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효소enzyme 사람이 ‘살아있다’는 사실은 인체에서 ‘화학 반응’이 진행되고 있다는 뜻이다. 효소(enzyme)는 “효모 속에 있는”의 뜻이다.
2013-08-23 10:30:10
이엠생명과학연구원

사람이 ‘살아있다’는 사실은 인체에서 ‘화학 반응’이 진행되고 있다는 뜻이다.

생화학 반응은 생명의 근간이다.

생체를 이루는 세포가 살아가는 유일한 방식이 화학반응이기 때문이다.

음식 섭취, 운동, 성장 등도 화학 반응 없이는 불가능하다.

심장이 뛰고 숨을 쉬는 것도 화학 반응이다.

인체의 생화학 반응은 조립된 블록을 파괴한 다음(소화) 다시 재 조립하는 것이다. 흡수한 영양소를 이용, 다시 조합하여 살(肉)을 만든다.

 
화학반응 속도는 자연 상태에서 매우 느리다 쌀밥은 하루가 지나도 변하지 않지만 밥을 먹으면 수 시간 내에 완전 소화된다. 신체 내 화학 반응 속도가 엄청나게 빠르기 대문이다.  신체 내 화학반응 속도가 느려지면 에너지 생성이 감소되고 만사가 귀찮아진다


에너지 언덕
화학반응이 일어나기 위해서는 에너지 언덕을 넘어야 한다.

종이와 산소의 반응으로 종이를 태울 수 있다. 하지만 불(열)을 가하지 않으면 종이는 타지 않는다.

그러나 종이에 불을 붙이면 계속 타 들어 간다. 불이 붙어 열이 나기 때문이다. 종이가 산소와 반응 위해서는 에너지 언덕을 넘어야 하는 것이다.

만일 화학 반응에 에너지 언덕이 존재하지 않는다면 세상은 불바다가 될 것이다. 책상 위의 책이 저절로 불타고 자동차 연료탱크의 휘발유에 불이 붙고 산불이 날 터이다.

신체의 화학반응에도 에너지 언덕이 존재한다. 세포는 포도당을 먹고 산다. 포도당을 분해하려면 열을 가해야 한다. 하지만 열을 가하면 체온이 올라가 사람이 살 수 없다. 따라서 포도당 분해를 위해 열을 가하는 대신 에너지 언덕을 낮추어 준다. 효소가 에너지 언덕을 낮추어 쉽게 화학 반응을 유발하는 것이다.


효모, 곰팡이, 세균 등 미생물이 가지고 있는 효소는 화학반응을 일으켜 맥주, 된장을 만들어 낸다. 보리에서 맥주가, 콩에서 된장이 된다.

고기를 먹으면 위액(gastric fluid)이 고기를 녹인다. 위액 중 펩신이라는 효소가 고기 단백질을 분해시키기 때문이다. 펩신이 에너지 언덕을 낮추어 단백질이 쉽게 분해된다.

맥아(보리 싹)로 엿기름을 만든다. 엿기름에는 아밀라제라는 효소가 있어 녹말을 분해시켜 단맛이 나는 엿당이 된다. 밥알을 오래 먹으면 단맛이 나는 것도 마찬가지 이유다.

녹말에 아밀라제를 첨가하면 녹말이 분해된다. 그러나 녹말이 분해되는 과정에서도 아밀라제는 소실되지 않는다. 따라서 효소는 많은 양이 필요 없다. 이와 같이 화학반응을 촉진시키지만 자신은 아무런 변화가 없는 물질을 촉매라고 한다.


효소(enzyme)는  “효모 속에 있는”의 뜻이다. 효

모 내 효소가 포도당을 알코올로 만드는 반응을 발효라고 한다.

 

효소는 신체의 진정한 일꾼이다.

효소가 일을 하면 화학 반응이 일어나고 신체 변화를 초래한다.

효소는 화학 반응을 107 ~ 1020 배 증가시킨다.

효소가 존재하지 않으면 10 20 시간 걸릴 일을 1시간 만에 할 수 있다.

