[일반생물학실험]여러 조건에 따른 효소 반응

실험 목적

pH 변화, 온도, 기질의 농도에 따른 효소 반응을 비교해본다.

 

실험 이론 및 원리

1. 효소

효소란 생체 내의 화학반응을 매개하는 단백질 촉매이다. 특정 반응물과 결합하여 활성화에너지를 낮춰 반응을 촉진하는데, 효소와 결합하는 반응물을 기질이라고 하고 효소에서 기질과 결합하는 특정 부분을 활성부위 또는 기질결합 부위라고 한다. 효소의 활성부위에 기질이 결합하여 효소 기질 복합체를 형성하고 반응 결과 생성물이 만들어지면 효소는 생성물과 분리되어 또 다른 반응에 참여한다.

기질의 입체구조와 효소의 활성부위가 맞아야만 결합하여 반응할 수 있으므로 한 종류의 효소는 주로 한 종류의 기질에만 작용한다. 이러한 효소의 성질을 기질 특이성이라고 한다. 효소의 작용에는 여러가지 것들이 영향을 미친다. 우선 효소는 단백질 촉매이므로 단백질의 3차구조에 중요한 온도, pH등의 환경조건이 효소의 활성에 중요하다. 두번째로 보조효소와 같은 보조인자들의 유뮤, 마지막으로 여러 가지 저해제들의 효소의 활성에 영향을 준다. 효소는 자신과 함께 작용할 반응물을 선택하는 특이성을 가진다.

열쇠와 자물쇠 이론 : 자물쇠는 효소, 자물쇠의 열쇠 구멍은 활성부위, 열쇠는 기질을 나타낸다. 열쇠와 자물쇠처럼 효소의 작용 위는 기질에 대하여 일정한 형태를 가지고 있기 때문에 자신의 기질하고만 반응한다.

유도적합 이론 : 기질이 효소의 활성부위에 근접하면 활성부위의 입체구조가 변화하여 효소는 기질과 상보적인 복합체를 형성한다.

 

2. 효소의 작용

앞에서 말했듯이 단백질로 이루어져 있기 때문에 무기촉매와는 달리 온도나 pH등 환경 요인에 의하여 기능이 크게 영향을 받는다. 즉, 모든 효소는 특정한 온도 범위 내에서 가장 활발하게 작용한다. 대개의 효소는 온도가 35～45℃에서 활성이 가장 크다.

하지만 온도가 그 범위를 넘어서면, 오히려 활성이 떨어진다. 온도가 올라가면 일반적으로 화학 반응 속도가 커지고 효소의 촉매작용도 커지지만, 온도가 일정 범위를 넘으면 효소의 단백질 분자구조가 변형을 일으켜 촉매기능이 떨어지기 때문이다.

 

3. 효소와 온도의 상관관계

 

4. 효소와 pH의 상관관계

초기 반응속도와 기질의 농도 : 기질의 농도가 증가할수록 기질 분자와 효소 분자가 서로 충돌할 수 있는 확률이 높아 전체 반응 속도가 증가한다.

그러나 어떤 농도에 이르면 활성자리가 기질 농도와 효소농도가 모두 결합된 효소 포화상태에 도달하게 된다. 이 때에 개개의 반응이 일어나는데 걸리는 시간에 의해 결정되며 기질의 농도를 높여주면 따라서 효소의 농도도 높아짐으로 물질대사 속도가 빨라진다.

실험 방법

실험 1 - pH 변화에 따른 효소 활성도 점검

1) 감자를 강판에 갈아 카탈라제 효소액을 마련한다.

2) 각 15㎖ tube에 준비된 효소액 동량 1㎖f를 여러 pH완충액 1㎖과 섞는다.

3) 실온에서의 1㎖ 30% 과산화수소용액을 준비된 각 15㎖ tube에 놓고 거품의 양이 10초에 도달할 때 까지 타이머로 재고 거품층을 자로 잰다.

 

실험 2 - 온도 변화에 따른 효소 활성도 점검

1) 준비된 카탈라제 효소액 1m를 실험 1에서 가장 높은 활성도를 나타낸 pH의 완충용액1) 1㎖와 섞는다.

2) 1㎖의 30% 과산화수소 용액을 준비된 15㎖ tube에 넣고 지정된 온도에서 5분간 온도를 맞추기 위해 넣은 후 기다린다. 이 때 효소액 역시 지정된 5분간 기질용액과 섞기 전까지 온도를 맞춘다.

