효소

효소는 생체 내에 존재하는 고분자 생물학적 촉매제이다. 효소는 생체의 복잡한 여러 화학 반응을 촉진한다. 효소가 작용할 수 있는 분자를 기질이라고 부르며, 효소는 기질을 생성물로 전환시킨다. 세포의 거의 모든 대사 과정은 생명유지를 위한  알맞은 속도로 진행되어야 하며, 이를 위해 효소 촉매 작용을 필요로 한다. 대부분의 효소는 단백질이며, 일부의 효소는 RNA 그 자체로서 작동한다. 이러한 효소기능을 가지는 RNA를 리보자임(ribozyme)이라고 한다.

목차

리보자임을 제외한 단백질 효소는 하나 이상의 아미노산 사슬로 구성되며, 이러한 아미노산들의 서열은 효소 특이성에 필수적인 단백질 구조를 결정하는 중요한 요소이다. 단백질 구조가 효소의 특이적인 역할 수행에 중요하기 때문에, 그 구조가 온도 또는 pH의 변동에 의해 변화되면 효소는 변성 및 파괴되어 능력을 상실할 수 있다. 이상적인 효소의 활성 조건은 그 효소를 가지는 생물 종의 내외부 환경과 밀접한 연관을 가진다. 일부 효소의 활성에 영향을 미치는 추가적인 화학적 구성요소들을 보조인자(cofactor)라고 하는데, 보조인자는 조효소(coenzyme) 또는 무기 금속 이온, 혹은 두 가지 모두일 수 있다.

온도에 따른 효소의 활성 곡선. (출처: 한국식물학회)

효소는 화학 반응을 촉진하기 위해 기질에 결합해야 한다. 각각의 효소는 매우 특이적으로 어떤 기질과 결합하여 촉매 작용을 수행한다. 이러한 효소의 특이성은 기질과 결합하는 효소 결합 부위의 상보적인 형태, 전하, 친수성 및 소수성의 특성 등에 의해 결정되어 유사한 기질 분자를 구별할 수 있게 해준다. 이렇게 효소와 기질이 특이적인 구조를 인식하여 결합할 때 기질과의 상호 작용에 의해 효소의 결합 부위의 구조가 지속적으로 약간씩 변화하여 재형성되며, 결과적으로 강력한 결합력을 가지게 된다. 이러한 변화를 유도적합(induced fit)이라고 한다.

다른 촉매들과 구별되는 효소의 특성은 화학 반응시에 효소-기질 복합체(ES)를 형성한다는 점이다. 이러한 효소-기질 복합체의 형성 과정에서 약한 상호작용에 의해 발생하는 결합 에너지(binding energy)가 반응의 활성화 에너지를 낮추는데 필요한 자유 에너지의 공급원이 된다. 이렇게 효소는 전이 상태의 에너지를 낮춤으로써 반응 속도를 증가시킨다. 반응이 끝난 뒤에, 생성물(product)은 효소로부터 분리된다.¹⁾

효소가 존재하는 조건에서 에너지와 반응 속도의 변화 그래프. (출처: 한국식물학회)

효소의 반응 속도에 영향을 미치는 중요한 요소로는 기질의 농도가 있다. 이는 효소에 의한 반응은 반드시 효소-기질 복합체를 형성하는 결합 단계가 필요하기 때문이다. 기질이 가역적으로 효소와 결합하여 효소-기질 복합체를 만드는 속도를 확인하기 위해서 사용되는 방법은 미하엘리스-멘텐(Michaelis–Mente)식이며 다음과 같다.

[S] : 기질의 농도, [P] : 생성물의 농도, V _max : 최대 반응속도 상수, K_M : 미하엘리스 상수

1. Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L (2012) Biochemistry 7th. New York : W. H. Freeman, 219-232