효소의 이해

효소의 이해          

효소의 정의
살아있는 생물의 세포는 안과 밖에서 많은 생화학 반응이 일어나고 있습니다. 그러나 대부분의 생화학 반응은,
효소라는 거대 단백질 분자의 도움이 없다면 무척 느리게 진행되어 생명을 유지할 수 없게 될 것입니다.

생물체내의 모든 효소는 생물 세포 내에서 생산됩니다. 그리고 대부분의 효소는 세포내의 생화학반응의 속도를
증가시키는데 이용됩니다. 그러나 몇몇 효소는 세포 밖으로 배출되어 세포 외부의 화학반응을 촉진시키는데
사용되기도 합니다.

화학반응은 분자들이 상호반응하여 반응물과 다른 또 다른 분자를 생산하는 것인데, 효소는 이 화학반응의 속도를
빠르게 하므로 촉매고 불리웁니다. 특히 효소가 관련되는 화학반응을 효소촉매반응이라고 하며, 효소반응에서
반응물은 효소와 결합하는데, 이것을 기질이라 부부릅니다.

화학반응에서 반응물이 반응을 일으키기 위해서는 일정량의 에너지를 흡수해야 합니다. 이때 반응을 위해 필요한
이 일정량의 에너지를 활성화에너지라고 부릅니다. 살아있는 생물의 외부에서 일어나는 화학반응에서는,
활성화에너지가 열을 가함으로서 공급될 수 있습니다.
사람과 같은 살아있는 생명체 내부에서는, 활성화에너지를 공급하기 위해 직접 열을 가할 수 없습니다. 왜냐하면
우리 몸에 열을 가하면 생물내부의 온도가 올라가 생물체가 죽게되기 때문입니다. 결국 열을 올리지 않으려면
활성화에너지의 절대량이 낮아져야 합니다. 활성화에너지를 낮추는 바로 이 역할을 효소가 하는 것입니다.

대부분의 효소는 이름의 끝이 –아제 (영어로는 –ase)로 되어있습니다. 그리고 효소이름의 앞부분은 기질의
이름에서 따온 것이 많습니다. 예를 들어 단백질 분해효소는 단백질의 의미인 프로테인과 효소의 아제가 붙어
프로테아제라고 부릅니다.

효소 촉매반응의 작용방법을 이해하기 위해서는 효소의 구조를 알아야 합니다. 그림처럼 단백질 분자는 그 표면에
활성부위라고 하는 주머니 모양을 지니고 있습니다. 이때 각각의 활성부위는 특별한 모양으로 되어 있어 오직 하나
혹은 두가지 정도의 기질만이 그 주머니와 결합할 수 있게됩니다.
분자적으로보면 효소는 거대분자입니다. 그러나 실제 그 크기는 무척 작아 핀의 머리를 덮기 위해 10억개의
효소분자가 필요할 정도입니다.
효소와 기질의 결합을 설명하는 두가지의 다른 모형이 있는데, 하나는 자물쇠-열쇠 모형이고 다른 하나는 유발 적합
모형입니다.


자물쇠-열쇠 모형은, 기질이 효소의 활성부위에 들어가 효소기질 복합체를 이룬다고 설명하는 모델입니다.
마치 열쇠가 자물쇠의 구멍에 들어가듯이 말이죠.

발 적합모델에서는, 효소의 활성부위가 기질의 모양과 맞지 않는다고 가정합니다.대신, 효소가 기질과 일차로
결합한 후 효소의 활성자리의 모양이 변화여 기질과 결합할 수 있게 된다고 설명합니다.

두 모형 모두 효소와 기질이 결합한 후 기질내부의 결합이 효소에 의해 잘라져 두개의 다른 물질로 분리된다고
설명합니다. 이것이 가수분해 반응입니다.

물론 효소는 서로 다른 두개의 분자를 결합하는 기능도 합니다. 합성기능이죠. 효소는 두 기질을 서로 아주 가까운
위치에 결합한 후 둘 사이에 결합이 일어나도록 반응을 촉매하는 것입니다.