 

카탈라제(catalase)는 과산화수소 분해 효소다.

카탈라제 한 개가 1초에 분해할 수 있는 과산화 수소 분자 수는 약 9만개에 이른다. 탈 탄산 효소는 1초에 10만 분자 이상의 CO2와 작용한다.

효소도 수명이 있다. 짧은 것은 몇 시간, 긴 것은 며칠, 또는 수십 일의 수명을 가진 것도 있다. 더 이상 필요 없으면 효소가 효소를 분해한다.


효소가 일하는 최적 조건은 1기압 하의 체온이다.

공기 중의 질소로 암모니아를 만들 때는 450도 C에 200기압의 압력이 필요하다. 수소와 질소가 합쳐져서 암모니아를 생성하기 위해서는 이 정도의 온도와 압력이 필요하다. 그러나 미생물이 질소를 붙잡아 암모니아를 만들 때는 보통 온도에서 1기압이면 충분하다.


신체 내 효소는 물 위에 떠 있다.

효소는 물이 있어야 능력을 발휘한다,

물질 합성에는 에너지가 필요하다. 영양소를 분해해야 에너지를 만들어 낸다. 영양소 분해는 화학 반응이며 이때 효소가 필수적이다.

 

기질과 효소 결합 부위

기질은 효소와 만나 반응하는 물질이다. 타액 내 아밀라제는 녹말을 분해 시킨다. 이때 녹말이 기질이다. 효소는 초당 수 만 번의 화학 반응을 촉진한다.

 

효소는 기질을 우연히 만난다. 물에 떠 있는 분자들은 열에너지 때문에 정지하지 않고 끊임없이 움직인다. 물에 있는 분자가 움직이는 현상을 확인하기 위해서는 맑은 물에 잉크 방울을 떨어뜨려 본다. 잉크 방울이 확산되는 현상이 잉크분자의 움직임이다. 분자의 순간적인 움직임은 매우 빠르다. 따라서 모든 분자는 1 초 안에 수많은 다른 분자와 충돌한다.

효소의 사이즈는 기질보다 더 크기 때문에 효소 움직임은 기질보다 작다. 따라서 기질이 효소보다 더 경망스럽게 움직이며 효소와 무작위로 부딪힌다. 효소와 기질은 초당 수 십 만 번씩 부딪치는 것이다. 효소의 품에 기질을 안을 만큼 효소 사이즈는 크다.


기질과 효소는 모양에 걸 맞는 결합 부위가 존재한다. 기질이 열쇠요 효소가 자물쇠다. 기질과 결합하는 효소 부위를 활성 부위라고 하며 열쇠 구멍에 해당된다.

하나의 자물쇠를 열 수 있는 열쇠는 오직 하나 밖에 없다. 아밀라제는 녹말과 카탈라제는 과산화수소와만 반응한다.


조효소는 효소 도우미

효소와 기질의 결합은 상호간 만나는 부위의 형태가 중요하다. 열쇠와 자물쇠 모양이 맞아야 열리는 것처럼 효소와 기질의 형태가 서로 맞아야 결합한다. 그러나 일부 효소는 기질과 모양이 틀려 열쇠로 자물쇠가 열리지 않는다. 이때 보조 열쇠가 필요하다. 이와 같이 열쇠의 기능을 도와주는 도우미 효소를 조효소라고 한다.

도우미 효소는 기질과 효소 결합 부위의 형태가 다를 때 자물쇠의 구멍에 맞도록 열쇠를 보조하는 기능이 있다.


효소는 단백질이며 도우미 효소는 비타민이나 미네랄이다. 비타민과 미네랄은 대개 도우미 역할이다. 도우미 효소(조효소)는 단 한가지 종류의 효소만 돕는 것이 아니라 여러 종류의 효소를 돕는다. 또한 비타민은 다량이 필요하지 않다.


