오늘은 효소(enzyme)에 대해서 알아보겠습니다.
효소(Enzyme)란
효소는 생물학적 물질(biological substance)로, 촉매(catalyst) 역할을 하는 단백질(protein)입니다.
생명체 내의 복잡한 대사 과정을 조절하는 데 중요한 역할을 하며, 우리가 알고 있는 대부분의 단백질이 효소라고 생각하면 됩니다.
본질적으로 효소가 하는 일은 화학 반응의 속도를 증가 시키는 일입니다. 즉 ‘화학 반응’을 일으키는 게 핵심입니다.
효소 없이 화학 반응을 촉진하는 방법은 ?
효소가 하는 일은 ‘화학 반응’을 일으키는 건데요. 예를 들어, 사람이 음식물을 섭취한 후 소화를 하여 에너지를 얻는 과정인 ‘물질대사’ 에 직접적인 역할을 합니다.
이와 같은 일은 생명시스템에 결정적인 역할이기 때문에 효소가 없거나 정상적으로 작동하지 않는다면 건강이 크게 악화됩니다.
효소의 역할에 대해서 좀더 이해하기 위해서, 효소가 없다면 어떤 방식으로 ‘화학 반응’을 촉진 할 수 있는지 생각해 보죠.
효소 없이도 화학 반응이 일어나게 하기 위해서는, 우선 물질끼리 반응을 할 때까지 아주 오랜 시간 동안 기다리는 방법이 있습니다.
물질들을 겹겹히 쌓아 놓거나, 맞닿아 놓는다고 해서 갑자기 화학 반응이 생기진 않기 때문에, 사실 굉장히 오랜 시간이 걸릴 수도 있습니다.
환경에 변화를 주는 방법도 있는데요.
온도를 높이거나, 압력을 증가시키는 방법이 있고요. 반응 환경의 산성도나 염기성을 조정하는 방법도 있습니다.
이런 경우 변화된 환경을 유지하는데 비용이 크게 들기도 하고요. 혹은 환경 때문에 물질 자체에 변성이 되는 수도 있습니다.
마지막으로는 촉매를 사용하는 방법입니다.
화학적 촉매, 전기 에너지 사용, 빛 촉매, 기계적 에너지 등을 사용할 수 있는데요.
화학 촉매나 특수 장비는 비용이 많이 들고, 유지보수가 어려운 문제가 있습니다.
이와 같이 효소 없이도 화학반응을 촉진할 수 있는데요.
이를 비효소적 방법이라고 합니다. 비효소적 방법은 주로 생물학적 시스템 보다는 인공적 환경에서 사용되고 있는데요.
비효소적 방법이 주로 사용되는 분야로는 대규모 화학 합성(예: 비료, 플라스틱 생산)과 같은 산업 공정이나, 연료 전지, 바이오매스 처리와 같은 에너지 생산. 그리고 폐수 정화, 대기 오염 제어과 같은 환경 처리 분야에서 사용되고 있습니다.
1. 온도 높이기
- 원리: 온도를 높이면 분자 운동이 증가하여 반응물의 충돌 빈도와 에너지가 증가
- 장점: 반응 속도를 크게 증가시킬 수 있음
- 단점: 생명체 내에서는 고온이 단백질과 DNA를 변성시켜 치명적일 수 있음
- 예: 산업 공정에서 고온으로 화학 반응(예: 석유 정제, 암모니아 합성)
2. 압력 증가
- 원리: 기체 반응의 경우 압력을 증가시키면 반응물의 밀도가 높아져 충돌 빈도가 증가
- 장점: 기체 상태에서의 반응 속도 증가
- 단점: 고압 환경은 비용이 많이 들고 안전 문제를 초래할 수 있음
- 예: 하버-보슈 공정(암모니아 합성)
3. 화학적 촉매 사용
- 원리: 금속, 산화물 등 화학적 촉매가 반응의 활성화 에너지를 낮춰 반응 속도를 증가시킴
- 장점: 효소 없이 특정 반응을 효과적으로 촉진 가능
- 단점: 효소만큼의 특이성을 가지지 않거나 환경오염 문제를 일으킬 수 있음
- 예:
백금 촉매를 이용한 자동차 배기가스 정화
니켈 촉매를 이용한 기름의 경화(마가린 생산)
4. pH 조절
- 원리: 반응 환경의 산성도나 염기성을 조정하여 반응 속도를 증가.
