 활동을 촉매하는 효소가 변성되어 제 기능을 못 할 수 있기 때문이다. 갓난아기가 고온에 시달릴 때 재빨리 옷을 벗기고 물에 적신 수건으로 몸을 닦는 까닭은 체온을 낮추어 효소의 변성을 막기 위해서이다. 또, 치타가 계속 다릴 수 없는 까닭 중 하나는 체온이 급상승해서 생명에 지장이 오기 때문이라고 한다. 반면에 사람의 체온이 정상 체온보다 떨어져도 효소의 활성이 감소하여 생명 활동이 제대로 일어날 수 없으므로 위험할 수 있다. 우리가 추운 날씨에 밖에서 잠이 들면 위험하다고 하는 까닭도 바로 이 때문이다.

▣ 저해제의 종류

• 비가역적 저해제: 효소와 비가역적으로 결합하여 효소의 작용을 저해하며, 효소와 결합하면 분리되지 않는다. 예) 페니실린
• 가역적 저해제: 효소와 가역적으로 결합하여 효소의 작용을 억제한다.

• 경쟁적 저해제: 기질과 유사한 입체 구조로 되어 있어 효소의 활성 부위를 두고 기질과 경쟁적으로 결합한다. 기질의 농도가 증가하면 저해 효과가 감소한다. 예) 말론산
• 비경쟁적 저해제: 효소의 활성 부위가 아닌 다른 부위에 결합하여 효소의 작용을 저해한다. 비경쟁적 저해제가 효소에 결합하면 효소의 활성 부위의 구조를 변화시키므로 기질과 효소의 결합을 저해한다. 비경쟁적 저해제로 인한 효소의 활성이 감소하여 반응 속도는 저해제가 작용하지 않았을 때보다 느리다. 활성 부위를 두고 기질과 경쟁하지 않으므로 기질의 농도가 증가하여도 저해 효과는 감소하지 않는다. 예) 거머리의 히루딘

▣ 페니실린

최초의 항생제로 1928년 플레밍이 발견하고 체인과 플로리에 의해 정제되었다. 푸른곰팡이에서 얻을 수 있으며 세균의 세포벽을 만드는 데 관여하는 효소의 활성 부위에 직접 결합하여 효소의 작용을 저해한다. 페니실린은 효소의 활성 부위에 비가역적으로 결합하여 반응 후에도 분리되지 않기 때문에 기질의 농도가 증가해도 저해 효과가 감소하지 않는다.

 

 

참고자료: 지학사 생명과학2 교과서, EBS 수능특강 생명과학2