[생화학개론]효소의 고정화(고정화 효소) 3부






효소의 작용


효소는 기질과 결합하여 효소-기질 복합체(enzyme-substrate complex)를 형성함으로써 반응의 활성화 에너지(activation energy)를 낮추는 촉매 역할을 한다.



어떤 물질들이 모여서 화학반응을 하려면 이 물질들이 서로 결합하거나 충돌할 만큼 에너지를 가져야 하는데, 이런 상태가 되는 데 필요한 에너지를 그 물질의 활성화 에너지라 한다. 효소는 이런 활성화 에너지를 낮추어 줌으로써 생물체 내의 화학반응을 촉진시킨다.


효소에 의해 촉매되지 않은 반응은 활성화 에너지(Ea)가 많이 필요하지만, 효소에 의해 촉매된 반응은 활성화 에너지(Ea’)가 더 적게 필요하다. 두 가지 반응 모두 반응하기 전의 에너지와 반응이 끝난 후의 에너지는 같다. 즉, 두 반응 모두 반응 전과 반응 후의 에너지 차이는 같다. 다만 효소는 반응이 시작하기 위해 필요한 활성화 에너지를 낮추어 줌으로써 반응이 좀더 쉽고 빨리 일어날 수 있도록 도와주는 역할을 한다.이렇게 효소가 반응에 필요한 활성화 에너지를 낮출 수 있는 것은 효소가 기질과 결합하여 기질이 반응하기 쉽게 도와주기 때문이다. 


효소들은 각기 다른 형태의 활성부위 (active site)를 가지고 있다. 그러므로 효소는 자신의 활성부위에 알맞게 결합하는 특정한 기질하고만 상호 작용할 수 있다. 효소와 기질은 활성부위에서 결합하여 효소-기질 복합체(enzyme-substrate complex)를 형성한다. 반응이 끝난 후에도 효소의 형태는 변하지 않으며 기질은 새로운 생성물이 된다. 이렇게 효소가 특정 기질과만 결합하여 반응을 촉매하는 성질을 효소의 기질 특이성(substrate specificity)이라 한다.


기질은 효소에 비해 작은 분자이므로 효소분자의 특정 부위에 결합하게 된다. 이러한 상호작용을 설명하는 가장 간단한 모형은 열쇠-자물쇠 모형(lock and key model)으로서 효소를 자물쇠로, 기질을 열쇠로 나타낸다 그러나 기질과 효소의 활성부위간의 결합이 처음부터 완벽하게 들어맞는 것은 아니다. 


Induced fit model에서는 효소와 기질의 반응을 다음과 같이 설명한다. 여러 모양의 기질 중에서 효소의 활성부위와 가장 잘 들어맞는 기질이 선택되어 효소의 활성부위에 붙는다. 그러면 효소의 활성부위의 모양이 기질의 모양과 비슷해지도록 변형된다. 이때에 기질의 모양도 조금 바뀌게 되는 데 이것이 효소반응에 필요한 활성화 에너지를 낮춰 준다. 그런 후에 효소의 작용을 통해 기질이 새로운 생성물로 만들어진다.


효소와 기질간의 상호작용을 분자수준(molecular level)에서 이해하기 위하여 X-선이나 라만분광기(Raman spectroscopy)와 같은 다양한 방법으로 효소-기질 복합체(enzyme-substrate complex)의 존재를 확인하였고, 이들 간의 상호작용은 효소-기질 복합체마다 다르기는 하지만 매우 약한 결합으로 대부분 반데르발스(van der Waals) 결합과 수소결합으로 알려져 있다.


온도와 pH는 효소의 활성에 큰 영향을 미친다. 온천지대에서 발견되는 내열성 미생물 등 예외가 있기는 하지만 효소는 대개 40℃ 정도까지는 온도증가에 따라 활성이 증가한다. 하지만 그 이상에서는 열에 의한 변성이 일어나서 활성을 잃어버린다. 또, 위(stomach)에서 작용하는 펩신(pepsin)처럼 최적 pH가 2정도로 강산성인 경우도 있으나 효소의 활성은 대부분의 효소의 경우 pH가 중성 부근일 때 가장 좋다.





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