단백질의 기능 효소들의 주요한 특성

(a) 영양물 저장과  작은 소단위 분자로부터 고분자를 합성하기 위해서는 에너지가 필요하며 반대로 고분자의 분해 시에는 에너지와 단량체들을 방출한다. 이런 점에서 생물학적 고분자 들은 영양물 또는 에너지 저장 화합물로 간주될 수 있다. 그러나 비록 이것이 일부 고등 생물체들에서 상당히 잘 발달되어 있다 하더라도 미생물에서는 단백질의 매우 작은 기능에 불과하다.

 

어떤 형태나 크기로도 존재할 수 있는 잠재력과 다양한 물에의 용해도 때문에 아 마 많은 단백질들이 구조적 역할을 갖게 되는 것 같다. 이런 기능도 고등생물에서는 비교적 잘 발달되어 있으나 미생물에서는 제한되어 있다. (b) 효소 단백질의 가장 중요한 역할은 아마 생물학적 촉매일 것이다. 촉매는 화학반응의 속도를 증가시키지만 자신은 그 반응에서 소모되지 않는다. 화학적 촉매의 예로는 과산화수소(H2 O2)에 대한 이산화망간(MnO2)의 작용이 있다. 과산화수소는 자연적으로 분해되어 산소와 물을 형성한다. 그러나 실험실내의 보통 조건하에서 이 반응 은 매우 천천히 일어나서 일반적으로 눈에 잘 띄지 않는다.

 

MnO2의 첨가는 빠른 비등을 일으키며 반응이 끝났을 때 MnO는 완전히 변하지 않은 상태로 남아 있는 다. 과산화수소는 산화력에 의한 상당한 독성을 갖고 있으며 일부 세균은 그것을 분해하는 촉매를 갖고 있다. 슬라이드 상의 세균을 도말한 것 위에 과산화수소를 가했을 때의 효과는 전술한 MnO2의 효과와 거의 같다. 반대로 학적 고분자 이것이 일부 질의 매우 소(enzyme)라 하며 모두 단백질이 주성분으로 되어 있다. 간단히 말해서 모든 효 소는 단백질이지만, 모든 단백질이 효소는 아니다.

 

효소들의 주요한 특성으로는 촉매작용의 신속성과 특이성, 조절의 용이함 등이 있다. 반응 속도의 가속력은 굉장히 커서 어떤 효소들은 화학 반응을 1012배 정도로 증가시키기도 한다. 과산화수소를 분해하는 효소인 카탈라제(catalase)의 단일 분자는 1초당 거의 100,000개의 과산화수소 분자를 처리할 수 있다. 효소는 촉매작용이 없을 때 비록 느리더라도 반응이 진행될 수 있는 반응만을 가속화시킬 수 있다.

 

만일 반응이 일어나는 것이 화학적으로 불가능하다면 어떤 양의 효소도 그 반응을 촉 진시킬 수 없다. 그러면 세포가 촉매 하는 화학반응이 일어나기 위해 왜 세포가 효 소를 필요로 하는가. 그 한 가지 이유는 아주 간단한데 어떤 반응들은 너무 천천히 일어나서 세포가 그로부터 어떤 이득도 얻지 못하기 때문이다, 즉 세포가 반응이 일어나기를 기다릴 수가 없다.

 

둘째로, 효소의 중재는 필요한 특정 대사 경로를 선 택하게 되는 결과가 된다. 중간 대사물질이라고 알려진 특정한 화합물들은 많은 종 류의 전환을 받을 수 있다. 가상적인 세포에서 이들 모든 전환이 동시에 느린 속도로 일어난다고 가정하면 전반적인 대사 회로를 통해 이런 상황이 지속됨에 따라 궁 극적으로 그 세포는 여러 가지 대사산물로 가득 차게 될 것이며 그 결과는 매우 무 질서 하게 될 것이다. 이들 촉매 되지 않은 반응들이 단위 시간(t) 당 1 분자의 속도로 일어난다고 했을 때 보통의 가속 능력(약 10배)을 가진 효소의 첨가는 t시간 경과 후 109 분자의 가능한 산물을 만들게 될 것이다. 이 가상적인 세포에서 10 분자의 반응 산물은 세포가 즉시 필요로 하는 전량이 될 수도 있다.

 

적어도 이론적으로는 효소가 반응을 촉매한 뒤에도 변화하지 않고 남아있기 때문에 세포로서는 효소의 활성을 조절할 수 있는 어떤 방법을 가져야만 타당할 것이다. 그러한 조절은 여러 가지 방식으로 일어날 수 있다. 먼저, 효소의 합성이 기질 분자의 존재에 의해 조절될 수 있다. 이 방식은 경제적인 면에서 바람직 한데, 그 이유는 즉각적으로 사용되지 않을 효소를 합성하는 것이 에너지의 낭비 가 될 수 있기 때문이다. 기질이 존재함에 따라 합성되는 효소를 유도 효소(inducible enzyme)라 한다.

 

두 번째로, 효소 분자는 기질 이외의 분자들과의 반응에 의해 작동되거나 또는 안 될 수 있다. 많은 대사 경로들은 기질 분자에 점진적이고 순차 적인 변화를 가져오는 긴 반응들의 연속으로 이루어져 있다. 그런 경우에 연속적인 반응의 후반부 생성물 중의 하나가 반응 초기 단계를 촉매 하는 효소와 반응할 수도 있어서 그것을 불 활성화시킨다. 반대로 초기 중간 대사물이 불활성 상태로 존재하고 있는 후반부 촉매 효소를 활성화시켜 반응이 계속되게 할 수도 있다.

