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효소enzyme 효소는 체내에서 다시 합성되지 않고 재활용될 수 있다.
2013-08-22 16:53:08
이엠생명과학연구원

효소의 재활용

 

촉매는 자기 자신이 변하지 않고 기질을 변화시킨다. 따라서 한번 사용한 촉매는 그 촉매가 사라지지 않는한 계속 사용할 수 있다. 효소도 촉매이기 때문에 재활용될 수 있지만, 소화효소의 경우에는 음식물과 함께 대장으로 이동해 사라지기 때문에 다시 합성돼 분비돼야 한다. 그렇다면 모든 효소가 한번 사용된 후에 사라지는 것일까.

 

효소의 알로스테릭 부위와 재활용 :

 

(가)효소에는 기질과 결합하는 활성화 부위 외에도 알로스테릭부위가 존재한다. 효소는 생체 내의 조건에 따라 이 두 부위의 활성여부가 결정된다.

(나)효소의 알로스테릭 부위에는 촉진자와 억제자가 붙어 효소의 활성과 불활성을 결정한다. 이를 통해 효소는 체내에서 다시 합성되지 않고 재활용될 수 있다.

 

효소의 재활용은 두가지로 설명된다. 첫째는 피드백 조절이다. 물질대사는 여러 단계로 구성돼 있고 각 단계마다 효소의 촉매 작용을 받는다. 이들 중 첫 단계를 촉매하는 효소에는 활성부위 외에도 물질과 결합하는 부위가 또 존재한다. 이 부위를 알로스테릭 이라고 하는데, 이 부위에 촉진자나 억제자가 결합해 효소의 활성과 불활성을 결정한다. 한번 만들어진 효소가 촉매 활동을 한 후 분해되면 효소를 다시 만들기 위해 많은 에너지가 필요하다. 활동이 끝나면 효소가 파괴되는 것이 아니라, 억제자를 결합시켜 효소를 불활성화시켜 놓았다가 촉매 활동이 다시 필요하면 억제자를 제거하거나 활성자를 이용해 불활성 상태에 있던 효소를 활성화시키는 것이다. 따라서 효소를 다시 만드는 낭비를 줄일 수 있다. 일반적으로 최종산물이 억제자 역할을 한다. 최종산물이 많이 만들어져 농도가 높아지면 그 최종산물이 효소의 알로스테릭 부위에 결합해 활성부위에 기질이 결합하지 못하게 한다. 이런 과정을 통해 꼭 필요한 만큼의 최종산물을 얻을 수 있다. 배가 부르면 더이상 음식을 먹지 않는 것과 같은 이치다. 이런 과정을 피드백 조절이라고 하며, 이 과정을 통해 효소를 계속 재활용할 수 있다.

두번째는 효소를 생체막에 고정하는 것이다. 생체막은 단백질과 인지질이 주요 구성물질이다. 단백질에는 수용성 물질의 통로 역할을 하는 것도 있지만, 생체막에 고정된 효소도 포함돼 있다. 효소가 소화관이나 세포 속에서 이동하는 것보다 막에 고정돼 있으면 효소가 손상될 확률이 줄어들며 계속 재활용할 수 있다. 미토콘드리아 내막에 전자전달계 효소가 고정돼 있는 것이 좋은 예다. 그리고 소장벽에 있는 상피세포의 세포막에는 최종산물을 만드는 효소가 고정돼 있다. 말타아제가 대표적인 예다. 말타아제는 엿당을 최종산물인 포도당으로 분해하는 효소로 융털의 상피세포막에 고정돼 있다. 위는 살균력이 강한 위산을 분비하지만 소장에는 위산과 같은 살균제가 존재하지 않는다. 소장은 포도당과 아미노산과 같은 최종산물이 만들어지는 곳이다. 이곳에는 살균제가 없기 때문에 세균이 많이 번식할 수 있을 것 같지만 세균이 거의 자라지 못한다. 최종산물을 만드는 효소가 세포막에 고정돼 있어서 효소에 의해 최종산물이 만들어지자마자 흡수되기 때문에 세균의 먹이가 되는 포도당과 아미노산이 거의 존재하지 않기 때문이다. 즉 최종산물을 합성하는 효소가 세포막에 고정돼 있기 때문에 융털과 세균 사이의 양분 흡수 경쟁에서 융털이 항상 승리하는 것이다. 그렇기 때문에 위산과 같은 보호장치가 없어도 소장에는 세균이 거의 살지 못한다.

 

 

 

효소 고정과 생물공학

혈당량을 측정하는 바이오센서의 끝에는 포도당 분해효소가 고정돼 있다. 바이오센서는 센서의 끝을 혈액이나 당뇨병 환자의 오줌에 넣어 고정된 효소에 의해 포도당이 분해될 때 사용되는 산소량으로 포도당 양을 알 수 있게 해주는 기구다. 일반적으로 바이오센서의 끝에는 이같이 효소를 고정시켜 사용한다. 음식물 쓰레기를 분해해 메탄가스를 발생시키는 생물반응기에도 분해효소를 생성하는 세균을 고정해 사용한다.

이 같은 효소 고정법은 반응물과 접촉하는 표면적을 넓혀 반응속도를 빠르게 할 수 있고, 단일 생성물을 얻을 수 있어 목적하는 물질을 선별하는 과정을 줄일 수 있을 뿐 아니라 효소를 재활용할 수 있기 때문에 부가가치를 높일 수 있다.

 

 

효소세제의 기원

 

요즘에는 효소가 포함돼 있는 세제를 많이 사용한다. 효소세제의 기원은 극한효소의 발견에서 비롯됐다. 화산 지대의 온천 중에는 수온이 80-90℃에 이를 뿐만 아니라 유황 성분이 많이 녹아 있어 pH가 1 이하로 매우 강한 산성을 나타내는 유황천이 있다. 이런 극한 환경 속에서도 생물이 살아갈 수 있을까. 만약에 이곳에 사는 생물이 있다면 이 생물체의 효소는 극한 환경에서도 활성을 잃지 않는 특수한 효소일 것이다.

생물학자들이 세계 각국에 있는 온천을 탐사한 결과 놀랍게도 이런 극한 환경 속에서도 살아가는 특별한 세균이 있음을 발견했다. 이 세균이 지니고 있는 효소는 강한 산성을 나타내는 물에서뿐만 아니라 끓는 물 속에서도 활성을 잃지 않는다.

이런 효소를 극한효소라고 부르는데, 이 효소 중에서 지방을 분해하는 효소인 리파아제의 일종은 끓는 물 속에서도 지방을 효과적으로 분해하므로 무공해 세제로 활용되고 있다. 왜냐하면 옷감에 묻은 기름때는 삶아 빨아도 비누로는 잘 빠지지 않기 때문이다. 하지만 이 효소로 만든 세제를 이용하면 고온에서도 기름때를 효과적으로 제거할 수 있다. 뿐만 아니라 합성세제는 환경을 오염시키지만 효소세제는 환경도 오염시키지 않는다.

극한효소뿐 아니라 일상 생활 속에서도 효소세제는 널리 쓰이고 있다. 단백질의 일종인 양모의 보푸라기를 제거하기 위해 단백질 분해효소인 프로테아제를 첨가하거나, 청바지를 연하게 하기 위해 셀룰라아제를 세제에 포함시켜 사용하는 것이 대표적 예다.




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