효소란 무엇인가?

음식물을 먹으면 입에서 침에 의하여 녹말이 맥아당으로 분해되고 식도를 거쳐 위에 도달하여 위산과 섞여 단백질이 펩타이드로 분해되는 등의 작용이 하나씩 일어나 결국에는 몸속으로 흡수된다.

여기서 특이한 현상은 반응이 단계적으로 일어나고, 각 단계에는 효소라고 부르는 단백질이 작용한다. 이 효소는 오직 한 반응이 쉽게 일어나도록 한다.

몸속에서는 효소의 작용으로 단백질이 체온에서 쉽게 빨리 분해되지만 실험실에서는 단백질을 분해하려면 강산이나 강염기가 필요하며 또한 고온에서 오랫동안 반응시켜야 한다.

그러면 결국 효소가 반응조건을 완화시키고 또한 반응을 빨리 진행시키게 한다는 것인데 그 이유가 무엇인지 알아보기로 하자.

효소는 단백질이며(다시 말해 이들은 아미노산들이 정해진 순서로 배열된 3차원 구조를 가진 아미노산들의 공중합체이다.) 특정한 반응만을 다른 촉매와는 비교할 수 없는 고효율로 빨리 진행하게 하는 일종의 촉매다.

예를 들면 위액에 포함되어 있는 펩신은 단백질을 펩타이드로 변환시키는 반응에만 작용한다.

생성된 펩타이드를 아미노산으로 분해하는 반응에는 이자액에 포함된 트립신이나 소장에서 분비되는 펩티다아제가 작용한다.

효소는 기질특이성과 반응특이성을 가지고 있다. 기질특이성은 반응을 일어나게 해야 하는 물질을 판별하는 성질이며 반응특이성은 일어나게 할 반응을 알아내는 것이다.

어떤 효소의 반응을 가장 활발하게 진행되도록 하는 온도는 37℃ 근처다.

반응은 온도가 증가하면 빠르게 진행되지만 효소 반응의 경우에는 효소를 구성하는 단백질의 구조가 온도에 대단히 민감하므로 낮은 온도에서는 온도를 올리면 반응이 점점 빨리 진행되지만 일단 최적 온도에 도달한 후에 온도를 계속하여 올리면 구조가 변형되어 기질과 효소가 잘 결합되지 않으므로 반응의 진행도, 즉 반응 속도는 오히려 감소하기 시작한다.

효소에 의한 반응에서 만들어진 생성물이 필요량보다 많아지면 기질과 유사한 구조를 가진 억제제가 효소에 결합하여 반응을 중지시킨다고 한다. 그리고 이 생성물이 소모되어 다시 필요하게 되면 억제제가 효소에서 이탈되어 다시 반응이 시작된다.

억제 작용의 예로 대장균이 포도당과 갈락토오스를 분해하는 과정이 있다. 대장균을 포도당이 풍부한 배지에서 배양하면 바로 포도당을 분해하며 포도당 대신 갈락토오스가 들어간 배지에서도 역시 갈락토오스를 분해한다.

그리고 포도당과 갈락토오스가 둘 다 있는 배지에서는 우선 포도당이 분해된 후에 비로소 갈락토오스가 분해되기 시작한다. 즉 포도당이 풍부하면 갈락토오스 분해효소의 작용이 억제된다.

효소에 있는 반응에 관계하는 곳을 활성부위라고 하는데 이 활성부위의 구조와 기질의 구조가 맞는 경우에만 효소와 기질이 결합하여 반응중간체를 만든 후에 다음 반응으로 진행된다.

이 효소와 기질의 성질을 ‘열쇠와 자물쇠(key and lock) 원리’라고 부른다.

효소의 기질 특이성

효소는 반응에서 엔트로피가 증가하는 것을 억제한다.

포도당이 산화되어 이산화탄소가 되는 반응을 예로 들어 엔트로피 증가를 억제하는 방법을 알아보기로 하자.

첫째로 반응이 일어나는 데 열이 필요하지 않다.

