◈ 효소의 작용과 특성
▣ 생명체 내에서의 화학 반응
(1) 생명체에서 일어나는 대부분의 화학 반응에는 효소의 촉매 반응이 필요하다.
(2) 촉매: 화학 반응에서 소모되거나 변화되지 않으면서 활성화 에너지를 변화시켜 반응 속도를 조절하는 물질이다. 생명체 밖에서 화학 반응을 촉진하는 무기 화합물은 무기 촉매라고 부른다.
(3) 생명체에서 합성되는 효소는 생체 촉매라고 부르며, 생명체에서 화학 반응의 속도를 증가시킨다.
Enzymes: principles and biotechnological applications
The Central Role of Enzymes as Biological Catalysts
▣ 효소의 작용
(1) 활성화 에너지는 화학 반응이 일어나는 데 필요한 최소한의 에너지로, 반응물이 넘어야 할 에너지 장벽이다.
(2) 반응물이 활성화 에너지 이상의 충분한 에너지를 가지고 있어야만 화학 반응이 일어날 수 있다.
(3) 효소는 활성화 에너지를 낮춤으로써 더 많은 반응물이 화학 반응에 참여할 수 있도록 하여 화학 반응의 속도를 증가시킨다.
(4) 반응열: 화학 반응이 일어날 때 방출되거나 흡수되는 열로 반응물과 생성물의 에너지 차이를 의미한다. 반응열은 효소의 영향을 받지 않기 때문에 효소의 유무에 상관없이 반응열의 크기는 일정하다.
(5) 효소와 결합하는 반응물을 기질이라고 하며, 효소는 기질과 결합하여 효소·기질 복합체를 형성함으로써 활성화 에너지를 낮추어 화학 반응을 촉진한다.
(6) 기질이 효소의 활성 부위에 결합하여 복합체를 이루고 있는 동안 효소의 촉매 작용으로 기질은 생성물로 전환되며, 화학 반응이 끝나면 효소와 생성물이 분리된다. 분리된 효소를 다시 새로운 기질과 결합하여 촉매 작용을 반복한다.
(7) 효소는 화학 반응 동안 소모되거나 변화하지 않으면서 기질과 결합하여 촉매 작용을 반복하기 때문에 생명체에서 효소가 촉매하는 화학 반응은 매우 빠르게 일어난다.
▣ 효소의 특성
(1) 효소는 기질 특이성을 가지고 있어 활성 부위에 잘 들어맞는 입체 구조를 가진 특정 기질하고만 결합하여 반응을 촉매한다.
예) 설탕과 젖당은 모두 이당류의 물질이지만, 소화 효소인 락테이스는 설탕과는 반응하지 않고, 자신의 활성 부위에 잘 들어맞는 입체 구조를 가진 젖당과만 결합하여 젖당을 포도당과 갈락토스로 분해한다.
(2) 기질 특이성을 가지므로 생명체가 가지는 효소의 종류는 기질의 종류만큼 다양하다.
▣ 효소의 구조
(1) 효소 대부분은 단백질이 주성분이며, 그 종류에 따라 단백질로만 구성되어 기능을 수행하는 것도 있지만 비단백질 성분인 보조 인자가 단백질에 결합하여 기능을 수행하는 것도 있다.
(2) 보조 인자가 결합하여 기능을 수행하는 효소의 단백질 부분을 주효소라고 하며, 주효소에 보조 인자가 결합하여 완전한 활성을 가지는 효소를 전효소라고 한다.
(3) 보조 인자의 종류와 기능
– 보조 인자의 종류와 특징: 보조 인자 중에는 주효소에 일시적으로 결합하였다가 반응이 끝나면 분리되어 다른 반응에 참여하는 것도 있지만, 주효소에 강하게 결합하여 분리되지 않는 것도 있다.
◈ 효소의 작용에 영향을 미치는 요인
▣ 온도
(1) 효소가 촉매하는 화학 반응 속도는 효소와 기질이 결합하여 형성되는 효소·기질 복합체의 농도에 비례한다.
(2) 효소가 촉매하는 대부분의 화학 반응에서 온도가 높아질수록 기질은 더 활발하게 움직여 효소의 활성 부위에 빈번하게 충돌한다. 그 결과 효소·기질 복합체가 더 많이 형성되므로 반응 속도가 증가한다.
(3) 반응 속도가 최대가 될 때 온도를 최적 온도라고 한다.
(4) 최적 온도보다 온도가 높아지면 효소의 주성분인 단백질이 열에 의해 입체 구조가 달라지는 변성이 일어나며, 그 결과, 효소·기질 복합체의 생성이 줄어들어 반응 속도는 급격히 감소한다.