- 장점: 일부 반응에서 효율적으로 사용 가능.
- 단점: 생명체 내에서는 pH 변화가 조직에 손상을 줄 수 있음.
- 예: 화학 실험에서 산이나 염기를 사용하여 특정 반응을 촉진.
5. 전기화학적 방법
- 원리: 전기 에너지를 이용해 반응물에 전자를 주입하거나 제거하여 반응을 촉진.
- 장점: 선택적이고 효율적인 반응 유도 가능.
- 단점: 특별한 장비와 기술이 필요.
- 예: 전기분해를 통한 수소 생산.
6. 빛(광촉매) 사용
- 원리: 빛 에너지를 이용해 반응물의 에너지 상태를 높여 반응을 촉진.
- 장점: 재생 가능 에너지 사용 가능.
- 단점: 특정 파장에 반응하는 시스템이 필요.
- 예: 광촉매를 이용한 물의 분해로 수소 생성.
7. 기계적 에너지 적용
- 원리: 기계적 힘(마찰, 초음파 등)을 이용해 분자 간 충돌을 증가시켜 반응 촉진.
- 장점: 특별한 화학 물질 없이 반응을 유도 가능.
- 단점: 특정 반응에서만 효과적.
- 예: 초음파를 이용한 화학 합성.
‘효소’의 특징
그러면 다시, 효소의 역할에 대해서 점검해보고 어떤 특징이 있는지 살펴보죠.
효소는 무엇보다도 생물체가 살기 위해 필요한 화학반응을 낮은 온도에서 빠르게 할 수 있게 해줍니다.
사람의 경우 37°C 에서도 온도 및 기압 변화 없이도 화학반응을 일으킬 수 있게 되는 거죠.
이 뿐만 아니라 효소는 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다. 덕분에 보다 정밀하게 그 역할을 수행할 수 있게 되죠.
- 특이성: 특정 기질(substrate)만을 인식하고 반응을 촉진
- 재사용 가능성: 반응이 끝난 후, 효소는 구조적으로 변하지 않아 재사용 가능
- 온도와 pH에 민감: 최적 온도와 pH에서 가장 효과적으로 작용하며, 민감성이 높아 환경조건이 변하면 활성 감소
‘효소’가 실제로 작용하는 과정
먼저 효소가 작용을 위해서는 기질(substrate) 혹은 생물학적 분자(molecule)가 필요해요.
효소와 기질이 결합하고, 화학반응을 일으키고, 산물을 방출하고 나서, 다시 효소를 재사용 가능토록 하는 4가지 단계로 나뉘어 집니다.
- 효소-기질 결합 (E + S)
- 화학 반응 촉진
- 산물 방출 (P)
- 효소의 재사용
효소는 특정 기질과 결합하여 효소-기질 복합체 (enzyme-substrate complex)를 형성합니다.
효소의 활성 부위(active site)는 기질의 특정 부분과 결합하도록 설계되어 있는데요. 이 과정을 설명하는 모델은 자물쇠-열쇠(lock-and-key) 모델 또는 유도 적합(induced fit) 모델이 있습니다.
이렇게 해서 효소-기질 복합체가 형성되면, 효소는 반응을 촉진하여 기질을 반응물로 변환합니다. 이 과정에서 효소는 반응의 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 증가 시킵니다.
반응이 끝나면 생성된 산물(product)이 효소의 활성 부위에서 떨어져 나갑니다.
이때 효소는 구조적 변화 없이 원래 상태로 돌아가는데요. 효소는 다른 기질 분자와 다시 결합하여 반복적으로 반응을 촉진할 수 있습니다.
정말 놀랍지 않나요 ?
생명체의 체온이 유지되는 환경에서, 원하는 특정 기질에만 정확히 작동하고, 이후 재사용까지 가능하니, 효소는 생명체에 꼭 필요한 존재입니다.
‘효소’의 종류
거의 모든 효소는 명칭이 -ase로 끝나는데요, 한글로는 ‘-아제’로 끝나게 됩니다.
참고로 약물을 뜻하는 한자인 ‘제'(劑)와의 혼동을 막기 위해, 효소는 반드시 ‘아제’로 표기됩니다.
