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효소enzyme 발효 와 효소
2013-08-22 14:26:44
이엠생명과학연구원

[ 발효(formentation)란 무엇인가 ]

 

 

유기물이 미생물의 작용에 의해 분해적으로 변화하는 현상을 말한다.
좁은 의미로는 물질이 미생물에 의해 산소가 없는 조건에서 (혐기 상태에서) 분해되는 현상을 말한다.
이러한 현상은 옛날부터 알코올 음료, 빵등의 양조 제품의 제조에 이용되어 왔다.

발효의 형식은 미생물의 종류와 환경에 따라 다양한데, 전형적인 것으로 효모의 알코올 발효, 글리세롤발효, 유산균의 유산발효, 메탄세균의 메탄발효, 대장균 등에서 보이는 혼합 유기산 발효가 있다.

산화발효는 기질의 불완전 산화에 의한 중간대사 물질의 축적을 이용하는 것으로 초산 균에 의한 초산발효, 글루콘산 발효, 설포즈 발효나 사상균에 의한 구연산, 글루콘산, 푸 말산, 수산등의 유기산 발효가 있다.

아세톤 부타놀 발효나 낙산 발효는 편성 혐기성 세균인 clostridium속에 의한 혐기발효 로 한때는 이들의 용제의 중요한 생산 수단이었다.

그런데 최근에는 미생물에 의한 물질 생산을 모두 발효라고 부르고 있으며, 아미노산, 뉴클레오티드, 항생물질등도 미생물공업상 중요한 발효제품이다. 알콜발효는 오래 전부 터 많이 연구되어 왔으며 효소 화학의 발전에 큰 역할을 하였다.

베르젤리우스 (J.J. Berzelius)나 리이비히 (J.F.von Liebig)는 발효를 매개에 의한 분해 작용으로 이해했으나 파스퇴르(I. Pasteur)에 의해 미생물의 관여가 증명되었다.
그 후 부흐너 (E. Buchner, 1897)가 효모의착즙에서 무세포상태로도 발효가 일어나는 것을 발견하고 근육의 해당작용에 대한 연구가 진행되면서 알콜발효와 당분해 경로가 같다는 것이 밝혀지고, 엠덴마이엘호프 경로가 밝혀졌다.
한편 인산결합의 의미가 해명됨과 동시에 에너지 획득수단으로서 발효의 의미가 밝혀지 게 되었다.
발효에는 산소가 관여하지 않고 유기기질 상호간의 탈수소 효소에 의한 산화환원의 결 과, 고에너 지화합물이 생성되는 ADP로의 인산기전에 의해 ATP가 생성된다. (기질단위 의 인산화) 엠덴마이엘호프 경로 외에도 예를 들면 초산, 낙산 등의 생성에는 ATP 1몰 의 생성이 수반되는 것이 보통이다.
그런데 발효에 있어서 당분해 경로는 엠덴마이엘호프 경로가 유일한 것은 아니고 경우 에 따라 펜토오스인산회로, 엔토나도오도로프 경로등이 관여하고 있다.

 

[ 효소의 정확한 의미 ]

 

효소란 살아있는 세포 안에서 만들어지는 단백질의 생체촉매이며 영어로는 엔자임이라 고 한다. 효소에 의해 매개되는 화학반응을 효소반응이라고 하는데 생체내의 화학반응 은 거의 효소 반응이고 물질대사는 대부분 효소계에 의존하고 있다.

효소의 발현은 맥아에 함유되어 잇는 물질에 의한 전분의 당화와 동물의 소화작용연구 에서 시작되었는데 세포내의 물질대사가 효소에 의해 이루어진다는 것은 알코올 발효가 효모추출액에 의해 행해진다고 하는 부흐너 (E. Buchner)의 발견으로 밝혀졌다. 1926년에 섬머 (J.B. Summer)가 우레아제를 결정으로 분리한 이래 많은 효소가 계속 발견되어 단백질이라는 것이 확인되었다. 또 많은 효소에서 보효소의 필요성이 지적되 고 그 대부분이 비타민구조를 포함하며 기질과의 반응에 관여한다는 것이 밝혀졌다.