 

양상의 일부가 그림 6.2에 나타나 있다. 만일 세포의 모든 화학 반응을 동시에 고려한다면 대사 과정들이 무작위의 상태로 되지 않기 위해서는 굉장히 정밀한 조절이 필요하다는 것이 분명하게 된다. 그래서 세포의 세 번째 중요한 성질인 특이성 (spe cificity)이 나타난다. 많은 효소들은 극도로 특이해서 불과 한 가지 화합물의, 그것도 빈번히 한 입체 이성질체의 단일 전환만을 촉매 하게 된다. 이런 특이성은 촉매 부위 (catalytic site)라고도 부르는 효소의 활성 부위(active site)를 구성하는 작용기들의 정확한 배열 때문이다.

 

효소의 가속 능력 중 많은 것은 반응이 일어나는데 필요한 적정 조건을 제공하기 위한 그런 구조로 기질과 결합하고 바르게 맞추는 능력에 기인한 것이다. 이런 작용 양상이 그림 6.3에 나와 있다. 동시에 고려 밀한 조절이 특이성 (c) 효소 반응속도론 효소에 의해 촉매되는 반응의 속도를 양적으로 측정하는 것은 간편하다. 반응 속 도를 측정하는 분명한 방법은 용액 중의 효소에 일정한 농도의 기질을 첨가하고 시간에 따라 생성되는 생성물의 농도를 조사하는 것이다. 그림 6.4에 보이는 곡선과 같은 것이 그 결과가 된다.

 

시간이 경과하면 반응 속도의 저하에 따라 곡선도 기울 기가 점차 감소하게 된다. 이것은 기질의 감소에 따라 단위 시간당 기질과 효소 사 이의 성공적인 충돌의 횟수가 줄어들거나, 생성물에 의해 효소가 저해받거나, 반응 도중 변화할 수 있는 pH 등의 다른 요인에 의한 저해이거나, 또는 단백질 자체의 점진적인 분해 때문이다. 그러나 이 곡선의 초기 부분은 직선으로 그 기울기는 반 응의 초기 속도, V를 나타낸다. V 측정할 수 있는 양이지만 그것은 주어진 기질 농도의 존재하에 반응의 신속성 만을 양적으로 나타낼 뿐이다.

 

다른 기질 농도의 존재하에 실험을 반복하면 그림 6.5에 있는 일련의 곡선들을 얻 을 수 있으며 그로부터 연속적인 V를 얻을 수 있다. 매우 높은 기질 농도에서 Vo는 최대치를 나타내며 이를 Vmx라 한다. 기질 농도, [S]의 더 이상의 증가는 반응 속도를 증가시키지 못하는데 그 이유는 효소의 모든 활성 부위들이 이미 기질 분자 들로 포화되었기 때문이다. 이 현상은 그림 6.6에서 보는 바와 같이 [S]에 대한 V의 관계를 그려 보면 쉽게 알 수 있다.

 

그림 6.6의 곡선은 구형의 쌍곡선으로 다음 방정식으로 나타내진다. 여기서 Vmas와 Kn은 특정한 실험 조건(예, pH, 온도 등)에서의 상수이다. 이 식 은 종종 미카엘리스 - 멘 텐 방정식(Michaelis - Menten equation)이라고 불린다. [S]가 매우 큰 값일 때 V는 Vmax와 거의 같은 수치가 된다. Vmax는 얻을 수 있는 최대 반응 속도가 되며 그것은 상당히 유용한 수치이다. 그러나 많은 효소들은 반응이 최대 속도로 진행될 정도의 기질 농도의 조건에서 작용하는 경우가 드물다.

 

또 다른 상수인 Km은 기질 농도와 관련이 있으며 최대 속도 이하에서의 효소 작 용의 유용한 수치가 된다. 만일 Km이 S 와 같으면 V는 Vmax/2가 된다. 따라서 Km 은 반응이 최대 속도의 반으로 진행되는데 필요한 기질 농도로 규정된다. 높은 Km 값으로 촉매 되는 반응은 낮은 기질 농도에서 최대 효율보다 훨씬 낮게 진행되며 기 질 농도의 변화는 뚜렷하게 반응 속도에 영향을 미친다.

 

그러나 낮은 Km 값을 갖는 효소는 낮은 기질 농도에서 훨씬 효율적으로 작용하며 그런 수준에서 기질 농도의 변화에 의해 영향을 덜 받는다. 그림 6.6을 보면 이러한 곡선에서 Vmas를 결정하는 것이 상당히 어렵다는 것을 알 수 있다. 더우기 Vmak 없이는 Km 값을 정확히 구할 수가 없다. 상당히 넓은 범위의 기질 농도를 실험해야 하는데 낮은 농도에서는 Km 지역의 곡선의 모양을 결정하기 위해서, 또 높은 농도에서는 Vmak에 접근하기 위해서이다. 심지어 S의 값이 5Km일 때 Vo가 Vmak의 85% 이하일 때도 있다.

 

이 상수들을 구하는 보다 간단한 방 법은 방정식 (6.1)의 양변을 역수로 취해서 재배열하는 것이다. 최대 들은 반응이 방정식 (6.2)는 라인위버 - 버어크(Lineweaver - Burk)의 식이라 하는데 1/S에 대 한 1/V의 관계가 그림 6.7에서 보는 바와 같이 직선으로 나타난다. 이 직선의 기 울기는 Km/Vmax이고 x축 절편이 -1/Km, y축 절편이 1/Vmag이 되며 이로부터 Vmax 와 Km 값을 쉽고 정확하게 얻을 수 있다.