효소 반응의 절대적, 상대적, 입체화학적, 광학적 특이성 (식품과 관련된 산화환원 효소)

 

효소는 화학반응의 촉매와 같은 역할을 하지만 일반적인 화학반응에 작용하는 무기 촉매와는 그 특이성에서 큰 차이가 있습니다. 즉 무기 촉매는 한 종류가 여러 가지 화학반응에 관여하지만, 효소는 제한된 종류의 화학반응 또는 어느 특정한 한 가지 반응에만 관여하는 특이성을 가지고 있습니다. 그러나 어떤 효소들은 분해하고자 하는 결합의 종류에 대해서만 높은 특이성을 나타내고 기질에 대하여는 낮은 특이성을 보이기도 합니다. 또한 특정 원자단에 인접한 특정 결합에 대하여 특이성을 나타내는 원자단 특이성(group specificity)을 갖는 것도 있습니다. 예를 들어 트립신은 단백질 사슬 중의 아르지닌과 라이신의 카복시기 사이의 펩타이드 결합을 가수 분해합니다.

1. 절대적 특이성(absolute specificity)
어떤 한 종류의 기질 또는 한 종류의 반응에만 작용하는 절대적 특이성을 가지고 있습니다. 말테이스(maltase)는 말토스(maltose)에만 작용하고 그 외의 기질에는 작용하지 않는 것이 절대적 특이성의 한 예라고 할 수 있습니다. 그리고 유 레이스(urease)는 요소(urea)만을, 펩신(pepsin)은 단백질만을, 다이 펩티데이스(dipeptidase)는 다이펩타이드(dipeptide) 결합만을 가수 분해하는 경우입니다.

2. 상대적 특이성(relative specificity) 
유사한 형태의 기능 기를 갖는 기질에 대해 작용하는 상대적 특이성을 가지고 있어서 특이성이 약간 적습니다. 예를 들면 트립신(trypsin)은 펩타이드(peptide) 결합을 가수 분해할 뿐만 아니라 에스터 결합까지도 가수 분해합니다. 췌장의 리 페이스(lipase)는 지방을 먼저 가수 분해하고 지방이 아닌 저급의 에스터(ester)는 서서히 분해합니다.

 

3. 입체 화학적 특이성
생물체 중에 존재하는 당류, 아미노산 등의 많은 화합물은 두 종류의 입체 이성질체가 가능하지만 흔히 한 가지만 발견되고 있습니다. 대부분의 아미노산은 L형이고 단당류는 D형입니다. 효소는 두 가지의 이성질체 중 한 가지에만 작용한다는 특이성을 가지고 있어서 광학적 구조에 따라 달리 작용합니다.

4. 광학적 특이성
효소가 기질의 광학적 구조의 차이에 따라 특이성을 나타내는 경우를 광학적 특이성(optical specificity)이라고 합니다. 페니실륨(penicillium) 속의 포도당 산화효소(glucose oxdase)는 베타-D-포도당 이외의 당은 산화시키지 못하면 같은 D-포도당 일지라도 베타-D-포도당의 광학적 이성체인 알파-D-포도당에는 작용하지 않습니다. D형 및 L형에 각각 특이하게 작용하는 아미노산 산화효소도 여기에 속합니다. 

식품의 저장, 가공에 관계가 깊은 효소는 식품의 품질 및 성분 변화에 영향을 미치는 중요한 요인으로서 산화환원효소와 가수분해효소가 대표적입니다. 산화환원효소의 대표적인 효소부터 소개해 보도록 하겠습니다.

 

 카탈 레이스(catalase)
과산화수소를 분해하여 물과 산소를 만드는 반응을 촉매작용을 하는 효소이고, 동물, 식물 및 미생물에도 존재합니다. 카탈 레이스는 4개의 subunit으로 구성되어 있으며, 이들 각각은 protohemin group을 가지고 있어 4개의 독립적인 활성 중심의 일부를 형성하고 있으며 분자량은 240,000입니다. 식품에서 미량의 포도당을 첨가해서 산소를 제거하는데, 글루코스에서 글루콘산을 만드는 등의 식품 가공에서 glucose oxidase와 카탈 레이스를 조합해서 많이 사용되고 있고, 이 효소는 지방 산패나 갈변 억제를 위해 활용됩니다.

 과산화효소(peroxidase)
과산화수소를 이용해 페놀성 물질이나 아스코르브산을 산화시키는 반응을 촉매 합니다. 이 효소의 활성도를 측정하면 곡물의 신선도를 알 수 있습니다. 일반적으로 이 효소 활성이 감소할수록 곡물은 오래된 것입니다. 카탈 레이스와 달리 분자 상의 산소가 생성되지 않습니다. 과산화효소는 철을 함유한 것과 flavoprotein을 가진 것으로 분류합니다. 과산화효소는 식물조직 중에 널리 존재하며 식물조직의 발육과 성숙에 중요한 역할을 합니다. 완전한 활성을 가지지 않는 결합형의 과산화효소가 다량의 석질 세포를 가지는 과실에 많이 함유되어 있습니다. 또한 peroxidase 시험은 과실, 채소류의 데치기(blanching) 정도를 판단하는 데 이용됩니다.

 

 폴리페놀 옥시 데이스(poly phenol oxidase) 
Polyphenolase 또는 phenolase라고도 부르며, 효소 갈변 반응에 관여합니다. 이들은 페놀성 물질을 o-퀴논으로 산화하는 능력을 갖춘 효소들을 포함하며 o-다이 하이드록 시기 페놀을 o-퀴논으로 전환하는 것이 대표적입니다. 폴리페놀 레이스의 작용은 식물조직의 손상 시 갈변을 유도하는 데 결정적인 역할을 합니다. 모든 식물체에 존재하지만 사과, 찻잎, 감자, 양송이, 복숭아, 바나나 등에 많습니다. 폴리페놀 산화효소의 기질은 식물조직에 들어있는 페놀성 화합물, 주로 플라보노이 드류입니다. 이들은 카테킨, 안도 사이아니딘, 류모 안도 사이아니딘 및 신남산(cinnamic acid)의 유도체 등입니다.

이 외에도 아스코르브산 산화효소, 리폭시제네이스, 탈수소 효소, 잔티 옥시 데이스 등의 산화환원효소가 있습니다. 이들의 설명은 아래의 다음 글에서 소개해 드리겠습니다.