효소반응

효소(enzyme)는 주로 단백질로 이루어진 생체촉매이다. 세포 내의 다양한 대사활동에 필요한 화학반응을 매개하는 역할을 한다.

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효소(enzyme)는 주로 생체 물질인 단백질로 이루어져 있으며 세포 내/외에서 화학반응을 매개하는 촉매이다. 효소는 에너지를 얻기 위한 대사(metabolism)과정 뿐만 아니라, 세포의 신호 전달, DNA의 복제, 전사 등 모든 곳에서 이용된다. 효소는 생체 내에서 작용할 수 있도록 진화된 촉매이므로 일반 화학반응과 많은 차이를 보인다. 예를 들어, 주로 세포가 잘 성장하는 온도인 20~40°C 사이, pH는 중성, 대기압은 1기압에서 최적의 효율을 보인다. 그러나 고온성 세균과 같이 생존하는 환경이 다를 경우에는 그 조건에 맞도록 효소를 진화시켜왔기 때문에 일반적인 효소의 작용 조건과는 다를 수 있다. 일반화학공정에서는 반응을 위해 고온, 고압의 환경을 사용하는 경우가 많으며 이때 사용되는 촉매는 효소와 달리 기질 특이성이 낮으므로 1개의 반응결과물이 아닌 이성질체의 화합물이 만들어지는 경우가 많아 추가적인 분리 작업이 필수적이다. 이와 반대로 효소는 상온에서, 기질특이적인 반응만을 하므로 반응효율이 매우 높으며, 이런 이유로 효소는 산업에서 많이 활용되고 있다. 아래의 표는 그 효소의 산업적 활용 예를 나타낸 것이다.

효소반응식의 가장 대표적인 예는 Michaelis-Menten의 식이다. 1개의 효소(E)가 1개의 기질(S)과 결합하여 효소-기질 복합체(ES)를 형성하고, 이 중 일부는 생성물을 만들기 필요한 에너지 장벽(activation energy)을 넘어 생성물(P)을 형성한다. 효소-기질 복합체가 활성화 에너지 장벽(activation energy)을 넘지 못하는 경우 반응을 일으키지 못하고 기질, 효소로 다시 분리된다.

그림 1. 화학반응과 활성화 에너지. 효소에 의해 활성화 에너지가 감소하게 되어 반응이 더욱 잘 일어나게 된다. (제작: 나도균/중앙대)

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ E { + } S <=>[{ k_1 }][{ k_{-1} }] ES ->[{k_2} ] E { + } P }@@NAMATH_DISPLAY@@

Michaelis-Menten의 식은 효소-기질 복합체가 짧은 시간 동안 농도가 일정한 steady state를 이룬다고 가정하고, 이때의 반응식을 계산해 낸 것이다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ k_1 [E][S] = k_{-1}[ES] +k_2 [ES] }@@NAMATH_DISPLAY@@

k₁[E][S]는 효소와 기질이 만나 효소-기질 복합체를 형성하는 반응 속도식이며, k_-1[ES]는 효소-기질 복합체가 에너지 장벽을 넘기지 못해 다시 효소와 기질로 분리되는 반응 속도식이고, k₂[ES]는 효소-기질 복합체가 생성물을 형성하는 반응식이다. [ES] = [E_T] – [E]의 식으로 정리할 수 있으며 ([E_T]는 전체 효소의 농도임), 전체 효소 농도 중 반응에 참여하고 있지 않은 효소의 농도를 빼면 효소-기질 복합체의 농도가 된다. 따라서 위의 식을 정리하면 아래와 같은 식이 된다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ k_1 ([E_r]-[ES])[S] =({k_{-1}} +k_2) [ES] }@@NAMATH_DISPLAY@@

이를 속도 식에 이용하면 아래와 같이 된다.

이때 일부 값을 아래와 같이 정의하면,

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ K_m={k_{-1}} +k_2/k_1 , V_{max} = k_2[E_r] }@@NAMATH_DISPLAY@@

아래와 같은 최종 식이 된다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ V= V_{max}[S] / (K_m + [S]) }@@NAMATH_DISPLAY@@

이를 그래프로 나타내면 아래와 같은 모양이 된다. 이때 [S]의 농도가 Km값과 같을 경우 최고 반응 속도의 절반이 된다.

그림 2. Michaelis-Menten의 수식에 의해 기질 농도별 효소반응속도 (제작: 나도균/중앙대)

Michelis-Menten의 식은 효소 반응식을 직관적으로 이해하기 쉬운 형태로 수식화한 장점이 있으나, 일반적인 실험의 결과 값을 이용하여 효소의 kcat, Km 값 등을 알기 위해서는 곡선인 속도반응 그래프에 측정치를 적합화 하는 과정이 필요한데, 이는 쉽지 않다는 문제가 있다. 따라서 Michaelis-Menten의 식을 변형하여 선형회기가 가능하도록 만든 수식을 활용하며, 이를 Lineweaver-Burk의 식이라고 한다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\frac{1}{V} = \frac{K_m+[S]}{V_{max}[S]} = \frac{K_m}{V_{max}} \cdot \frac{1}{[S]} +\frac{1}{V_{max}} @@NAMATH_DISPLAY@@

1/V를 y축, 1/[S]를 x축으로 한 선형식이 위와 같이 만들어지며, 이는 아래와 같은 그래프가 된다. x절편의 값이 -1/Km, y절편이1/Vmax 값이 되며, 기울기는 Km/Vmax가 된다. 선형식이 된 속도반응식을 이용하여 편리하게 실험값의 선형회기가 가능하며 이를 통해, Km, Vmax 등의 값을 찾아낼 수 있다.

그림3. Linweaver-Burk 수식에 의한 그래프 (제작: 나도균/중앙대)

Michaelis-Menten의 수식, Lineweaver-Burk의 수식 모두 1개의 효소가 1개의 기질과 반응하는 것을 기본으로 하고 있으나, 실제로는 2개의 기질과 결합하거나, 2개 이상의 생성물이 생기거나, 기질과 효소의 결합 순서가 중요한 경우/중요하지 않은 경우 등 다양한 경우가 존재하며 이들의 경우마다 서로 반응식이 달라진다. 그리고 효소는 늘 활성을 보이는 경우도 있으나 다른 화합물의 존재에 의해서 활성이 조절되는 경우가 많다. 활성을 억제하는 것을 inhibitor, 활성을 향상시키는 것을 activator라고 하는데, 효소반응식에서 어떤 종류의 inhibitor가 포함 되느냐에 따라 효소 반응식이 달라지게 된다.

DNA(deoxyribonucleic acid), 진화(evolution), 세균(bacterium)

나도균/중앙대학교

송미령/한국외국어대학교