효소

효소는 화학적 반응을 빠르게 증가시키는 촉매(catalyst) 활성을 갖는 생물학적 고분자 물질로, 아미노산으로 구성된 단백질을 말한다. 화학 촉매활성을 갖는 단백질은 생체촉매(biocatalyst)로 지칭하기도 하며, 대다수 생명체에서 생화학적 반응에서 분자 기질(substrate)을 전환시켜 반응산물(product)로 전환시키는 역할을 수행한다. 생체반응에서 효소는 화학촉매와 동일하게 화학반응의 활성화 에너지(activation energy)를 낮추어 반응속도가 빠르게 일어나게 하며, 반응 전, 후에 반응에 관여한 효소는 화학적인 변화가 생기지 않는다. 생체촉매인 효소는 효소-기질의 자물쇠-열쇠 모델에 따라 반응 기질을 선택적으로 인식하여 효소의 활성부위에서 아미노산 잔기들과 효소기질의 특정 반응 부위와의 전자의 치환반응에 의해 촉매작용을 일으킨다. 명명법은 영어 단어의 말미에 "-에이즈(-ase)"로 표현을 한다.

자물쇠 열쇠 모델에 따른 효소의 작용 메커니즘 (제작: 김성훈/KRIBB)

목차

자연계에 존재하는 화학분자는 원자와 원자간의 결합으로 구성되어 있으며, 화학반응에 의해 분자간의 화학적 결합이 새로 형성되거나, 기존의 결합이 파괴되거나, 다른 분자로 치환에 의해 다른 분자로 구성된 물질로 변화가 된다. 이때 분자간의 화학적 결합 파괴될 때 에너지가 요구되는데, 저에너지로 화학적 결합을 효율적으로 변화시키기 위해서는 촉매(catalyst)가 필요하다. 화학반응에서 관여하는 촉매는 활성화 에너지(activation energy)를 낮추어 수십에서 수백만 배 빠르게 반응속도를 증가시키는 역할을 수행하며, 반응 전, 후에 촉매자체는 화학반응에 의해 변화하지 않는다. 생명체에서는 이와 유사한 화학적 반응이 아미노산으로 구성된 단백질 중에 화학적 촉매 작용을 하는 생물촉매(biocatalyst) 단백질에 의해 일어나는데, 촉매활성을 갖는 단백질을 일반적으로 효소(enzyme)라고 한다.

효소가 있을 때와 없을 때 반응에너지의 차이 (제작: 김성훈/KRIBB)

효소 반응의 메커니즘 (제작: 김성훈/KRIBB)

생물촉매인 효소는 화학촉매와 달리 생명체의 반응이 일어날 수 있는 일반적인 온도와 압력에서 반응을 하며, 효소의 특성에 따라 최적 pH에서 높은 효소활성을 보여주기도 하며, 화학특이성(chemoselectivity), 위치특이성(regioselectivity), 입체특이성(stereoselectivity) 등의 화학촉매와 다른 고유한 특성을 보여준다. 그러나, 효소는 아미노산으로 구성된 3차원 구조의 폴리머(polymer)로 되어 있어 고온, 고압, 높은 pH 등의 극한환경에서는 효소 단백질의 3차원 구조가 변성(denature)되어 효소의 활성을 잃어버리게 된다. 하지만, 일부 극한환경에서 서식하는 생명체 또는 극한미생물(extremophile) 유래의 극한효소(extremozyme)는 일반적인 효소가 반응하는 상온이나 중성 pH와 달리 60°C 이상의 고온이나 10°C 이하의 저온, pH 9 이상의 알칼리 또는 pH 4 이하의 산성 등의 단백질 변성 조건에서도 반응하기도 한다.

아미노산 폴리머로 구성된 3차원 구조의 단백질인 효소는 기질(substrate)을 인식할 수 있는 활성부위(active site)를 포함하고 있으며, 친수성(hydrophilic)/소수성(hydrophobic)의 특성 및 상보적인 결합 특이성 등의 활성부위와 기질의 결합력에 의해 유사한 화학 구조를 갖는 다양한 형태의 물질 중에서 효소와 결합할 수 있는 물질만을 선택하여 반응할 수 있는 특성을 갖고 있다.

이러한 효소-기질의 선택적 반응은 자물쇠-열쇠 모델(lock and key model)로 설명할 수 있다. 자물쇠-열쇠 모델은 1894년 에밀 피셔(Emil Fischer)에 의해 제시된 것으로 효소와 기질은 하나의 열쇠가 정확하게 맞는 자물쇠에 들어가야만 자물쇠가 열리는 것과 같이, 하나의 기질은 효소의 활성부위에서 기하학적으로 정확하게 서로 들어맞아야 반응이 일어날 수 있다는 효소의 선택성을 모델로서 설명해준다. 이러한 효소의 기질 선택성은 반응하는 다양한 작용기(functional group)가 부가되어 있는 기질에서 특정 작용기에 반응을 하는 화학선택성(chemoselectivity), 동일한 반응 작용기가 있을 때 특정 위치에 존재하는 작용기만에 작용하는 위치선택성(regioselectivity), 그리고 광학이성질체(또는 거울상 이성질체; 光學異性質體, enantiomer)에 대해 하나의 이성질체에 반응할 수 있는 입체특이성(stereoselectivity)의 특성을 갖게 한다.

