효소의 작용

효소는 촉매작용을 하는 고분자 단백질 (15,000 < 분자량 < 수백만 달톤)이다. 최근 몇몇 RNA 분자들도 촉매 역할을 한다고 알려졌지만 대부분의 세포 내 반응들은 단백질 촉매에 의해 진행된다. 촉매 특성을 갖는 RNA 분자들을 리보자임(ribozyme) 이라고 부른다. 효소는 특이적이고 다양하며, 매우 효과적인 생촉매이며 보통의 조건에서 화학적 촉매반응과 비교하면 매우 높은 반응속도를 나타낸다. 2000개 이상의 효소가 알려져 있다.

 

효소의 명명은 요소분해효소(urease)와 같이 기질명 뒤 또는 알코올 탈수소효소(alcohol dehydrogenase)와 같이 촉매하는 반응명 뒤에 -ase라는 접미사를 붙인다. 어떤 효소는 접힌 폴리펩타이드와 같은 단순한 구조(대부분의 가수분해효소)를 갖기도 한다. 많은 효소는 하나 이상의 소단위체(subunit)를 가지고 있다.

 

단백질 효소들은 효소활성을 위하여 비단백질기를 필요로 한다. 이러한 기는 Mg, Zn, Mn, Fe와 같은 금속이온인 보조인자이거나 또는 NAD, FAD, CoA와 일부 비타민과의 유기 결합체인 조효소(coenzyme)이다. 비단백질기를 가진 효소를 완전효소(holoenzyme)라 하고, 이 효소의 단백질 부분을 순효소(apoenzyme) (완전효소= 순효소+ 보조인자)라 한다. 다른 분자구조를 갖지만 동일한 반응을 촉매하는 효소를 유사효소(isoenzyme)라 한다. 효소는 효소 복합체를 형성하는 것에 따라 구분되기도 하고 기질특이적이므로 효소가 촉매하는 반응에 따라서 구분되기도 한다.

 

 

 

효소의 작용

효소는 기질과 결합하여 효소-기질 복합체를 형성함으로써 반응의 활성화 에너지(activation energy)를 낮추는 촉매 역할을 한다. 그러나 효소는 자유 에너지 또는 반응의 평형상수에는 영향을 끼치지 않는다. 예를 들면, 과산화수소 분해에 필요한 활성화 에너지는 촉매의 종류에 따라 달라진다. 20°C에서 비촉매 반응에서의 활성화 에너지는 18 kcal/mol 인 반면, 화학적 촉매반응(콜로이드상의 백금에 의한)이나 효소촉매반응[과산화수소분해효소(catalase)]의 ΔE 값은 각각 13 kcal/mol과 7kcal/mol이다. 결국 과산화수소분해효소는 반응 속도를 약 10⁸배 정도 촉진한다. 이같이 활성화 에너지의 작은 변화에 대한 반응 속도의 큰 차이는 반응 속도와 활성화 에너지 간의 지수적 비례관계 때문임을 명심해야 한다. 이 경우 반응속도의 비는 exp(-7000/2 • 293) ÷ exp(-18,000/2 • 293)가 된다.

분자 수준에서의 효소와 기질 간의 상호작용은 아직 완전히 이해되지는 않았다. 이와 같은 상호작용은 각각의 효소기질 복합체에 따라 다르게 나타난다. X-선이나 라만분광기와 같은 다양한 방법으로 효소-기질(ES) 복합체의 존재를 확인하였고, 이들 간의 상호작용은 대부분 매우 약한 결합으로 되어 있다. 대부분 판데르 발스(van der Waals) 결합과 수소결합이 ES 복합체 형성에 관여하고 있다. 기질과 특이적으로 결합하는 효소의 위치를 활성부위(active site)라 한다. 기질은 효소에 비해 작은 분자이므로 효소 분자의 특정 부위에 결합하게 된다. 이러한 상호작용을 설명하는 가장 간단한 모형은 열쇠-자물쇠 모형으로서 효소를 자물쇠로, 기질을 열쇠로 나타낸다.

 

여러 기질이 참여하는 효소 촉매반응에서, 기질들의 반응 부위끼리 서로 가까이하고, 효소의 활성부위와도 근접하도록 효소는 기질을 끌어당긴다. 이와 같은 현상을 근접효과(proximity effect)라 한다. 또한 효소는 반응속도를 증가시키기 위하여 특정 가도와 위치에서 기질과 결합한다. 이것을 방향효과(orientation effect)라 한다. 일부 효소에서는 효소기질 복합체가 형성되면서 효소의 3차 구조가 바꾼다. 이같이 기질에 의한 효소 분자구조의 변화 유도는 효소의 촉매역가 증진에 기여한다. 라이소자임(lysozyme)이나 카복시 단백질분해효소(carboxypeptidase) A의 경우, 기질과 복합체를 형성하면서 3차 구조가 변화됨이 관찰되었다. 효소의 촉매작용은 효소의 1차 구조뿐만 아니라 2차, 3차, 4차 구조에 의해서도 영향을 받는다. 효소의 활성부위의 특성과 입체구조의 특징은 효소의 촉매활성도에 영향을 미친다. 어떤 효소는 고유의 기능을 위해 보조효소와 보조인자가 필요하기도 한다.