효소의 작용 원리 : 생체 반응의 숨은 촉매 (간단정리)

효소(enzyme)란 

생물학적 반응의 촉매로서 작용하는 큰 단백질 분자이다.

이들은 간단한 무기 촉매들과 두 가지 중요한 점에서 다르다.

 

 첫째, 효소는 분자 질량의 범위가 약 10^4~10^6 g/mol보다도 더 클 정도로 무기 촉매보다 훨씬 더 크고 더 복잡한 구조를 가지고 있다.

 둘째, 효소는 무기 촉매보다 그들의 작용에서 훨씬 더 특이적인데, 가끔 효소의 기질(substrate)이라고 하는 한 가지 화합물의 단지 한 가지 반응에 대해서만 촉매 작용을 한다.

 

 예를 들어, 사람의 소화 기관에서 발견되는 아밀레이스(amylase) 효소는 녹말을 분해하여 포도당으로 만드는 데 촉매 작용을 한다.

그러나 녹말과 셀룰로스가 구조적으로 비슷하더라도 셀룰로스에는 영향을 미치지는 않는다.

그러므로 사람은 감자(녹말)는 소화할 수 있지만, 풀(셀룰로스)은 소화하지 못한다.

 

효소의 촉매활동도는 전환수(turnover number)에 의해 측정된다.

전환수란 초당 효소 한 분자가 작용하는 기질 분자의 수로 정의된다.

대부분의 효소는 1~20,000 범위의 전환수를 가지고 있지만, 어떤 것은 훨씬 더 큰 값을 가지고 있다.

CO₂와 물이 반응하여 HCO₃^-을 생성하는 반응에 촉매로 작용하는 탄산 탈수 효소는 초당 600,000기질 분자에 작용한다.

 

정반응은 혈액이 조직에서 CO₂를 받아들일 때 일어나고, 역반응은 혈액이 폐에서 CO₂를 방출할 때 일어난다.

놀랍게도, 탄산 탈수 효소는 약 10^6배 정도로 이들 반응의 속도를 증가시킨다.

 

반응형

 

효소는 어떻게 작용?

 자물쇠-열쇠 (lock-and-key model) 모형에 따르면, 효소는 가운데 갈라진 부문, 즉 틈을 가진 크고 불규칙한 모양의 분자로 묘사된다.

 이 틈의 안쪽이 활성 자리(active site)로서, 기질과 결합하여 적합한 반응에 촉매 작용하기 위해 필요한 형태와 화학적 조성을 지닌 작은 영역이다.

다시 말해서, 활성 자리는 마치 오직 특정한 열쇠(기질)만 맞는 자물쇠처럼 작용한다.

 

 효소의 활성 자리는 다양한 산성, 염기성, 중성의 아미노산 곁사슬로 나열되어 있으며, 모두 기질과 최대로 상호 작용을 하기에 적절하게 위치하고 있다. 

 

 효소 촉매 반응은 기질이 효소-기질 복합체(enzyme-substrate complex)를 형성하기 위해 활성 자리로 옮겨갈 때 시작된다.

보통 공유 결합은 형성되지 않는다.

효소와 기질은 오직 수소 결합과 약한 분자간 인력에 의해서만 서로 결합되어 있다.

 따라서 효소와 기질이 정확히 정의된 배열로 서로 결합하면, 활성 자리에 적합하게 위치한 원자들은 기질 분자의 화학 반응을 용이하게 한다.

그다음, 생성물과 더불어 효소가 분리된다.

반응은 다음의 간단한 메커니즘에 의해 기술될 수 있다.

 

 

여기서 E, S, P는 각각 효소, 기질, 생성물을 나타내고, ES는 효소-기질 복합체를 나타낸다.