일반적으로 효소는 영어 단어의 말미에 "-에이즈(-ase)"로 표현을 하는데, 예를 들어 단백질 분해효소는 "프로티에이즈", DNA 중합효소는 "DNA 폴리머레이즈"로 명명한다. 생명체에서 5,000여개 이상의 생화학 반응을 수행하는 다양한 효소를 구분하는 방법은 국제 생화학 · 분자생물학 연합(國際 生化學·分子生物學 聯合, 영어: International Union of Biochemistry and Molecular Biology, IUBMB) 내에 효소위원회(enzyme commission, EC)에서 정한 공동규정에 따라 화학반응에 따라 크게 6개 그룹으로 구분을 하며, 다시 기질에 대한 종류, 반응 특이성에 따라 다시 세분화하여 효소를 구분하는데, EC 번호 만으로 효소가 속하는 그룹과 반응 기작을 유추할 수 있다. 이 분류법에 의해 첫 번째 숫자는 효소가 촉매하는 화학반응의 형식을 나타내는데, 다음과 같다. 

두 번째 숫자는 효소가 반응하는 기질을 나타내며 서브 클래스(sub-class)로 분류되고, 세 번째 숫자는 효소의 반응시 관여하는 조효소 정보를 알려주는 서브-서브 클래스(sub-sub class), 네 번째 숫자는 서브-서브 클래스의 특정효소를 의미한다.

상세한 분류 방법은 다음과 같다.

예시] 젖산 탈수소효소(Lactate dehydrogenase: EC 1.1.1.27)

자연계에 존재하는 효소의 약 39.6%가 EC3 그룹에 속하는 가수분해효소이며 27.4%는 전이효소 약 17%는 산화환원효소, 7.9% 리아제, 4.4% 이성질화효소, 3.7%가 라이게이즈효소로 알려져 있다.

생명체에서 효소 반응은 체내의 모든 화학반응을 결정하는데 관여하기 때문에, 세포 내에서 반응은 정확한 기질이 알맞은 농도로 반응이 이루어진 후, 만들어진 최종산물이 다시 기질로 사용되어 다른 효소의 반응을 통해 두 번째 물질로 전환되고, 다시 또 다른 효소 반응을 통해 세 번째 물질로 전환되며, 이러한 연속적 과정이 수없이 반복을 통해 생명체에서 필요한 물질과 에너지를 얻게 된다. 세포 내에서 다양한 효소의 반응은 그물망과 얽혀있어 하나의 효소 반응이 전체의 세포 유지에 영향을 주기도 하는데, 이것을 효소의 조절반응(enzyme regulation)이라고 한다.  

환경적으로 효소의 반응을 조절하는 것은 온도, pH, 기질의 농도와 저해제(inhibitor)가 있으며, 각각의 효소는 세포 내에서 최적 온도 및 pH에서 최적의 반응을 효율을 나타낸다. 또한 효소가 반응하는 기질의 농도도 중요한데, 농도가 낮은 경우 대다수의 효소 반응이 빠르게 나타나기도 하지만, 특정 효소의 경우는 반응이 아주 천천히 일어나기도 하며, 농도가 높은 경우 기질의 저해 반응으로 인해 효소의 반응 속도가 급격하게 줄어드는 현상이 나타나기도 한다. 반대로 효소 반응에 의해 만들어진 최종산물(product)이 증가하면서 효소 반응을 저해하는 현상(enzyme inhibition)이 나타나기도 하는데, 이렇게 효소의 반응에 영향을 주는 기질이나 최종 산물을 효소의 저해제(enzyme inhibitor)라고 한다. 일반적인 효소 저해제의 종류에 따라 효소의 활성부위에 직접 결합하여 영향 주는 물질의 저해제로 일어나는 경쟁적 저해반응(competitive inhibition)과, 효소 활성부위 이외에 다른 부분에 결합하여 효소의 반응을 저해하는 비경쟁적 저해반응(noncompetitive inhibition), 그리고 효소반응에 의해 생긴 최종산물이 효소의 반응에 영향을 주는 피드백 저해반응(feedback inhibition) 등 다양한 효소의 저해 반응이 존재한다.    

이러한 효소 자체의 조절 이외에도 생명체에서의 효소 조절 반응은 DNA 전사단계에서의 효소 단백질 발현양의 조절, 효소의 가역적 수식 반응을 통한 효소의 활성 통제, 단백질분해 효소를 통한 효소의 분해, 이종 효소(isoenzyme)을 통한 선택적 기질 반응, 세포 내 특정 위치에서의 반응을 통한 제한적 활용 등의 조절 작용이 존재한다. 이와 같은 다양한 효소의 조절은 생체 대사반응의 정확한 통제와 조절, 세포의 항상성 유지에 중요한 역할을 수행한다. 하지만 세포 내에서 이러한 효소의 조절반응이 문제가 되는 경우, 세포 내의 생화학적 변화로 인한 세포 변이, 대사 조절 장애 등의 원인으로 인한 질병의 발생이 일어남으로, 효소의 메커니즘을 조절을 위한 저해제 발굴 등의 연구가 신약 개발의 기본 개념을 제공하고 있다.

현재 개발된 다양한 종류의 효소는 식품, 섬유, 환경, 의약진단 등 여러 산업분야에서 사용되고 있으며, 가장 광범위하게 사용하는 분야는 식품 가공분야이며, 대표적으로 사용되고 있는 효소는 아밀레이즈(amylase), 프로티에즈(protease), 인벌티에이즈(invertease), 글루코스 이소머레이즈(glucose isomerase), 펙틴네이즈(pectinase), 셀룰레이즈(cellulase), 레닌(rennin), 라이페이즈(lipase), 락테이즈(lactase) 등이 있다.

활성화 에너지(activation energy), 극한미생물(extremophile), 극한효소(extremozyme), 효소의 조절반응(enzyme regulation)

김성훈/한국생명공학연구원

송미령/한국외국어대학교