13. 효소(3)

13. 효소(3)

 

  기질의 농도는 반응속도에 영향을 준다. A -> B 유형의 반응에서 비촉매 반응의 속도는 A의 농도에 정비례한다. 기질의 농도가 높으면 높을수록 반응의 속도는 빨라지며 적절한 효소의 첨가는 반응을 빠르게 해 줄 뿐만 아니라 반응속도 대 기질 농도의 그래프 모습 역시 변하게 만든다. 주어진 효소 농도에서 효소 촉매 반응의 속도는 기질의 농도가 0에서부터 증가함에 따라 초기에는 증가하지만, 그 후에 변하지 않는다. 어느 지점이 되었을 때, 기질 농도가 증가해도 반응속도는 의미 있게 증가하지 않으며 반응속도는 최대에 도달하게 된다.

효소의 반응속도 그래프

  효소의 농도는 대개 기질의 농도보다 훨씬 낮다. 작용할 수 있는 효소에 점점 더 많은 기질이 결합하게 되면 촉진확산에서 봤던 것처럼 포화 현상이 발생한다. 모든 효소에는 기질이 결합하여 있을 때 효소는 가장 빨리 작용하며 이 상태를 최대 반응속도라고 한다. 이때 기질을 더 첨가하더라도 촉매로 작용할 수 있는 자유로운 효소가 남아 있지 않기 때문에 아무 소용이 없다. 이런 조건에서 활성부위는 포화하였다고 설명할 수 있다. 촉매반응의 최대속도는 그 효소가 얼마나 효율적인지 측정하는 데 사용된다. 반응 회전수는 한 효소 분자가 단위 시간당 생성물로 전환할 수 있는 기질 분자의 최대 수이다. 이 값은 2초당 한 분자를 처리하는 라이소자임에서부터 초당 4천만 분자를 처리할 수 있는 간 효소인 카탈레이스에 이르기까지 범위가 매우 넓다.

 

  세포의 생화학반응들은 한 반응의 생성물이 다음 반응의 반응물이 되는 대사 경로 안에서 작동하며 이 경로들은 고립되어 있지 않고 광범위하게 상호작용하고 있으며, 각 경로 개별 반응은 특정 효소에 의해 촉진된다. 세포나 개체 내에서 효소의 존재와 활성은 서로 다른 대사 경로를 통한 화학물질의 흐름을 결정하며 효소의 활성 정도는 두 가지 방식으로 조절된다. 우선 유전자 발현의 조절이 있다. 신호 전환 경로에 의해 유전자 발현이 변한다는 것과 켜지고 꺼지는 유전자들이 흔히 효소를 암호화하는 것을 통해 알 수 있듯이 효소 단백질 유전자의 발현이 증가하거나 감소하여 세포 내 효소 분자의 수가 증가하거나 감소할 수 있다. 다음으로 효소 활성의 조절이 존재한다. 효소의 모양이 변해 기질로부터 활성부위가 감추어지거나, 조절 분자가 기질이 활성부위에 도달하는 것을 방해할 수 있다. 단 하나의 효소 활성이 억제되더라도 전체의 대사 경로에 영향을 미칠 수 있다. 상호 작용하는 대사 경로를 통한 분자의 흐름은 각각의 경로가 다른 경로에 영향을 미치기 때문에 연구할 수는 있지만 매우 복잡하다. 컴퓨터 알고리즘을 사용하여 이 경로들을 모형화하고, 이를 통해 이들이 어떻게 상호 의존적인 시스템으로 적용되는지 파악할 수 있다. 이러한 모형은 분자 농도가 변할 때 일어나는 현상을 예측하는 데 도움을 줄 수 있다. 이러한 새로운 생물학 분야는 시스템 생물학이라고 부르며 다양하게 응용되고 있다.

