기질

요약 효소가 촉매시키는 특정한 반응 분자나 분자 그룹을 말한다. 소화작용은 인간의 몸속에서 일어나는 효소와 기질의 반응과 관련된 대표적인 예이다.

생물체 내에서 대부분의 반응들의 반응 비율은 매우 느리게 일어난다. 효소는 생물학적 반응 비율을 증가시키는 역할을 하는데, 이때 효소가 촉매시키는 특정한 반응 분자나 분자 그룹을 기질이라 한다. 반응률을 증가시키는 능력은 효소뿐 아니라 일부 RNA분자에서도 나타난다. 따라서 이를 구별하기 위해 반응률을 촉진하는 단백질 분자를 효소라 하고, RNA분자를 리보자임(ribozyme)라 한다.

고전적으로 효소와 기질의 관계는 흔히 열쇠와 자물쇠의 관계에 비유하여 설명되었다. 자물쇠와 모양이 들어맞는 열쇠를 이용해야만 자물쇠를 풀 수 있는 것과 마찬가지로 효소 역시 자신과 관계없는 분자와 아무런 반응을 하지 않으며, 오로지 자신이 특이적으로 친화성을 갖는 분자와 만났을 때만 반응을 진행한다는 이론이다. 이는 분자의 3차원적인 구조, 즉 분자의 생김새에 따라 특이성을 나타내며 특정 효소는 아귀가 잘 들어맞는 특정 기질과만 효과적으로 결합하여 효소반응이 진행된다고 설명한다. 

1958년 다니엘 코슈란드(Daniel E. Koshland)는 효소가 특정 기질에 특이적으로 작용하는 것을 설명하기 위한 또 다른 가설을 제안하였다. '유도적합모델(induced-fit model)' 또는 '코슈란드모델'이라 불리는 이 가설은 기질이 효소 분자에 접근하거나 결합하는 것에 따라 효소 분자의 입체 구조가 촉매기능이 발현하기 쉽게 변한다는 것이다. 효소를 반응물과 생성물에 존재하는 결합과 원자들이 일시적으로 배열된 전이상태(transition state)라 알려진 형태로 기질을 변화시킴으로써 활성화에너지를 감소시켜 반응을 촉진시킨다. 유도적합모델에 따르면 초기의 기질은 효소와 완벽하게 일치하지 않는다. 초기의 기질과 효소와 반응하는 과정에서 효소의 활성부위(active site)구조가 조금씩 변화하며 기질과 더욱 단단하게 결합하게 되며, 일부 촉매 과정에서는 기질 분자 역시 그 구조를 변화시켜 반응속도를 높이게 된다. 이렇게 효소 또는 기질의 일부 분자 구조가 변화할 때 방출되는 소량의 에너지에 따라 활성화에너지가 감소되는 것이다. 이 모델은 기질 특이성과 동시에 활성화 에너지를 감소시키는 것을 설명하는데 열쇠-자물쇠 모델보다 더 적합하다고 여겨지고 있으며, X선 회절 실험을 통한 카르복시펩타이드 가수분해효소구조의 기질 결합에 따른 변화 연구 등을 통하여 검증되고 있으며 포도당과 헥소키나제 효소의 결합을 통한 포도당의 인산화 과정에서도 관찰된다. 

효소와 기질의 반응은 우리 몸 속에서도 끊임없이 일어나는 과정이다. 소화작용이 대표적인 효소-기질 반응에 속한다. 소화효소인 아밀레이스는 기질인 녹말과 반응하여 녹말을 엿당으로 분해하는 역할을 한다. 그러나 같은 탄수화물에 속하는 셀룰로스는 아밀레이스로 분해되지 않는다. 아밀레이스는 녹말에 대해 특이성을 갖는 효소인 것이다. 실제 인간의 몸에서 녹말로 이루어진 밥은 아밀레이스로 잘 소화되나, 셀룰로스로 이루어진 상추나 깻잎 등은 이에 대해 특이성을 갖는 효소가 없어 잘 분해되지 못하고 몸 밖으로 배출된다.