효소는 촉매이므로 화학반응중에 소모되거나 변하지 않습니다. 따라서 효소는 새로운 반응에 계속적으로 사용될
수 있습니다. 어떤 경우는 하나의 효소가 일초에 수천번의 반응을 촉매하기도 합니다. 이러한 믿을 수 없는 효율
때문에 효소는 세포내에 매우 적은 농도만 존재해도 그 역할을 다 할 수 있습니다.

효소의 활성에 영향을 주는 많은 요인들이 알려져 있습니다. 그중 하나가 효소의 활성에 영향을 주는 외부의
온도입니다. 일반적으로 세포 내부의 온도가 증가하면 기질분자의 움직임이 증가하게 됩니다. 따라서 미시적으로
보면 기질 분자가 효소와 충돌하여 만날 가능성이 무척 커집니다. 그러므로 효소의 반응 속도는 어느 정도 온도에
따라 증가한다고 할 수 있습니다.

효소의 활성은 온도가 증가함에 따라 지속적으로 증가합니다. 물론 사람에게 있어서는 효소의 기능이 37도씨에서
최고를 나타내게 되도록 설계되어 있습니다.

그러나 사람의 체온이 40도씨가 넘으면 효소의 활성은 감소하기 시작합니다. 왜냐하면 효소 단백질은 높은
온도에서는 성질이 변하기 때문입니다. 이것을 단백질의 변성이라고 합니다. 효소가 변성되면 효소의 활성자리의
모양이 변하여 더 이상 기질과 결합할 수 없게 됩니다. 따라서 더 이상의 효소촉매 반응은 불가능하게 되는 것입니다.

효소촉매반응의 속도는 효소와 기질이 얼마나 자주 만나느냐에 달려있습니다. 그러므로 효소의 농도를 증가시키면
일정한 시간내에 기질과 효소가 만날 수 있는 기회가 늘게되는 것은 당연합니다. 효소 활성속도는 어느정도까지
계속 증가하게 되는데, 모든 기질이 효소와 반응하고 나면 더 이상 반응이 진행되지 않습니다. 이 상태가 되면
효소의 농도를 증가시켜도 반응속도는 증가하지 않게됩니다.

한편, 효소의 양보다 기질이 적은 경우는 기질의 농도를 증가시켜서 효소활성 속도를 증가시킬 수 있습니다.
알다시피, 효소분자의 활성부위가 기질로 모두 차면 효소활성 속도는 더 이상 증가하지 않는 것입니다..

효소 활성에 영향을 미치는 다른 요인은 산도 혹은 영어로 피에치라고 합니다. 효소마다 가장 잘 작용할 수 있는
산도는 다양한데, 한 예로 위에서 소화를 담당하는 펩신이라는 효소는 산성환경에서 활성을 나타내게 됩니다.

여기서 산성이란 피에치가 7이하인 경우를 가리킵니다. 한편 소장에서 소화를 돕는 트립신이라는 효소가 있는데 이
효소는 피에치가 7이상인 조건에서 활성을 나타내게 됩니다.

최근 덴마크에서는 습한 웅덩이 속에서 2000년이 넘은 사람의 몸이 거의 변형이 되지 않은 체 발견되었다고 합니다.
사람이 몸이 그대로 유지된 이유는 습지의 토양은 산성이므로 일반적으로 신체를 분해하는 효소가 활성을 나타내지
못했기 때문이라고 추측합니다. 산성조건이었기 때문에 그 사람의 몸은 아주 잘 보존될 수 있었던 거죠.

대부분의 많은 효소들은 활성을 나타내기 위하여 단백질이 아닌 다른 첨가물질을 필요로 하는데, 이것을
보조인자라고 합니다. 보조인자는 비타민이, 칼슘 혹은 철 등의 미네랄이 될 수도 있고, 만일 보조인자가
비타민등의 유기물이라면 이경우를 조효소라고 합니다. 그러므로 우리 식사에서 비타민과 미네랄이 무척
중요한 것입니다.

몇몇 효소의 활성은 특정한 분자에 의해 그 활성이 저해를 받습니다.