실험실에서 포도당을 산화시키려면 고온이 필요하다. 열이 가해지지 않으면 포도당이 산소와 반응하지 않지만, 생체에서는 가열하지 않아도 체온에서 반응이 진행된다. 세포에 있는 효소가 체온에서 반응이 진행되도록 하는 것이다.

증가한 엔트로피를 외부로 방출하는 방법에 냉각시키는 방식이 있다. 바꿔 말하면 외부에서 열이 가해지면 엔트로피가 증가하게 된다. 따라서 효소 반응은 열이 필요하지 않으므로 엔트로피 증가가 억제된다.

둘째로 반응이 단계적으로 진행된다.

고층아파트에서 물건을 아래로 옮길 때는 미끄럼대를 설치하여 서서히 이동시킨다. 그렇게 단계적으로 서서히 내리면 엔트로피의 증가량이 적어진다.

물론 그럴 리는 없겠지만 물건을 고층에서 아래층으로 던지면 어떻게 될까? 손상이 커질 것이다. 즉 엔트로피가 많이 증가한다는 것이다.

효소는 에너지가 많은 포도당을 단계적으로 천천히 반응이 진행되도록 하여 엔트로피 증가를 억제한다.

포도당이 산화되면 60kcal/g의 에너지가 방출된다.

실험실 조건, 즉 고온에서 포도당을 산화시키면 에너지 변화가 크고 또 속도도 빠르므로 엔트로피가 크게 증가하지만 체내에서처럼 에너지 변화가 적게 몇 단계로 나누어서 단계별로 차례차례 일어나게 하면 각 단계의 에너지 차가 적어지므로 엔트로피 증가도 적다.

포도당의 산화반응은 모두 14단계로 진행되며 각 단계에는 효소가 각기 정해져 있어 지정된 단계에만 관여한다.

첫 단계는 포도당의 인산화인데 이 반응은 헥소키네이즈에 의해 진행된다. 두 번째 단계는 포도당의 인산화물을 과당의 인산화물로 바꾸는 이소머레이즈가 기다리고 있다.

이런 식으로 반응이 진행되어 총 14단계가 끝나면 이산화탄소가 생성된다.

글루코오스(포도당)

↓ 헥소키네이즈

글루코오스-6-인산

↓ 포스포 헥소 이소머레이즈

푸룩토스-6-인산

↓ 포스포푸룩토 키네이즈

푸룩토스-1,6-2-인산

↓ 알도레이즈

글리세르알데히드-3-인산

↓ 글리세르알데히드-3-인산 디 하이드로제네이즈

1,3-디포스포글리세르산

↓ 포스포글리세레이트 키네이즈

3-포스포글리세르산

↓ 포스포글리세르무테이즈

2-포스포글리세르산

↓ 에놀레이즈

포스포에놀피부르산

↓ 피루베이트 키네이즈

피부르산

↓ 피루베이트 디 하이드로제네이즈

아세틸 CoA

↓ 시트레이트 신데테니즈

시트르산

↓ 아코니데이트히드라테이즈

이소시트르산

↓ 이소시트레이트 디 하이드로제네이즈

옥소숙실산

↓이소시트레이트 디 하이드로제네이즈

CO2 +α-케토글루타르산

포도당의 산화 과정(고딕체는 효소)

포도당의 산화반응이 이렇게 단계적으로 진행될 수 있는 것은 각 단계마다 그 반응을 담당하는 효소가 있어서 각각 정해진 반응만을 일으키기 때문이다.

이것을 효소의 특이성이라고 하는데 이 특이성에 의하여 생체 내의 반응은 단계적으로 진행되므로 엔트로피 증가가 억제된다.

그 외에도 효소는 반응을 정상상태로 유지하는 작용이 있다. 정상상태는 들어오는 물체의 개수와 나가는 물체의 개수가 동일하게 유지되어 안에 있는 물체의 개수는 항상 같다는 것이다.

정상상태가 유지되므로 엔트로피 증가가 억제된다.