효소

효소는 무엇인가요

우리 몸에서는 매일 셀 수 없이 많은 화학 반응이 일어나요. 효소가 없으면 대부분의 반응이 너무 느려서 생명을 유지할 수 없어요. 효소는 기질이라는 반응 재료와 결합해 효소-기질 복합체를 만들고, 기질을 생성물이라는 다른 분자로 바꿔요. 효소를 연구하는 학문은 효소학이라고 해요.

효소는 다른 촉매처럼 반응에서 소모되지 않고 반응의 평형을 바꾸지도 않아요. 다만 훨씬 더 특이적이어서 보통 정해진 기질에만 작용해요.

효소는 활성화 에너지를 어떻게 낮추나요

화학 반응이 일어나려면 반응물이 전이 상태라는 높은 에너지 고개를 넘어야 해요. 이 고개의 높이가 활성화 에너지이고, 고개가 낮을수록 반응이 빨라져요. 효소는 이 고개를 낮춰요.

옆으로 밀어 보기

여러 방법을 동시에 쓰기도 해요. 트립신 같은 단백질 분해효소는 촉매 삼잔기로 공유 결합 촉매 작용을 하고, 산소 음이온 구멍으로 전이 상태의 전하 쌓임을 안정시키며, 물을 기질로 써서 가수분해를 해요.

자유 에너지는 G = H − TS라는 식으로 쓰고, H는 엔탈피, S는 엔트로피, T는 절대온도예요. 효소가 있어도 방향은 같고 속도만 빨라지기 때문에, 효소는 열역학적으로 유리한 반응과 불리한 반응을 짝지어 불리한 반응을 진행시키기도 해요. ATP의 가수분해가 대표적이에요.

효소는 왜 아무 기질이나 처리하지 않나요

효소의 활성 부위는 기질의 모양과 전하, 친수성과 소수성에 맞는 포켓이에요. 활성 부위에서 촉매에 직접 관여하는 아미노산은 약 2~4개뿐이고, 나머지 구조는 활성 부위의 방향과 움직임을 유지해요.

옆으로 밀어 보기

자물쇠와 열쇠 모델은 특이성을 설명하지만 전이 상태의 안정화는 설명하지 못해요. 효소는 단단한 구조가 아니라 역동적으로 움직이고, 활성 부위가 아닌 곳에 있는 다른 자리 입체성 조절 부위에 분자가 붙으면 효소를 저해하거나 활성화할 수 있어요. 이런 방식으로 대사 산물이 앞 단계 효소를 조절하는 피드백 조절이 이뤄져요.

효소 안의 개별 아미노산부터 단백질 도메인 전체까지 일부분이 계속 움직이고, 이 움직임이 약간씩 다른 입체 구조 사이를 오가게 해요. 서로 다른 구조는 효소 기능의 다른 측면과 이어져서, 예를 들어 다이하이드로폴산 환원효소의 구조 변화는 기질 결합, 보조 인자 방출, 생성물 방출과 각각 관련돼요.

가장 정확한 효소는 게놈 복제에 관여해요. 포유류의 DNA 중합효소는 한 단계에서 반응을 촉매한 뒤 두 번째 단계에서 생성물이 맞는지 확인하는 교정 기작이 있어서 평균 1억 회 반응당 오류가 1회 미만이에요.

효소의 대표적인 예시에는 어떤 종류가 있나요

효소는 크게 여섯 범주로 나뉘고, 범주마다 한 종류의 반응을 하되 범주 안에서 서로 다른 많은 반응을 촉매해요.

옆으로 밀어 보기

효소 이름은 보통 기질 이름 뒤에 접미사 -ase를 붙이거나 반응 유형을 따라 지어요. 락테이스는 젖당 분해효소이고 DNA 중합효소는 DNA 중합체를 만들어요. 극단적인 예로 오로티딘 일인산 탈카복실화효소는 수백만 년이 걸릴 반응을 밀리초 단위로 일으켜요.