비경쟁적 저해제는 효소의 활성위치 이외의 다른 부위에 결합하여 효소의 활성을 저해하는 물질을 가리킵니다.
저해제가 효소에 달라붙으면 효소는 그 모양이 변하게 되며 이렇게 변화된 모양 때문에 기질이 효소와 결합할 수
없게 만들어 반응을 저해하는 것입니다.

이 비경쟁적 저해 분가가 결합하는 효소의 결합위치를 “다른자리입체성위치”라고 합니다. 이 비경쟁적 저해제를
다른말로 다른자리입체성억제자라고 부릅니다. 이러한 방법에 의해 효소의 활성이 조절되는 효소를
다른자리입체성 효소라고 하고 영어로는 알로스테릭 엔자임이라고 부릅니다.

효소가 기질과 결합하는 위치에 결합하여 효소의 활성을 방해하는 물질을 경쟁적저해제라고 합니다.
이러한 경쟁적 저해제의 대표적인 예로 항생제인 페니실린을 들 수 있는데, 페니실린은 미생물의 효소에 결합하여
이 미생물이 자신의 세포벽을 생합성하는 것을 억제시킵니다. 결국 이 미생물은 죽게 되는 것입니다.

어떤 알로스테릭 효소는 효소가 활성을 나타내기 위해 다른자리입체성 위치에 특정한 물질이 반드시 달라붙어야
합니다. 이렇게 효소의 활성을 촉진하는 물질을 다른자리입체성활성화인자라고 부릅니다.

일례로 4개의 소단위로 구성된 효소분자의 경우, 각각의 소단위는 개별적으로 활성위치를 지니고 있습니다.
이때 다른자리성 위치는 각 소단위와 소단위 사이에 존재합니다.

이 효소는 활성형태와 비활성형태로 계속 모양을 바꾸게 됩니다. 다른자리성활성인자가 다른자리성위치에
결합하면 효소는 활성화되고, 효소가 불활성화되는 것을 방지하게 됩니다. 이제 효소의 모든 활성자리는
기질분자와 결합할 수 있게 됩니다.

한편 다른 자리성저해제가 다른자리성위치에 붙으면 효소는 불활성화된 형태로 굳어지게 됩니다.
결과적으로 어떤 소단위도 기질과 결합할 수 없게 되는 것입니다.

기질 분자도 효소의 활성을 증가시킬수 있습니다. 유발적합모형에서 기질이 효소의 활성위치에 들어갈 때 효소의
형태가 변화된다는 것은 이미 공부하여 알고 있습니다.

만일 효소가 두개 이상의 소단위로 구성되어 있고 각 소단위마다 기질결합위치가 존재한다면, 한 개의 기질이
효소의 형태에 변화를 주어 또 다른 기질이 결합하기 쉽게 할 수 있습니다. 이 방법으로 효소의 활성을 증가시키는
것을 협동적 활성증가라고 합니다.

대부분 효소촉매 반응은 물질을 합성하거나 분해하는 반응을 연속적으로 수행합니다. 이와 같은 연속적인 반응을
우리는 대사경로라고 부릅니다.

대사경로에 포함된 각각의 반응은 서로 다른 효소를 필요로 하며, 한 반응의 결과물은 다른 반응의 반응물로
사용되어 최종목적 물질이 형성될때까지 반응은 이어집니다.

우리는 효소의 활성을 조절하여 대사경로의 스위치를 켜거나 끌 수 있습니다. 가장 대표적인 대사조절 방법은
되먹임저해입니다.

대사과정의 어떤 산물이 다른 효소의 다른자리입체성저해제로 작용하여 다음 대사를 진행하지 못하게 할 수도
있습니다. 예를 들어 대사과정의 최종 산물이, 대사과정의 첫번째 효소의 다른자리입체성위체에 결합하게되면,
이 첫째 효소는 그 형태가 변하여 기질과 반응할 수 없게 되는데, 그렇게 되면 이 대사경로는 시작조차 할 수 없게
되는 것입니다. 이 과정은 미생물로 하여금 미생물 내부의 화학물질을 낭비하지 않도록 하는 역할을 합니다.

효소의 중요성은 아무리 말해도 지나치지 않습니다.

