[생리학] 4. 효소와 에너지 (1) 촉매제로서의 효소

4. 효소와 에너지

 

4.1 촉매제로서의 효소

효소는 세포 내 화학반응 속도를 증가시키는 생촉매제(biocatalyst)입니다. 대부분의 효소들은 단백질이고 이들의 촉매작용은 복잡한 구조에서 유래합니다. 그 구조의 다양성에 따라 촉매 기능도 달라집니다. 최근 단백질 효소가 아닌 RNA 효소, 즉 리보자임(ribozyme)이 발견되었으며, 이들의 촉매 기능은 단백질 효소와 매우 유사합니다.

 

 

에두아르트 부흐네(Eduard Buchner)는 효모의 즙에 있는 어떤 화학물질이 포도당을 알코올로 발효시킨다는 것을 발견한 후 이 물질을 효소(enzyme, 그리스어로 '효모 속의')라고 불렀습니다. 구조적으로, 효소는 보통 거대한 분자량을 가진 단백질의 하나입니다. 최근에는 단백질이 아닌 RNA로 구성된 RNA 효소나 리보자임이 발견되었는데, 이 효소는 RNA 대사뿐만 아니라 단백질 합성에도 관여하는 것으로 알려져 있습니다.

기능적으로 효소(또는 리보자임)는 생촉매제입니다. 일반적으로 촉매란 ① 반응 속도를 증가시키고, ② 반응 후에도 변화하지 않으며, ③ 반응의 성질을 변화시키지 않습니다.
반응이 일어나려면 반응물에 충분한 에너지가 있어야 합니다. 반응이 일어나는 데 필요한 에너지를 활성화 에너지(activation energy)라고 합니다. 일반적으로 가열은 반응을 촉진시키지만 세포에 매우 바람직하지 않은 부작용을 나타냅니다. 촉매는 활성화 에너지를 감소시켜 저농도에서 반응을 촉진시키고, 그 결과 대다수의 반응물이 충분한 에너지를 가지고 반응에 참여하게 됩니다.

 

(1) 효소작용의 기전

각각의 효소는 고유한 3차 구조, 즉 입체구조(conformation)를 하고 있으며, 그 안에는 촉매 반응에 직접 관여하는 활성 부위(active site)가 있습니다. 활성 부위는 입체구조에서 특유의 주머니 모양의 공간을 형성하고 아미노산으로 구성되어 있습니다. 이 활성 부위에 구조적으로 맞는 반응물을 기질(substrate)이라고 하며, 효소는 촉매 반응 전에 먼저 효소-기질 복합체를 형성합니다. 효소-기질 결합의 메커니즘에는 자물쇠-열쇠 모형(lock-and-key model)과 유도 적응 모형(induced-fit model)이 포함됩니다.
효소와 기질의 결합이 항상 완전한 것은 아닙니다. 보다 완전한 결합을 위해 효소의 입체 구조를 기질에 맞게 약간 변형되는 경우가 있으며, 이를 유도 적응 모형이라고 합니다. 효소는 기질 특이성을 나타내며 활성은 특정 조건에서 기질이 생성물로 전환되는 반응률입니다.
질병에 의해 조직이 파괴되고 죽은 세포가 분해되면, 그 안에 있는 효소들이 혈액으로 방출됩니다. 이 효소들의 활성을 측정함으로써, 질병의 특성을 알 수 있고 질병을 진단하는 데 유용하게 쓰일 수 있습니다.

 

 

(2) 효소의 명명

펩신(pepsin), 트립신(trypsin), 레닌(renin) 등과 같은 몇 가지 오래된 효소 이름을 제외하고, 모든 효소는 마지막에 효소의 이름은 -ase로 끝납니다. 그리고 효소의 분류는 촉매 활성에 따라 나뉩니다. 예를 들어, 가수분해효소(hydrolase)는 가수분해반응을, 포스파타아제(phosphatase) 또는 인산가수분해 효소는 인산기를 제거하고, 합성효소(synthase와 synthetase)는 탈수 합성 반응을 촉매 하고, 탈수소효소(dehydrogenase), 키나아제는(kinase) 인산기를 첨가하는 작용을 촉매하고,  이성질화효소(isomerase)는 기질 분자의 원자를 재배열하여 구조적 이성질체(isomer)를 형성합니다.
젖산 탈수소효소(actate dehydrogenase)는 젖산에서 수소를 제거합니다. 동일한 촉매 작용을 하는 효소이면서도 아미노산 서열, 분자량 및 소단위구성이 다른 효소를 동위효소(isoen)라고 합니다. 예를 들어 젖산 탈수소효소의 동위효소는 H4, H3M, H2 M2, HM3, M4 등 5가지로 조직별로 동위효소의 분포가 달라 질병 진단에 유용합니다.