효소는 다른 촉매와 비교할 때 온화한 조건에서 강력하게 반응하며, 특이성이 높고, 각 효소는 일정기질의 일정반응만 촉매한다. 이것은 효소단백질의 입체구조가 촉매활성부 위를 중심으로 하여, 기질과 특이적으로 결합하도록 되어있기 때문이다.
이를 효소의 특이성이라고 한다. 효소는 단백질이기 때문에 다양한 외적조건의 영향을 받아 활성이 변화한다. 고온에 의한 단백질 변성으로 활성을 잃거나 pH등의 미묘한 변 화에 의해 활성에 변화를 일으킨다. 또 활성부위에 결합하는 물질에 따라 활성의 저하가 일어나는데, 작용물질과 특이적으로 결합하는 부위를 활성부위 이외에 갖는데, 그 결합 에 따라 활성이 높아지거나 저해되거나 하는 경우도 있다. 이것은 생체의 대사조절에 큰 의미를 갖는다.

효소에는 기질과의 화학반응에 관여하는 저분자 부분이 존재하는 것이다.
이 부분은 단백질부분과 분리되기 쉬운때는 보효소, 결합이 강할때는 보결분자단으로 불린다. 이들은 색소, 누클레오티드, 비타민 유도체, 금속화합물이 많고 그 변화는 호흡 스펙트럼, 전자스핀공명등으로 포착된다.
또 특이적인 시야에 의해 화학변화를 받아, 저해를 받는다.

효소는그 촉매되는 반응의 형태에 따라 분류되고 명명된다. 효소에는 가용성효소로서 세포내에서 용해된 상태로 존재하고 기능하는것도 있으며 (발효관계의 효소), 불용성으 로 막구조등과 결합하여 존재하는 것도 있다 (호흡 효소계).
복합효소계로서 근육의 수축이나 물질의 막투과 등의 보다 고차적인 생리적 기능을 영위하는 것도 있다.

효소의 세포내 형성은 기질등의 첨가에 의해 촉진되며, 대사 생산물등의 첨가에 의해 방 해받는 경우가 많다. 이것은 특히 미생물에서 현저하며 세포의 대사조절에서 큰 의의를 갖는다.

 

[ 효소의 특성 ]

 

1. 효소는 촉매이다.

효소는 화학적 반응의 속도를 조절하며, 그 자신은 변화과정에서 이용되지 않는다. 그러므로 여러번이라도 사용될 수 있다.
효소는 반응의 속도를 조절할 수 있지만 에너지를 증가시키는 반응은 일으키지 않는다.

2. 효소는 거의 단백질 분자이다.

대부분의 효소분자는 100에서 1,000의 아미노산이 특이한 순서로 구성되어 있는 단백 질이다. 아미노산 순서에 추가하여 삼차원적인 단백질의 구조가 촉매반응에서 중요한 역할을 한다.
예를 들면 효소에 열을 가하면 분자구조가 바뀌며, 촉매능력이 파괴된다.

 

3. 효소는 특이적인 작용을 한다.

아무리 간단한 미생물이라도 1,000개 이상의 상이한 효소를 가지고 있으며 각 효소는 특이한 반응을 촉매할 수 있다.
일반적으로 살아 있는 생체에서 일어나는 유기 분자를 합성 및 분해할 때 각 단계에서 촉매 작용을 하는 효소의 종류가 다르다.

 

4. 효소는 세포의 대사 유형을 결정

생체 내에서 일어나는 모든 중요한 반응은 효소가 작용하고 있다. 그러므로 세포의 종류 는 그들이 가지고 있는 효소의 종류와 양에 따라 결정된다.
예를 들면 단백질의 양분을 흡수하는 능력은 프로티나제라는 효소군의 존재 여부에 따 라 결정된다. 이러한 효소들이 없으면 단백질을 소화할 수 없는 것이다.
효소도 또한 세포의 합성 능력을 결정한다.

 

* 참고문헌 : 생활 미생물학, 저자 김충기




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