효소는 세포의 호흡, 디엔에이(DNA)의 복제와 음식물의 소화 등 우리 몸에서 일어나는 모든 반응에 관여합니다.
따라서 생명체의 형성과 세포의 역할 등에 대한 이해를 넓히기 위하여 많은 생물학자들이 효소와 관련된 새로운
분야에서 연구를 계속하고 있습니다. 여러분도 이제 효소에 많은 관심을 가져 보시기 바랍니다.

효소란
酵素 enzyme 세포에서 합성되어 생체반응을 촉매하는 단백질. 단세포생물인 미생물에서부터 고등동·식물, 인간에
이르기까지 모든 생체 속에서 생명의 유지에 필수적인 존재이다.
효소의 주성분인 단백질은 약 20종의 L-아미노산으로 구성된 폴리펩티드사슬이 구성아미노산들 사이의 상호작용에
의해 3차원적 입체구조를 이루고 있다.
효소단백질은 근육단백질이나 막단백질 등의 구조단백질과는 달리 분자 내에 활성 부위를 갖는다.
효소의 활성·구조유지에는 단백질 이외에 특정한 유기화합물인 조효소, 금속이온 무기(無機) 양이온·음이온 등의
비단백질성 분자나 이온이 요구되기도 한다.
〔효소의 연구〕 효소는 그 이름이 나타내는 것처럼 원래 발효와 밀접한 관계를 가지고 있으며, 인류는 효소의
존재가 밝혀져 있지 않았던 오랜 옛날부터 이미 효소를 일상적으로 이용하였다.
술·치즈·된장·간장 등의 각종 발효식품의 제조에서 오랜 경험을 통하여 발효에 관여하는 미생물 균주(菌株)의 선정,
적정한 발효온도·수소이온농도(pH)·산소분압(酸素分壓) 등 여러 가지 조건을 알고 있었다.
또한 발효가 적절하게 진행된 시점에서 가열살균하여 과도한 반응을 억제하고 알코올이 산(酸)으로 변화하는 것을
막는 기술도 가지고 있었다.
그러나 효소를 생명체로부터 추출·분리하여 이용할 수 있다는 사실을 실증한 것은, 1932년 A. 페양과 J.F. 페르소의
디아스타아제 발견과 명명, 33년 엿기름 추출액에 의한 전분의 당화(糖化), 36년 T. 슈반의 펩신의 발견 등 몇 가지
선구적 업적이 계기가 되었다.
이후 J.F. 리비히와 L. 파스퇴르의 생기논쟁(生氣論爭), 그리고 96년 E. 부흐너의 효모 추출액에 의한 알코올발효
성공을 정점으로 하여, 효소가 생체 대사(代謝)의 단백질성 촉매라는 사실에 대한 이해가 깊어졌다.
1878년 W. 퀴네는 ＜효모(酵母) 속에 존재하는 것＞을 뜻하는 그리스어로 효소 Enzym이라는 이름을 부여하였다.
1926년 J.B. 섬너는 우레아제의 순수 결정분리에 성공하여 효소가 단백질임을 밝혔다.
뒤이어 여러 효소가 차례로 결정화되었고 초원심분석법·전기영동법·X선회절법 등의 급속한 발달로 효소분자의 구조,
촉매기능·조절기능 등이 점차 밝혀지게 되었다. 〔
효소의 구조〕 효소단백질의 분자량은 약 1만에서 수백만에 이르지만 모두 1개의 폴리펩티드를 서브유닛으로 하는
집합체이다.
생합성되는 효소단백질의 종류는 수천에서 수만이지만, 각 단백질의 구조와 성질의 차이는 우선적으로
폴리펩티드를 구성하는 아미노산의 조성과 배열의 차이에 기인한다.
단백질의 1차구조는 DNA의 유전정보에 따라 다르며 여기에 다시 서브유닛의 조합이나 보결인자(cofactor)의
