[생리학] 4. 효소와 에너지 (2) 효소활성의 통제

4. 효소와 에너지

 

4.2 효소활성의 통제

효소촉매 반응률은 효소 농도, pH와 온도에 따라 달라집니다. 효소농도의 유전자 통제는 대사회로의 진행 속도에 영향을 미치고 전체 세포대사를 조절합니다.
위에서 언급한 바와 같이, 효소의 촉매 반응률은 ① 온도와 pH ② 조인자(cofactor)와 조효소(coenzyme)의 농도 (3) 효소와 기질의 농도 (4) 기타 다른 활성화물질(activator)과 억제물질(inhibitor) 등의 영향을 받습니다.

 

 

(1) 온도와 pH 효과

일반적으로 온도가 증가하면 비효소-촉매반응(nonenzyme-catalyzed reaction) 속도가 증가합니다. 유사한 현상이 고온을 제외한 온도의 효소 반응에서도 발생합니다. 0℃에서의 효소 반응 속도는 측정할 수 없을 정도로 느립니다. 그러나 0°C 이상부터 온도가 높아질 때 효소 활성은 거의 40°C까지 비례하여 증가하다가 그 이상부터는 급격히 감소합니다. 이것은 효소의 3차 구조가 고온에서 파괴되었기 때문입니다.

온도 효과와 유사한 현상이 pH 효과에서도 나타납니다. 효소가 최고의 활성을 나타내는 pH를 최적 pH(optimum pH)라고 합니다. 효소 활성은 최적 pH 범위를 넘으면 감소하는데, 이는 효소의 입체구조와 활성 부위의 아미노산 전하의 변화에 기인하게 됩니다.

단백질을 소화하는 펩신(pepsin)의 최적 pH는 산성이고, 타액 아밀라아제(amylase)는 중성이며, 트립신(trypsin)은 알칼리입니다. 최적 pH는 효소에 따라 달라지며, 이 차이는 진단 목적으로도 사용됩니다. 즉, 전립선 질환은 최적의 산성 pH를 가진 산성 포스파타아제(acid phosphatase)의 증가와 관련이 있습니다.

 

(2) 조인자(cofactor)와 조효소(coenzyme)

효소 활성에 필요한 이온과 작은 유기 분자들은 각각 조인자와 조효소라고 불립니다. 조인자는 Ca²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺와 같은 금속 이온들이 있습니다. 그리고 조인자는 효소에 결합함으로써 구조를 변화시키고 기질에 용이하게 결합하도록 유도합니다.
조효소는 니아신, 리보플라빈, 그리고 다른 수용성 비타민으로부터 유래한 유기 분자로 수소 원자와 작은 분자를 전이하는 작용을 합니다.

 

(3) 효소활성화

어떤 효소들은 비활성화된 형태로 만들어지는데, 췌장(이자)에 있는 많은 소화 효소들은 불활성화 형태의 지모겐(zymogen) 이나 효소전구체로 존재합니다. 지모겐은 장으로 분비된 후 곧 활성화되며, 이것은 결과적으로 소화로부터 췌장 세포를 보호합니다.
또 다른 예로, 간의 글리코겐을 분해하는 글리코겐 가인산분해효소(glycogen phosphorylase)는 세포 내에서 생성될 때 불활성화 형태이며, 단백질 키나아제(protein kinase)에 의해 인산화될 때 활성화된 형태로 바뀝니다. 그런 다음 인산기가 포스파타아제에 의해 제거되면 다시 불활성화되는데, 이러한 인산화(phosphorylation)/탈인산화(dephosphorylation) 반응은 효소 활성 조절에 중요한 역할을 합니다.
그리고 상기 단백질 키나아제는 2차 전령(second messenger)인 cAMP에 의해 활성화됩니다. cAMP는 단백질 키나아제로부터 억제소단위(inhibitory subunit)를 분리하여 이 효소를 활성화시킵니다.

 

(4) 기질농도와 가역반응

고정된 효소 농도에서 생성물 형성률은 기질 농도의 증가에 비례하여 증가하지만, 어느 시점에서는 비례하여 증가하지 않습니다. 기질 농도와 반응률 사이의 관계가 최대 속도 수준에 도달하면 효소는 포화된 것으로 간주될 수 있습니다.

 

(5) 대사회로

세포의 많은 효소 반응들은 서로 무관하지 않고 복잡한 상관관계를 가지고 있습니다. 기질에서 처음 시작된 효소 반응은 중간산물을 거쳐 최종산물로 끝나는데, 전체 과정을 대사 회로(metabolic pathway)라고 합니다. 대사 회로의 일반적인 패턴은 하나의 효소 반응의 생성이 다음 효소 반응의 기질로 사용되는데, 이 패턴은 최종 생성물이 형성될 때까지 지속됩니다.

세포 내 대부분의 대사 회로는 직선모양이 아닌 가지를 친 모양이며, 분기점(branch point)의 한 중간산물이 두 개의 다른 효소기질로 사용될 수 있습니다. 그 결과 두 개의 다른 생성물이 두 회로의 중간산물로 사용됩니다.

 

◎ 최종생성물 억제(end-product inhibition)

분기점을 가진 대사회로의 효소활성은 최종생성물 억제에 의해 조절되는, 이는 음성피드백(negative feedback) 억제의 하나입니다. 이러한 억제 작용은 분기점 효소의 활성을 억제하여 최종생성물의 축적을 억제합니다.
최종 생성물이 대사 회로 앞에서 효소 단계를 억제하는 기전을 입체성 다른자리 억제(allosteric inhibition)라고 합니다. 입체성 다른자리 억제물질은 활성 부위가 아닌 효소의 다른 부위에 결합합니다.

 

◎ 선천성 대사장애증(inborn error of metabolism)

대사 회로에 관련된 효소의 유전적 결함은 선천적 대사 장애증을 일으킵니다. 이러한 질병의 경우, 결함 효소 단계 이전에 형성된 중간산물의 양은 증가하고 결함 효소 단계 이후에 형성된 중간산물 및 최종 생성물의 양은 감소합니다. 만약 결함효소가 회로의 분기점 다음 단계에서 활성화되면 다른 대체회로(alternate pathway)의 중간산물과 최종생성물이 증가합니다.

다이하이드록시페닐알라닌(dihydroxyphenylalanine, DOPA)은 페닌알라닌으로부터 만들어졌으며 멜라닌(melanin) 색소의 전구체입니다. 멜라닌은 피부, 눈, 그리고 머리카락을 색소를 띠게 만드는 물질입니다. 백색증(albinism)은 DOPA로부터 멜라닌을 합성하는 효소의 유전적 결함에 의해 발생합니다. 만약 페닐알라닌으로부터 티로신(tyrosine)을 합성하는 효소가 결핍되면 페닐피루브산(phenylpyruvic acid)이 축적되어 페닐케톤뇨증(phenylketonuria)을 유발하며, 이는 심각한 정신지체와 수명 단축을 초래합니다.