효소의 기능과 특성

 

효소의 기능과 특성

 

(1) 물질대사와 효소

① 생물체에서 일어나는 화학 반응을 물질대사라 하며, 효소가 관여한다.

② 물질대사는 에너지의 출입이 함께 일어나므로 에너지 대사라고도 한다.

③ 물질대사에는 물질을 합성하는 동화 작용과 물질을 분해하는 이화 작용이 있다.

 

(2) 활성화 에너지와 효소

① 어떤 물질이 화학 반응을 일으키기 위해 필요한 최소한의 에너지를 활성화 에너지라고 한다.

② 활성화 에너지가 낮아지면 반응을 일으킬 수 있는 분자 수가 많아져 반응 속도가 증가한다.

③ 효소는 반응물인 기질과 결합하여 활성화 에너지를 낮춤으로써 물질대사의 속도를 증가시키는 생체 촉매이다.

 

효소와 활성화에너지

 

(3) 효소의 특성

① 효소는 기질과 결합하는 활성 부위를 가지고 있다.

② 효소와 기질이 결합되어 효소, 기질 복합체를 형성하면 화학 반응의 활성화 에너지가 낮아진다.

③ 효소는 반응이 끝나면 생성물과 분리되고 다음 반응에 재사용되므로 반응 전후 효소의 양은 일정하다.

④ 효소는 반응열의 크기에는 영향을 주지 않는다.

⑤ 효소는 자신의 활성 부위와 입체 구조가 맞는 특정 기질에만 작용하여 반응을 촉매하는데, 이러한 효소의 특성을 기질 특이성이라 한다.

ex) 말테이스는 엿당은 분해하지만 같은 이당류인 설탕은 분해하지 못한다. 즉, 말테이스의 활성 부위에 엿당은 결합하지만 설탕을 결합하지 못한다.

효소의 작용

효소의 구성과 종류

 

(1) 효소의 구성 : 효소에는 단백질로만 이루어진 효소와 단백질과 보조 인자로 이루어진 효소가 있으며, 활성을 가지기 위해서는 활성 부위의 입체 구조가 중요하다.

① 아밀레이스나 트립신과 같은 소화 효소는 단백질로만 이루어져 있다.

② 대부분의 효소는 단백질로만으로는 활성을 나타내지 못하고 비단백질 성분이 있어야 활성을 나타낸다. 이때 단백질 부분을 주효소, 비단백질 부분을 보조 인자라 하며 이들이 결합한 것을 전효소라고 한다.

③ 주효소 : 효소의 단백질 부분으로 온도와 PH에 의해 입체 구조에 영향을 크게 받는다.

④ 보조 인자 : 효소의 비단백질 부분으로 온도와 PH의 영향을 적게 받는다.

 

• 조효소 : 단백질이 아닌 유기물이며, 주로 비타민이다. 일반적으로 반응이 끝나면 주효소로부터 분리되며, 한 종류의 조효소가 여러 종류의 주효소와 결합하여 사용될 수 있다.

ex) NAD+, NADP+, FAD 등

• 금속 이온 : 일반적으로 주효소와 강하게 결합하고 있어 반응이 끝나도 주효소로부터 분리되지 않는 것이 있다.

ex) 마그네슘 이온(Mg2+), 철 이온(Fe2+), 구리 이온(Cu2+) 등

 

⑤전효소 : 주효소와 보조 인자가 결합해 완전한 효소 활성을 갖는 상태로, 활성 부위에 기질이 결합하여 반응이 촉매될 수 있다.

 

(2) 효소의 종류 : 효소는 기능에 따라 크게 6종류로 나눌 수 있다.

종류	기능
산화 환원 효소	한 기질의 H, O 또는 전자를 제거하거나 또는 다른 기질로 전달하는 산화 환원 반응 촉매
전이 효소	한 기질의 작용기를 다른 기질로 옮기는 반응 촉매
가수 분해 효소	물을 첨가하여 기질을 분해하는 반응 촉매
제거 부가 효소	가수 분해에 의하지 않고 기질로부터 작용기를 제거해 2중 결합을 형성하거나, 반대로 2중 결합에 작용기를 부가해 단일 결합을 형성하는 반응 촉매
이성질화 효소	기질의 원자 배열을 바꾸어 이성질체로 만드는 반응 촉매
연결 효소	에너지(주로 ATP)를 소비해 2개의 기질을 서로 연결시키는 반응 촉매

 

효소의 종류

효소의 활성에 영향을 미치는 요인

 

(1) PH와 온도 : 효소마다 활성이 최대인 PH와 온도가 있으며, 이를 각각 최적 PH, 최적 온도라 한다.

① PH에 따른 효소 활성

PH에 따른 효소 활성

• 최적 PH에서 반응 속도가 가장 빠르고, 최적 PH를 벗어나면 반응 속도는 감소한다.
• 효소의 기능이 나타나는 PH 범위를 벗어나면 활성 부위의 입체 구조가 변화되어 효소의 활성이 급격히 떨어지지만 다시 적정 PH 범위가 되면 일부 효소는 기능을 회복하기도 한다.

 

②온도에 따른 효소 활성

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• 무기 촉매가 관여하는 화학 반응에서는 일반적으로 온도가 높아지면 반응 속도가 증가한다.
• 효소가 관여하는 화학 반응에서는 최적 온도가 될 때까지는 온도가 높아지면 반응 속도가 증가하지만, 최적 온도보다 온도가 높아지면 활성 부위에 입체 구조가 변성되어 기질과 반응하지 못하므로 반응 속도는 급격히 감소한다.
• 고온에서 활성 부위의 입체 구조가 변성되어 기능을 잃어버린 효소는 온도를 낮추어도 활성이 돌아오지 않는다.

 

(2) 기질의 농도 : 다른 조건이 일정할 때 효소가 관여하는 화학 반응에서 초기 반응 속도는 일정한 범위 내에서 기질의 농도가 증가함에 따라 비례하여 증가하지만, 어느 수준 이상에서는 일정한 초기 반응 소도를 유지한다.

기질의 농도에 따른 초기 반응 속도

① S1일 때 : 기질과 결합하지 않은 효소가 존재하므로 기질의 농도가 증가하면 효소, 기질 복합체의 농도가 증가하여 초기 반응 속도가 증가한다.

② S2일 때 : 모든 효소가 기질과 결합하여 기질의 농도가 증가해도 초기 반응 속도는 더 이상 증가하지 않는다. 이 상태에서 효소를 더 첨가하면 초기 반응 속도는 증가한다.

 

(3) 저해제 : 효소에 결합하여 효소의 촉매 작용을 방해하는 물질을 저해제라 하며, 효소에 결합하는 부위에 따라 경쟁적 저해제와 비경쟁적 저해제로 나뉜다.

경쟁적 저해제와 비경쟁적 저해제

① 경쟁적 저해제

• 저해제의 구조가 기질과 유사하여 기질과 경쟁적으로 효소의 활성 부위에 결합한다.
• 저해제가 효소의 활성 부위에 결합하면 기질이 효소에 결합하지 못하므로 반응이 저해되어 반응 속도가 감소한다.

ex) 석신산 탈수소 효소는 석신산을 산화시키는데, 석신산의 경쟁적 저해제인 말론산이 석신산 탈수소 효소의 활성 부위에 결합하면 석신산의 산화 반응이 저해된다.

② 비경쟁적 저해제

• 저해제가 효소의 활성 부위가 아닌 다른 부위에 결합한다.
• 저해제가 효소에 결합하면 효소의 활성 부위의 입체 구조가 변해 기질이 효소에 결합하지 못하므로 반응이 저해되어 반응 속도가 감소한다.