'효소'는 어떻게 작용할까? 효소의 화학적 특징에 대한 모든 것

효소는 생물체에서 일어나는 화학반응을 촉매 시켜 주는 생 촉매(biocatalyst)로, 기질과 반응하여 생성물을 생산합니다. 효소 반응은 생체 또는 식품 내에서 일어나는 내적 반응과 미생물에 의한 외적 반응이 있는데, 내적 효소는 소화와 흡수를 위한 작용이 주요 목적이고 외적 효소는 식품의 가공, 저장, 발효, 부패 중에 일어나는 변화에 영향을 주며, 특정 성분의 향상이나 억제가 주요 목적으로 사용됩니다. 효소의 작용이 식품의 가공이나 저장 중 유리하게 일어날 때는 그 작용을 촉진하고, 반대로 불리하게 작용할 때는 그 작용을 억제해야 합니다.

효소는 단순 또는 복합단백질로써, 단백질 분해효소에 의해 분해되고 열과 pH에 의해 변성되어 그 활성을 잃게 됩니다. 또한 그 전기적 성질과 물리, 화학적 성상도 보통 단백질과 비슷합니다. 많은 효소는 복합단백질로써, 단백질 부분(apoenzyme)과 여기에 붙어 있는 보결 분자 쪽(prosthetic group)으로 되어있으며 이들 두 부분이 결합한 형태를 완전 효소(holoenzyme)라고 하고 이때 비로소 활성을 갖게 됩니다.

 

 효소의 화학적 특징
효소는 아미노산이 펩타이드 결합으로 구성된 단백질입니다. 효소는 단순단백질인 경우와 복합단백질인 경우가 있는데, 복합단백질 효소는 단백질 부분인 결손 효소(apoenzyme), 비단백질 물질인 조효소(coenzyme) 또는 보결 분자단(prosthetic group)으로 구성되어 있습니다. 복합단백질인 경우를 홀로 효소(holoenzyme)라고 하며, 완전 효소는 다음과 같은 경우에서 완전한 효소의 활성을 갖게 됩니다. 
완전 효소 = 결손 효소(단백질) + 보결분자단(보조효소, 보조인자)
결손 효소는 효소의 특이성을 결정하고 열에 불안정합니다. 보결 분자단은 단백질과 단단하게 결합하여 있고, 효소의 종류에 따라 보조 효소 또는 보조인자를 가지고 있기도 합니다. 보조 효소(coenzyme)는 주로 비타민이 보조 효소 형으로 전환된 것으로 분자량이 적고 열에 안정합니다. 보조인자(cofactor)는 주로 무기질로 되어 있고 효소 작용을 도와주게 됩니다.
E(효소) + S(기질) ↔ ES(효소-기질 복합체) ↔ EP(효소-생성물 복합체) ↔ E(효소) + P(생성물)

 효소의 메커니즘
효소는 기질과 결합하여 효소-기질 복합체를 만듭니다. 효소와 기질은 열쇠와 자물쇠의 관계를 가지고 있어서 효소의 활성부위와 기질의 형태가 일치하는 경우에만 효소-기질 복합체를 만듭니다.
반응물(기질)에서 생성물이 만들어지는 화학반응은 기질 분자의 어떤 부분이 분자 내의 나머지 부분보다 더 많은 내부 에너지를 가지고 있어 전이 상태(transition state)라 부르는 에너지 정점에서 분자를 이동시킴으로써 일어납니다. 활성화 에너지(activation energy)는 주어진 온도에서 1몰의 물질 내에 있는 모든 분자를 에너지 장벽의 정점인 전이 상태로 이동시키는 데 필요한 에너지를 말합니다. 이 정점에서는 반응이 생성물을 형성하는 쪽으로 진행되거나 또는 반응하지 않은 기질 쪽으로 떨어지게 됩니다. 효소 E)는 기질(S)과 잠정적으로 결합하여 복합체(ES)를 만드는데, 이 복합체의 전이 상태는 촉매작용이 없는 기질보다 훨씬 많은 활성화 에너지를 가지게 되어 에너지 장벽을 쉽게 넘게 되므로 반응 속도가 빨라집니다.
산업체에서 사용하는 비효고 촉매는 비슷한 조건으로서의 반응 효율이 훨씬 떨어집니다. 예를 들면 카탈 레이스(catalase)에 의한 과산화수소(H2 O2) 분해는 콜로이드 백금촉매를 사용하였을 때보다 천만 배 빨리 일어납니다. 

 효소작용에 영향을 미치는 인자
1. 온도
효소 반응은 일반적으로 화학반응과 같이 온도가 증가함에 따라서 반응속도가 증가합니다. 그러나 효소는 단백질로 되어있기 때문에 높은 온도에서는 단백질이 변성되어 오히려 반응속도가 감소하거나 활성을 잃게 됩니다. 특정한 온도 범위에서 효소가 최대의 촉매 활성을 나타내는 온도를 최적 온도(optimum temperature)라고 합니다. 일반적인 효소의 최적 온도는 30~40℃ 정도입니다. 최적 온도 이상에서는 효소 단백질이 열변성을 일으켜 반응속도가 감소하게 됩니다. 대부분의 효소는 70℃ 이상의 온도에서 활성을 잃는다. 
효소의 열변성은 식품공업에서 많이 이용되고 있는데, 식품 중에 존재하는 효소는 보통 원료를 70℃ 또는 그 이상의 온도에서 수 분간 가열(데치기, blanching)함으로써 불활성화됩니다.

2. pH
효소의 작용은 온도의 경우와 마찬가지로 반응용액의반응 용액의 pH에 따라 크게 영향을 받습니다. 효소는 일정한 pH의 범위 안에서 최고의 활성도를 나타내는 것을 효소의 최적 pH(optimum pH)라고 합니다. 반응 용액의 pH가 최적 pH보다 알칼리성 또는 산성 쪽으로 증감하면 효소 활성도가 점차 감소하여 온도에 따른 효소 반응 속도 그래프는 전형적인 종 모양을 나타냅니다. 효소는 단백질이므로 강한 산성이나 알칼리성에는 비가역적 변성을 일으켜 불 활성화됩니다. 모든 효소에는 작용 최적 pH가 있지만 효소의 최적 pH는 기질의 종류에 따라서 다를 수 있습니다.

3. 효소의 농도와 기질의 농도
효소반응에서 일정한 pH, 온도, 기질 농도가 주어졌을 때 효소 농도에 따른 반응속도의 변화를 보면 효소 농도가 낮은 경우에는 효소 농도와 반응 속도 간에 비례관계를 나타내게 됩니다. 효소 온도가 높을 경우에는 효소 농도가 증가해도 반응속도는 그다지 증가하지 않게 됩니다. 이때, 기질 농도가 제한인자가 되어 기질을 더 첨가하지 않는 한 반응 속도는 증가하지 않게 됩니다. 효소반응 속도에서는 효소 농도와 기질 농도가 아주 긴밀히 연결되어 있습니다.