아밀라아제 (Amylase)
탄수화물을 분해하는 소화 효소로, 주로 녹말(전분, Starch)을 더 작은 당분으로 분해하여 체내에서 흡수 가능하게 만듭니다.
전분과 같은 복합 탄수화물을 말토오스(Maltose) 또는 덱스트린(Dextrin)으로 분해하며, 이후 말토오스는 말타아제(Maltase)라는 효소에 의해 포도당(Glucose)으로 전환되어 에너지로 사용됩니다.
아밀라아제는 입과 췌장에서 각각 분비되는데요.
타액 아밀라아제(Salivary Amylase)는 입에서 분비되어 음식물을 씹을 때 탄수화물 소화를 시작합니다.
췌장 아밀라아제(Pancreatic Amylase)는 췌장에서 분비되어 소장에서 탄수화물 분해를 담당 합니다.
아밀라아제는 주요 에너지원인 탄수화물 소화와 에너지 대사에 필수적인 효소이기 때문에, 결핍 시 소화 장애, 영양 결핍, 혈당 불균형 등이 나타날 수 있습니다
- 작용: 전분을 포도당으로 분해
- 위치: 타액, 췌장
리파아제 (Lipase)
우리가 음식을 통해서 섭취한 지방(lipid)을 분해하는 효소로, 소화 과정에서 중요한 역할을 합니다.
리파아제는 트라이글리세라이드(Triglycerides)를 글리세롤(Glycerol)과 지방산(Fatty Acids)으로 분해합니다.
이 과정을 통해 체내 에너지원으로 사용 가능한 형태의 물질을 만드는 데요.
리파아제는 췌장에서 분비되어 주로 소장에서 작용하며, 섭취한 음식물의 지방을 흡수 가능하게 만듭니다.
지방의 소화는 담즙(bile)과 리파아제가 협력하여 이루어지며, 담즙은 지방을 유화하여 리파아제가 작용하기 쉬운 상태로 만듭니다.
리파아제가 부족하면 지방 소화와 흡수가 제대로 되지 않고, 지용성 비타민(A, D, E, K)도 흡수되지 않아서 시력 저하 및 면역 약화(비타민 A), 골다공증 및 뼈 약화(비타민 D), 세포 손상 및 신경계 이상(비타민 E), 혈액 응고 장애(비타민 K) 등 영양 부족 문제를 일으킬 수 있습니다.
췌장의 기능 저하로 리파아제 생산이 감소하면 췌장외분비부전(Exocrine Pancreatic Insufficiency, EPI)이 발생할 수도 있습니다.
- 작용: 지방을 글리세롤과 지방산으로 분해
- 위치: 췌장, 소장
카탈라아제 (Catalase)
활성산소가 좋지 않은 것은 들어보셨죠 ? 과산화수소는 세포막, 단백질, DNA 등을 손상시킬 수 있는데요.
카탈라아제는 과산화수소를 안전한 물과 산소로 전환하여 산화 스트레스를 줄이는 결정적인 역할을 합니다.
때문에, 카탈라아제가 부족하면 과산화수소가 제대로 분해되지 않아 세포와 조직 손상이 증가하고, 세포 노화가 가속화 되거나 알츠하이머병, 파킨슨병 등과 같은 신경계 질환이 발생할 수 있습니다.
- 작용: 과산화수소(H₂O₂)를 물(H₂O)과 산소(O₂)로 분해
- 위치: 간, 신장 등
락타아제 (Lactase)
우유를 섭취하면 복통이 생기거나 설사를 하는등의 유당불내증 (Lactose Intolerance) 발생하는 것이 락타아제 효소가 결핍해서 나타나는 현상입니다.
락타아제는 유당을 갈락토오스(Galactose)와 포도당(Glucose)로 분해를 하는 역할을 하는데, 유당불내증은 유당이 소장에서 분해되지 않고, 대장으로 이동하면서 생기는 문제점 입니다.
- 작용: 소장 상피 세포의 미세융모에서 분비되는 효소로 유당(이당류)을 갈락토오스와 포도당으로 분해
- 위치: 소장
오늘은 여기까지 입니다. 다음에 또 다른 컨텐츠로 뵈요.