효소와 활성화 에너지, 효소의 성질

효소(enzyme)

◎ 효소와 활성화 에너지

화학반응에 있어서 반응 물질과 생성 물질 사이에는 이들을 갈라놓는 에너지 언덕이 있습니다. 화학반응이 진행되어 반응 물질이 생성 물질로 되기 위해서는 이 에너지 언덕을 넘어야 합니다. 이는 마치 언덕 아래에 있는 돌이 언덕 위에 높여져야 비로소 언덕 아래로 떨어질 수 있는 이치와 같습니다. 이처럼 반응 물질이 생성 물질로 되기 위해서 넘어야 하는 에너지 언덕, 즉 반응을 일으키는 데 필요한 최소한의 에너지를 활성화 에너지라고 합니다.

그런데 생명체 내의 세포에 있는 거의 모든 분자들은 활성화 에너지 이상의 에너지를 가지지 못합니다. 그러나 세포에는 효소라는 촉매가 있어 활성화 에너지를 낮추므로 반응이 신속하게 일어날 수 있습니다. 즉 활성화 에너지는 촉매(효소)에 의해서 그 크기가 조절 될 수 있습니다.

 

◎ 효소의 성질

단백질이 주성분인 계란의 흰자는 100℃의 열을 가하면 하얗게 변합니다. 그 이유는 단백질이 열에 약하여 열을 받을 경우 그것의 입체 구조가 바뀌기 때문입니다. 이와 마찬가지로 효소도 일종의 단백질로 구성되어 있기 때문에 열이나 pH와 같은 환경 요인에 의해서 입체 구조가 바뀌게 됩니다. 효소의 입체 구조가 바뀌면 효소가 기능을 제대로 하지 못합니다.

 

◎ 기질의 농도가 효소의 작용에 미치는 영향

효소가 화학 반응을 촉매 하는 과정에서 효소와 기질이 서로 결합하여 일시적으로 효소-기질 복합체를 형성합니다. 효소가 기질과 결합하는 부위를 활성 부위라고 합니다. 이 활성 부위는 기질과 결합하기에 적절한 모양이어야 합니다. 쉽게 말해서 자물쇠와 열쇠가 있는데, 이 둘이 제대로 작동하기 위해서는 열쇠를 자물쇠에 꽂았을 때 서로 이가 잘 맞물려야 하는 것과 같은 이치인 것입니다. 세상의 거의 모든 열쇠가 다른 모양을 하고 있는 것처럼 기질 또한 그 입체 구조가 각기 다릅니다. 따라서 결국 한 효소는 특정 기질하고만 결합할 수 있게 됩니다. 이와 같이 효소가 활성 부위에 구조적으로 꼭 들어 맞는 특정한 기질에만 작용하는 성질을 기질 특이성이라고 합니다.

소화 효소의 일종인 트립신은 단백질을 펩톤으로 분해합니다. 하지만 지질을 분해할 수는 없습니다. 왜냐하면 트립신의 활성 부위에 지질이 결합하여 효소-기질 복합체를 형성할 수 없기 때문입니다. 게다가 효소는 저해제가 없어야 기질과 반응하게 됩니다. 저해제란 효소와 기질이 결합하지 못하게 하여 효소의 촉매 작용을 방해하는 물질입니다. 저해제에는 경쟁적 저해제와 비경쟁적 저해제가 있습니다. 경쟁적 저해제는 기질과 유사한 구조를 가지고 있어서 효소의 활성 부위에서 기질과 경쟁적으로 결합합니다. 효소가 경쟁적 저해제와 결합하면 기질이 효소의 활성 부위에 결합할 수 없어 효소의 작용이 저해되는 것입니다. 비경쟁적 저해제는 효소의 활성 부위가 아닌 다른 곳에 결합해서 효소의 활성 부위의 구조를 변형시켜 버립니다. 따라서 기질이 효소와 반응하지 못하게 되는 것입니다.

기질의 양이 많을수록 효소에 의한 반응 속도는 증가합니다. 하지만 효소의 농도가 따라서 증가하지 않는다면, 기질의 양이 아무리 증가한다고 해도 반응 속도가 어느 선 이상으로 증가하지는 않습니다.

 

◎ 온도가 효소의 작용에 미치는 영향

일반적으로 효소의 반응 속도는 기질과 효소의 농도가 높을수록 잘 일어나지만 이외에 온도나 pH의 영향도 받습니다. 예를 들어, 식혜를 만들 때 엿기름과 밥알을 섞은 물을 따뜻한 곳에 두는 것은 엿기름 속에 들어 있는 아밀라아제가 잘 작용할 수 있도록 온도 조건을 맞추기 위해서입니다. 이처럼 효소의 반응 속도는 온도의 영향을 많이 받게 되는데, 그 이유는 온도의 변화에 따라 분자의 운동 속도가 달라지므로 그에 따라 효소-기질 복합체의 형성 속도가 달라지기 때문입니다. 여기서 효소-기질 복합체가 가장 빠르게 형성되는 온도를 최적 온도라고 합니다. 최적 온도보다 높은 온도에서는 효소의 입체 구조에 변화가 일어나기 때문에 반응 속도가 급속도로 느려지게 됩니다. 이것은 효소가 단백질로 되어 있어 열에 의해 변성되기 때문입니다. 효소는 35~40℃에서 가장 활발하게 작용합니다.

◎ pH가 효소의 작용에 미치는 영향

효소의 작용은 pH의 변화에 대해서 매우 민감합니다. 이는 효소를 구정하는 단백질이 pH의 변화에 의해 입체 구조가 달라지기 때문입니다. 각각의 효소는 그것이 최적으로 활동할 수 있는 pH 범위가 있습니다. 효소의 종류에 따라 활성도가 가장 큰 pH를 최적 pH라고 부릅니다. 이 최적 pH의 범위를 벗어나면 각각의 효소의 기능이 현저하게 떨어지는 것을 볼 수 있습니다.

 

◎ 최종 생성물 억제

효소는 기질과 반응하여 바로 최종 생성 물질을 만드는 것은 아닙니다. 사실 체내의 화학 반응은 항상 중간 단계의 물질을 배출하는데, 이 중간 단계의 물질은 또 다른 효소와 반응하여 또 다른 중간 단계의 물질을 만들게 됩니다. 이러한 과정을 여러 번 거치면 최종적으로 원하는 생성 물질을 얻게 되는 것입니다. 생명체에서 일어나는 반응은 그 과정이 복잡하고 느려 보이기도 하지만 이러한 특징이 단점만을 가진다고 말할 수는 없습니다. 오히려 이러한 특징은 두 가지 장점을 가지고 있습니다. 첫째, 오직 하나의 효소만을 조절하여도 화학반응 전체를 통제할 수 있습니다. 그리고 둘째, 화학반응이 초래하는 급격한 에너지 변화를 미연에 방지할 수 있습니다.