 

  다양한 화학적 억제제는 효소에 결합하여 촉매반응의 속도를 늦춘다. 일부는 세포 내에서 자연적으로 생기며 나머지는 인공적으로 만들어진다. 자연적으로 생성된 억제제는 물질대사를 조절한다. 반면에 인공적으로 만든 억제제는 질병을 치료하거나, 해충을 없애며 효소의 작동 방식을 연구하는 데 이용된다. 어떤 경우 억제제가 효소에 비가역적으로 결합해 그 효소를 영구적으로 불활성화시키며 다른 경우는 억제제가 가역적으로 작용하는데 억제제가 효소에서 떨어져 나올 수 있으므로 효소가 처리 전처럼 완전하게 기능할 수 있다. 가역적인 천연 억제제를 제거하면 효소의 촉매 작용 속도가 증가한다. 비가역적 억제 작용에서 억제제가 효소의 활성부위에 있는 특정 곁사슬에 공유 결합한다면 정상적인 기질과 상호작용할 수 있는 능력을 파괴해 효소를 영구하게 불활성화시킨다. 가역적 억제 작용에서는 일부 경우 억제제는 특정 효소의 천연 기질과 매우 유사해 효소의 활성부위에 비 공유적으로 결합할 수는 있지만 원래 기질과의 구조적 차이 때문에 효소가 화학반응을 촉진하지 못하게 한다. 이런 분자가 효소에 결합하여 있는 동안에 천연 기질이 활성부위에 들어갈 수 없어 효소가 기능할 수 없다. 이런 분자는 활성부위를 두고 천연 기질과 경쟁하기 때문에 경쟁적 억제제라고 한다. 이 경우에는 억제의 정도는 기질과 억제제의 상대적인 농도에 의해 결정된다. 억제제의 농도가 높으면 기질보다 억제제가 활성부위에 더 많이 결합할 것이며, 반대의 경우도 마찬가지이다. 만약 기질의 농도가 높아지거나 저해제의 농도가 감소한다면 기질이 더 잘 결합하게 되어 효소가 다시 활성을 가지므로 이 억제제는 가역적이다. 무 경쟁적 억제제는 효소-기질 복합체에 결합하여 복합체가 생성물을 방출하지 못하게 막아주는 역할을 한다. 경쟁적 억제제와 달리 무 경쟁적 억제제는 기질을 더 첨가해도 극복되지 않는다. 비경쟁적 억제제는 기질과 결합하지 않는 효소에 결합하는데, 결합 부위는 활성부위가 아닌 다른 부위이다. 이 결합으로 인해 효소의 모양이 변하고 효소 활성이 바뀐다. 활성부위는 더 이상 기질과 결합하지 못하거나 결합해도 생성물 형성 속도가 감소할 것이다. 비경쟁적 억제제는 경쟁적 억제제처럼 효소에서 떨어져 나올 수 있어서 억제제의 효과는 가역적이다.

 

  효소는 환경의 영향을 받는다. 대부분의 효소 촉매반응에서 반응속도는 용액의 pH에 따라 달라진다. 보통 세포 내부의 물은 pH가 7로 중성인데, 산, 염기, 완충용액의 존재로 인해 pH가 달라질 수 있다. 각각의 효소는 특정한 pH에서 가장 활성이 높으며 용액이 이상적인 pH보다 더 산성이거나 염기성이 되면 효소의 활성이 감소한다. 또한 일반적으로 온도는 효소 활성에 영향을 준다. 온도가 상승은 화학반응의 속도를 증가시키는데 반응에 필요한 활성화 에너지를 제공할 만큼 충분한 운동에너지를 가지고 있는 반응물이 증가하기 때문이다. 효소 촉매반응도 다르지 않지만, 너무 온도가 높은 경우 비공유 결합 중 일부가 파괴될 정도로 효소 분자가 너무 빠르게 진동하고 뒤틀리기 때문에 효소는 불활성화하게 된다. 효소의 3차 구조가 열에 의해 변하면 효소는 기능을 잃는다. 일부 효소는 사람의 체온보다 조금만 높아도 변성되지만 몇몇 효소는 물이 끓는 온도에서도 안정적이다. 하지만 모든 효소는 활성을 나타내는 최적 온도를 가지고 있다.