유무와 종류에 의해서도 영향을 받는다. 효소를 구성하는 단백질 부분을 아포효소, 아포효소에 보결인자가 결합한
것을 홀로효소라고 한다.
보결인자 중에는 비타민 B, B, B 등과 ATP와 같은 유기물질도 포함되며, 이러한 것들을 특히 조효소라고 한다.
이 밖에 K, Na, Cl, Ca²등의 이온을 요구하는 효소도 있다.
유전정보에 따라 각종 아미노산이 효소에 의해 펩티드 결합으로 폴리펩티드사슬을 형성하면 그 속의 각종
아미노산잔기의 곁사슬이 상호작용 α-나선·β-병풍구조·랜덤코일 등의 2차구조가 형성된다.
그리고 이들 2차구조가 조합되는 방식에 따라 구상(球狀)·간상(桿狀)·판상(板狀) 등의 3차구조가 형성된다.
분자량이 큰 효소의 경우에는 동종(同種) 또는 이종(異種)의 폴리펩티드사슬 사이의 비공유결합성 상호작용에
의하여 서브유닛을 가지는 올리고머효소가 형성된다.
이와 같은 2차∼4차 구조를 단백질의 고차구조(高次構造)라고도 한다〔그림 1〕.
효소의 구조에서 가장 두드러진 특징은, 분자의 일부가 기질이나 조효소가 결합하는 활성부위로 작용하며 대개의
경우 활성부위는 효소분자의 표면에서 내부쪽을 향하여 열린 가는 간극(間隙)의 형태로 되어 있다.
〔효소의 특이성〕 효소는 다른 화학촉매와는 달리 작용하는 기질의 범위가 매우 좁다.
예를 들어 염산에 의한 당의 가수분해는 전분을 비롯한 각종 다당류·올리고당에 적용되지만, 전분을 기질로 하는
아밀라아제는 글리코겐이나 크실란 등에는 작용하지 않는다.
또한 L-알라닌을 기질로 하는 알라닌탈수소효소는 D-알라닌에는 작용하지 않는다.
이러한 특징을 효소의 기질특이성(基質特異性)이라고 한다.
또한 효소가 다르면 동일한 기질에 대한 작용이 다르다.
예를 들어 글루탐산을 기질로 하여 탈수소반응을 촉매하는 효소와 아미노기 전이반응을 촉매하는 효소는 다르다.
이것을 효소의 반응특이성이라고 한다. 이와 같이 효소는 기질과 반응에 대하여 매우 엄격한 특이성을 나타낸다.
〔표 1〕은 각종 반응을 촉매하는 효소의 종류를 나타내었다.
효소가 화학촉매와 다른 또 하나의 큰 특징은, 화학반응에서 보통 요구되는 고온·가압, 강산성 또는 강염기성 pH
조건 대신 효소반응은 상온(常溫)·상압(常壓)·생리적 pH라고 하는 온건한 조건 밑에서도 효율적으로 일어나며
반응의 활성화에너지도 극히 작다는 점이다.
효소의 촉매반응은 〔그림 2〕처럼 3가지 과정을 거쳐 진행한다. 먼저 효소 E의 활성부위에 기질 S가 결합하여
효소·기질복합체 ES가 형성된다.
이 복합체는 매우 불안정하고 촉매반응이 진행되지 않는 경우에는 쉽게 해리한다.
반응이 진행될 경우에는 활성부위에서 기질은 생성물로 변화하고 생성물 P는 효소로부터 유리된다.
원래의 상태로 돌아간 효소는 곧 다음 기질에 작용하게 된다.
이 일련의 반응이 1회전하는 속도를 회전율 또는 분자활성도로 나타내며, 보통 1㏖의 효소분자가 1분간 변화시키는
기질의 몰수를 단위로 사용한다. 그 값은 생리적 조건 아래서 수천∼수만이다.
일반적인 효소반응을 식으로 나타내면 다음과 같다.