3) 두 가지 용액을 각 15㎖에 넣고 거품의 양이 10㎝ 도달할 때까지 타이머로 재고 거품층을 자로 잰다.

 

실험 3 - 기질농도와 효소 반응 속도

1) 준비된 카탈라아제 효소액 1㎖를 최적의 pH완충용액 1㎖와 섞은 후 최적의 온도를 나타내는 배양기에 넣고 5분간 기다린다.

2) 10%, 15%, 30% 기질 용액을 배양기를 15㎖ tube에 넣은 후 효소액이 있는 배양기에 5분간 넣는다.

3) 두 가지 용액을 각 15㎖에 넣고 거품의 양이 10㎝ 도달할 때까지 타이머로 재고 거품층을 자로 잰다.

각주 1) 산이나 염기를 가해도 공통 이온 효과에 의해 그 용액의 수소 이온 농도가 크게 변하지 않는 용액.

실험 결과

1. 결과 분석

 실험 1

A	1 ㎝
B	13 ㎝ (넘침)
C	16 ㎝ (넘침)

실험 2 – pH 9

A	9.8 ㎝
B	3.4 ㎝ (넘침)
C	0 ㎝ (넘침)

실험 3 – pH 9, 0도

A	0 ㎝
B	13.5 ㎝ (넘침)
C	3.5 ㎝ (넘침)

토의 사항

1. 실험 고찰

먼저 첫번째 실험(pH에 따른 효소 활성도 점검)에서는 pH 9에서 가장 효소 활성도가 높았다. 하지만 위의 효소와 pH의 상관관계 그래프에서 볼 수 있듯이 이론상 최적 pH는 9이어야 한다. 이러한 오차가 발생한 원인으로는 시간을 측정하지 않은 것이다. pH가 7인 B와 pH가 9인 C가 모두 15㎖ tube가 넘쳐 정확한 길이를 측정하지 못했을 뿐만 아니라 시간을 측정하지 않아 활성도를 정확히 비교하기에는 한계가 있었다. 그러나, 길이를 측정했을 때에 C관의 거품층이 B에 비해서는 확연히 높았기 때문에 실험결과 최적 pH는 9로 측정되었다.

두번째 실험(온도 변화에 따른 효소 활성도 점검)에서는 4도일 때 가장 활성도가 높았다. 하지만 이 또한 이론상 최적 온도는 37도이다. 우선 이론상의 값과 일치하지 않는 이유는 pH가 9라는 변수가 작용했다는 것과 5분이라는 시간이 충분한 온도를 맞추기에는 충분치 않았다는 것이다. 또한 사실 최적의 온도는 37도보다 더 낮기 때문에 5분동안 충분히 온도가 내려가지 않아 얼음에 담가둔 것이 활성도가 높게 나왔을 것이다. 또한 과산화수소용액 즉, 기질 또한 배양기에 넣어주어야 하는데 A관에는 실온의 기질용액을 넣어주었기에 더욱 온도를 맞추기에는 한계가 있었다.

세번째 실험(기질농도와 효소 반응 속도)에서는 기질의 농도가 10%일 때 가장 활성도가 높았다. 하지만 이론상 최적 농도는 15%이다. 마지막 실험 또한 이론값과 일치하지 않는데, 오차의 발생원인은 효소와 기질의 양을 정확히 맞추지 못하는 것이다. 스포이드를 사용할 때 눈금이 제대로 보이지 않고 밑에 공기가 들어와 정확한 양을 측정하지 못한 것이 오차의 원인이다.

총 3개의 실험에서 공통적으로 주의해야할 점은 어떤 용액을 넣던 간에 거품이 생기지 않도록 스포이드가 관의 벽을 타고 내려갈 수 있도록 해야 한다. 거품이 생긴다면 정량이 들어가지 못하는 경우가 생길 수 있기 때문에 이 점을 주의해서 실험을 한다면 좀 더 정확한 결과값이 도출되지 않을까 생각이 들었다.

마지막으로 과산화수소 용액에 SDS와 글리세롤이 들어간 이유는? SDS는 세제처럼 거품을 만들어주는 역할을 한다. 반응액안에서 산소가 생성이 되면 바로 공기중으로 날아가지 않고 거품의 그 격자 안에 가두게 되어 눈으로 확인할 수 있게 해준다. 글라이세롤은 그 거품이 최대한 오래 유지되도록 해주는 역할을 한다. 반응이 진행중이고 활성측정이 안 끝났는데 거품이 터져버리면 부정확한 값이 측정되기 때문에 최대한 거품이 터지지 않도록 거품의 물성을 지지해주는 역할을 한다.