효소 반응의 빠르기는 기질 농도, 온도, pH, 저해제의 존재에 따라 달라져요. 저해제는 활성을 줄이고 활성화제는 늘려요.

효소 발견의 역사는 어떻게 되나요

옆으로 밀어 보기

효소의 정체가 단백질이라는 결론은 소화 효소인 펩신, 트립신, 키모트립신을 연구한 노스럽과 스탠리에 의해 결정적으로 입증됐어요. 효소(酵素)라는 한자 번역어는 효모에 들어 있는 어떤 요소라는 뜻이에요.

효소는 생활 속에서 어디에 쓰이나요

• 세탁 세제: 생물학적 세제의 효소가 옷에 묻은 단백질, 녹말, 지방 얼룩을 분해해요.
• 고기 연화제: 효소가 단백질을 작은 분자로 쪼개 고기를 씹기 쉽게 해요.
• 항생제 합성: 일부 효소는 항생제의 합성에 상업적으로 써요.
• 약과 독: 많은 약과 독이 효소 저해제예요.
• 콩 요리: 콩에는 소화 효소 트립신을 방해하는 콩트립신 저해제가 있지만 가열하면 변성돼 기능을 잃어요.

식품에 쓰는 효소제는 규정이 따로 있어요. 서울지방식품의약품안전청에 따르면 프로테아제, 아밀라아제, 리파아제 같은 식품첨가물 효소제는 식품을 만들고 가공하는 공정에서 분해 같은 목적으로 써야 하고, 최종 식품에 효소 함량을 높이거나 소화를 돕는 섭취 목적으로 쓰면 안 돼요. 2023년 4월에는 효소제를 원재료로 수입 신고한 가공식품과 건강기능식품에 대해 제조사의 상세 제조 공정을 내도록 하는 검사 지시가 내려졌어요.

화학공업 같은 산업에서도 아주 특정한 촉매가 필요할 때 효소를 써요. 다만 효소는 유기 용매와 고온에서 안정성이 떨어져서 산업적으로 쓸 수 있는 반응의 수가 제한돼요. 그래서 합리적인 설계나 시험관 안 진화로 새로운 특성을 가진 효소를 만드는 단백질공학이 활발히 연구되고, 일부 효소는 자연에 없는 반응을 촉매하도록 처음부터 설계되기도 했어요.

효소의 고장이 병이 되기도 해요. DNA 복구 효소의 유전자에 생식세포 돌연변이가 생기면 세포가 게놈의 돌연변이를 제대로 고치지 못해 돌연변이가 쌓이고 암이 생길 수 있어요. 자외선에 조금만 노출돼도 피부암이 생길 수 있는 색소성 건피증이 이런 유전성 암의 예예요.

효소를 더 이해하려면 알아 둘 말은 무엇인가요

대부분의 효소는 효소만으로는 활동하지 못하고 보조 인자라는 비단백질 분자가 필요해요. 보조 인자를 빼고 남은 단백질 부분은 주효소(아포효소), 주효소와 보조 인자가 합쳐진 완전한 상태는 전효소(홀로효소)라고 불러요.

옆으로 밀어 보기

조효소 가운데 NADH는 약 1,000가지 효소가 쓰는 것으로 알려졌고, 사람이 하루에 쓰는 ATP의 총량은 자기 몸무게보다 많아요. 위키데이터는 효소를 생체 촉매로 분류해요.

효소에 대해 흔히 하는 오해는 무엇인가요

• 효소는 반응에서 소모된다: 다른 촉매처럼 소모되지 않아요.
• 효소는 반응의 방향을 바꾼다: 평형은 바꾸지 않고 속도만 높여요.
• 효소는 모두 단백질이다: 일부는 RNA인 리보자임이에요.
• 효소는 어떤 온도에서도 잘 일한다: 최적 온도와 pH 밖에서는 활성이 크게 떨어지고 과한 열에는 영구적으로 변성돼요.