E＋SESE＋P
효소의 존재양식〕 조성적(組成的)으로 볼 때 1개의 폴리펩티드만으로 이루어진 모노머효소, 여러 개의 동종(同種)
또는 이종(異種) 서브유닛으로 구성되는 올리고머효소로 나누어진다.
한편 당(糖)·지질(脂質) 그 밖의 비단백질성 분자가 공유결합된 복합단백질성 효소도 있다.
활성을 나타내기 위하여 조효소나 양이온·음이온을 요구하는 것과 단백질만으로 충분한 효소도 있다.
생체에서는 대사과정에 따라 일련의 화학반응을 촉매하는 효소들이 밀접하게 위치하여 군을 형성하는 다효소복합체
(多酵素複合體)도 알려져 있다.
한편 불활성의 전구체로 합성되어 필요에 따라 그 일부가 프로테아제에 의해 분해되어야 효소로서의 활성을 갖는
경우도 있다.
키모트립시노겐에서 키모트립신, 펩시노겐에서 펩신이 생성되는 것처럼 주로 프로테아제에서 많은 예를 볼 수 있다.
이소자임은 동일한 반응을 촉매하는 2종 이상의 분자로 존재하는 효소이다. 젖산탈수소효소는 4개의 서브유닛으로
구성되는데, 2종(H형과 M형)의 서브유닛을 조합하여 테트라머를 만들면 모두 5종류의 이소자임이 만들어진다.
이것들의 분포는 기관(器官)에 따라 유전적으로 결정된다.
효소와 생명〕 생명활동을 유지하는 각종 화학반응(물질의 합성·분해, 이동, 배출, 해독, 에너지의 공급 등)에는
모두 효소가 관여한다.
또한 효소는 단순한 촉매기능 이외에 막단백질이나 근육 단백질의 기능조절 등 생명활동의 조절에도 관여한다.
효소에의 조절기능은 기본적으로 알로스테릭효과에 의하여 억제 또는 촉진된다.
예를 들면 〔그림 3〕에 나타낸 ATC아제(아스파라긴산카르바모일전이효소)의 경우 최종산물인 CTP(시티딘3-인산)
가 반응의 첫단계를 촉매하는 ATC아제의 조절(調節) 서브유닛에 결합하면, 효소의 입체구조가 변화하여 활성이
조절된다.
오페론설을 발표한 J. 모노는 이러한 조절효과를 효소의 활성이 기질과 구조가 다른 물질에 의하여 조절된다는
의미로, 알로스테릭효과(allosteric effects)라고 하였다.
또한 이소류신·트립토판 등의 아미노산이 세포 안에서 필요 이상으로 생산되면, 그들의 생합성을 자동적으로
억제하는 구조가 작동하며 그 메커니즘의 연구로부터 반응 첫 단계에 위치하는 효소의 활성이 반응 최종생성물에
의하여 억제되는 피드백저해구조가 밝혀졌다.
피드백저해의 또 다른 대표적인 예는 대장균의 글루탐산합성효소의 아데닐화이다.
대장균에서의 글루탐합성반응은 각종 생체물질의 생합성의 초기단계에 위치하며 그들 대사산물에 의하여
피드백저해를 받는데, 효소분자의 특정한 티로신에 AMP가 공유결합하면, 피드백감수성과 금속요구성이 크게
변화한다는 사실이 밝혀졌다.
〔효소이상〕 효소 단백질의 유전자에 이상이 생겨 효소가 결손되거나 촉매기능에 이상이 생기면 선천성
대사이상을 일으킨다. 잘 알려져 있는 것이 페닐케튼요증이다.
이 질병은 페닐알라닌을 티로신으로 전환하는 페닐알라닌히드록실라아제의 선천적 결손에 유래하는 질병이며,
유아기에 방치하면 뇌신경 장애를 유발한다.
유유아(乳幼兒)에 이상이 발견되면 페닐알라닌을 함유하지 않는 식사요법으로 장애를 방지할 수 있다.
효소이상질환(酵素異常疾患)은 반드시 선천적인 것은 아니고 후천적 효소의 생합성·분해의 속도 이상, 효소분자의
성질·구조의 변화 등 여러 가지 원인이 있다.
〔효소의 이용〕 효소의 특성을 식품·의약·농약·공업용물질 등에 활용하면 제품의 순도와 생산의 효율성을 높일 수
있다〔표 2〕.
한편 프로테아제의 투여에 의한 축농증의 치료를 비롯하여 효소를 직접 의료에 사용하는 예도 적지 않으며 많은
성과를 거두고 있다