효소의 주요 역할

단백질의 가장 기본적인 중요한 역할 중 하나는 세포 내에서 모든 화학반응 속도를 증가시키는 생촉매인 효소로서의 작용입니다. 일부 반응의 경우 RNA가 촉매 역할을 하지만, 대부분의 생물학적 반응에서의 촉매는 단백질인 효소입니다. 효소의 촉매 작용이 없으면, 대부분의 생화학적 반응은 지나치게 느려서 생리적 온도와 압력에서 반응이 거의 진행되지 않습니다. 효소는 반응이 수백만 배 이상 빨리 일어나게 하기 때문에, 촉매 작용이 없는 조건에서는 수년이 걸릴 반응을 적절한 효소가 존재하는 조건에서는 수 초 내에 마무리할 수 있습니다. 세포는 수천 종류의 효소를 가지고 있고, 효소 활성에 따라 세포 내에서 실제로 어떤 화학반응이 일어나는지가 결정됩니다.

 

 

 

효소의 촉매 활성

 

다른 촉매들과 같이 효소는 2가지 특성이 있습니다. 첫째, 효소는 촉매반응 과정에서 소모 또는 영구히 변하지 않으며, 화학반응을 촉진합니다. 둘째, 효소는 반응의 평형에는 영향을 미치지 않으면서 반응을 촉진시킵니다. 

효소 촉매 작용의 이러한 원리는 효소가 기질(substrate)에 작용해서 효소반응 생성물(product)로 전환되는 것입니다. 기질과 생성물 사이의 화학적 평형은 열역학 법칙에 의해 결정되며, 정반응과 역반응 속도의 비로 표시됩니다. 적절한 효소가 존재하는 조건에서는 기질에서 생성물로의 전환은 가속화되나 기질과 생성물 사이의 평형은 변하지 않습니다. 효소는 정반응뿐만 아니라 역반응 속도도 똑같이 증대시킵니다. 반응 과정에서 효소 자체의 변화는 없으므로 화학 평형은 변하지 않으며, 화학 평형은 기질과 생성물의 열역학적 특성에 의해서만 결정됩니다.

이러한 반응에서 효소의 영향은 기질에서 생성물로 전환되는 동안의 에너지 변화에서 잘 보여줍니다. 평형은 효소 촉매반응에 영향을 받지 않는 기질과 생성물의 최종 에너지 상태에 의해서 결정됩니다. 그러나 반응이 진행되기 위해서는 반응물은 우선 전이 상태(transition state)라는 높은 에너지 상태에 도달해야 합니다. 전이 상태에 이르는데 필요한 활성화 에너지(activation energy)가 반응이 진행되는 데 있어 장벽 같은 역할을 하므로, 활성화 에너지의 크기에 따라 반응 속도가 달라집니다. 효소를 비롯한 촉매는 활성화 에너지를 낮춤으로써 반응 속도를 증가시키는 역할을 합니다. 정반응과 역반응 모두 동일한 전이 상태를 거쳐서 일어나기 때문에, 촉매에 의해 증대된 속도는 양 반응 모두 같습니다.

 

@ 촉매반응과 비촉매반응의 에너지

• 기질(A)이 생성물(B)로 전환되는 과정의 에너지 변화를 도식화한 그림입니다. 기질의 최종 에너지 상태가 생성물보다 낮기 때문에 반응은 우측 방향으로 진행됩니다. 반응이 일어나려면 우선 기질이 가장 높은 에너지 상태인 전이 상태에 도달해야 합니다. 전이 상태에 이르는데 필요한 에너지(활성화 에너지)는 반응의 진행에 있어 장벽으로 작용하므로, 활성화 에너지 크기에 따라 반응 속도가 좌우됩니다. 촉매(예를 들어 효소)가 존재하면 촉매작용으로 활성화 에너지가 낮아져서 반응이 빨리 진행됩니다.

효소의 활성은 효소가 기질과 결합하여 효소-기질 복합체를 형성하게 합니다. 기질은 활성부위(active site)라고 하는 효소의 특정 자리에 결합합니다. 활성부위에 결합되어 있는 동안, 기질은 생성물로 전환되고 효소로부터 분리됩니다. 효소는 반응 전후에 아무런 변화 없이 존재하며, 평형에 영향을 주지 않습니다. 하지만, 효소는 활성화 에너지를 낮추어 전이 상태에 쉽게 도달하게 하여 기질이 생성물로 쉽게 전환되도록 하여 반응이 빨리 일어나도록 합니다.