▣ pH
(1) 효소가 촉매하는 화학 반응 속도는 pH의 영향을 받으며, 반응 속도가 최대가 될 때의 pH를 최적 pH라고 한다.
(2) 최적 pH를 벗어난 환경에서는 효소의 주성분인 단백질의 입체 구조가 달라지는 변성이 일어나며, 그 결과 효소·기질 복합체의 생성이 줄어들어 반응 속도는 감소한다.
▣ 기질의 농도
(1) 효소의 농도가 일정할 때 기질의 농도가 증가함에 따라 효소·기질 복합체가 더 많이 생성되므로 반응 속도는 증가한다.
(2) 기질의 농도가 증가함에 따라 반응 속도의 증가는 둔화하며, 기질의 농도가 일정 수준을 넘어서면 모든 효소가 기질과 결합하므로 반응 속도는 일정해진다.
▣ 저해제
(1) 효소와 결합하여 효소가 촉매하는 화학 반응의 속도를 감소시키는 물질을 저해제라고 한다.
(2) 저해제의 종류
– 경쟁적 저해제
기질과 유사한 입체 구조로 되어 있어 효소의 활성 부위를 두고 기질과 경쟁적으로 결합한다.
기질 대신 경쟁적 저해제가 효소의 활성 부위에 결합하면 효소·기질 복합체가 형성되지 못하므로 효소의 작용이 저해된다.
기질의 농도가 증가하면 경쟁적 저해제의 저해 효과는 감소한다.
예) 말론산: 석신산 탈수소 효소의 활성 부위에 석신산 대신에 결합하여 효소의 작용을 경쟁적으로 저해한다.
– 비경쟁적 저해제
효소의 활성 부위가 아닌 다른 부위에 결합하여 효소의 구조를 변형시킴으로써 효소의 작용을 저해한다.
기질이 효소의 활성 부위에 결합한다고 해도 감소한 효소의 활성 때문에 반응 속도는 저해제가 작용하지 않았을 때보다 느리다.
활성 부위를 두고 기질과 경쟁하지 않으므로 기질의 농도가 증가해도 비경쟁적 저해제의 저해 효과는 감소하지 않는다.
예) 히루딘: 거머리에서 분비되는 히루딘은 혈액 응고 과정에 관련된 효소의 작용을 비경쟁적으로 저해한다.
(3) 저해제는 해충을 없애거나, 질병을 치료하는 의약품과 항암제 개발 등 다양한 분야에서 유용하게 쓰이고 있다.
(4) 생명체에서 일부 물질대사 과정에서 생성된 최종 산물이 이 물질대사 과정의 초기 단계를 촉매하는 효소에 비경쟁적 저해제처럼 작용하여 물질대사 과정을 조절한다.
Enzyme Inhibitor Discovery by Activity-Based Protein Profiling
Mechanistic enzymology in drug discovery: a fresh perspective
A Structure-Based Drug Discovery Paradigm
Computational approaches streamlining drug discovery
Small molecules in targeted cancer therapy: advances, challenges, and future perspectives
추천도서
효소로 이루어진 세상, 신현재 저자(글), 이채 · 2018년 05월 15일
효소, 폴 엥겔 저자(글) · 최가영 번역, 김영사 · 2023년 05월 08일
유전공학의 이해 3판, 남상욱 , 권혁빈 , 최선심 저자(글), 라이프사이언스 · 2016년 09월 01일
최신 생명공학의 이해 4판, William J. Thieman , Michael A.Palladino 저자(글) · 이진성 , 강대경 , 김근성 , 김태형 , 박현정 , 안예진 , 이동환 , 이효정 , 조경주 , 최호윤 , 한인섭 , 황인욱 번역, 바이오사이언스출판 · 2020년 09월 25일
생명공학기술과 바이오산업, 고려대학교핵심교양 2, 김승욱 저자(글), 고려대학교출판문화원 · 2016년 09월 27일
일반생명공학 및 실험, 이영춘 , 이용석 , 이진우 , 조영수 , 최용락 저자(글), 동아대학교출판부 · 2015년 08월 31일
생명과학, 공학을 만나다, 유영제 저자(글), 나녹 · 2019년 12월 20일
생명공학의 윤리 3, 리처드 셔록 , 존 모레이 저자(글) · 김동광 번역, 나남 · 2016년 11월 15일
세포막과 효소
단백질 효소 경쟁적 비경쟁적 억제자
생명 공학 기술과 인간 생활