효소 방해하기

1) 하나의 효소에 대해 진짜 기질과 가짜 기질이 경쟁한다(설파제와 세균 효소)

2) 효소 옆구리에 특정 물질이 달라 붙으면 효소는 원래의 모습을 약간 변형시킨다. 형태가변화된 효소는 기질과 결합을 방해한다.


날씨가 추워지면 에너지를 많이 내고(영양소 분해를 많이 하여) 더워지면 에너지를 적게 낸다. 방이 추워지면 난방을 하고 더워지면 난방을 끄는 것과 유사.


대장균 한 마리에 2000여종의 효소가 존재한다.

사람 세포에도 수 천명의 일꾼이 존재한다. 따라서 이들 일꾼 들을 통제하지 않으면 제멋대로 일을 하여 심각한 상태를 유발한다. 따라서 일꾼들은 적당히 조절, 통제된다.


효소 조절 방법 

1) 필요하면 만들어 낸다

특정 세포에게 할 일이 많아지면 그 일을 수행하는 효소를 많이 만들어낸다.

대장균은 포도당 분해로 에너지를 획득한다. 포도당을 주면 젖당 분해 효소가 필요 없다. 그러나 젖당을 주면 젖당 분해 효소가 필요하다. 젖당을 분해해야 포도당을 얻을 수 있기 때문이다. 이때 대장균은 젖당분해 효소를 만들어 낸다.

젖당이 대장균의 DNA에 영향을 주어 젖당을 분해하는 효소가 만들어진다. 유전자가 효소 합성에 관여한다.

 

 2)일꾼에게 더 이상 일을 못하게 한다

일꾼이 지나치게 일을 하면 필요 없는 물질이 잔뜩 생겨 세포에 부담이 된다. 필요 없이 원료만 많이 사용하고 과잉 생산된 물질이 세포 기능을 방해하기도 하기 때문이다. 그래서 적당량이 생성되면 더 이상 일을 못하게 방해하는 기전을 내장하고 있다.


A---가효소àB---나효소-à C---다효소-à D-àD

 


D라는 물질이 과잉 생산 되면 (가) 효소가 더 이상 일을 못하게 한다.

 

3)호르몬에 의해 조절된다

호르몬은 뇌의 지시 사항을 일선 세포에게 전달하는 전령이다. 세포는 전령이 시키는 대로 일을 한다. 호르몬이 세포 문 앞에 도달, 대문을 두드리면 세포는 어느 호르몬인지 알아 본 후 잠자고 있는 관련 일꾼(효소)를 깨워 호르몬이 시킨 일을 수행한다. 하나의 일꾼이 잠에서 깨어나면 다른 일꾼의 잠을 깨우고 잠이 깬 일꾼이 또 다른 일꾼을 깨워 순식간에 세포는 여러 가지 일을 하는 것이다.


- 효소와 온도

단백질은 열에 취약해서 불에 의해 쉽게 변형되어 단백질의 입체 구조가 변한다. 일단 변형된 단백질은 원래의 모습으로 복구되지 않는다. 그래서 열쇠와 자물쇠 관계인 효소와 기질은 변형된 효소 때문에 기질과 열쇠-자물쇠 관계가 파괴되어 기질과 결합할 수 없다.

효소의 변형은 40도부터 시작된다. 그러나 미생물 중에는 70도 이상의 온천수에서도 생존하는 놈이 있다.

일꾼은 추워도 일을 못한다. 온도가 낮아지면 기질의 분자 운동이 둔해지기 때문이다. 따라서 효소의 성능이 떨어진다. 그래서 온도가 낮으면 세균 효소 기능이 떨어져 음식이 상하는 것을 방지한다. 그러나 냉장고 안에서도 느리긴 하나 세균 효소가 활동하기 때문에 냉장고 과신은 금물이다.

 

- 효소의 기질 특이성

효소라는 일꾼은 지조가 있다. 오직 한가지 기질하고만 반응한다. 아밀라제는 녹말하고만 반응한다. 이를 기질 특이성이라고 한다. 그러나 기질은 지조가 없다. 한가지 효소하고만 결합하는 것이 아니라 여러 효소와 결합하여 여러 가지 물질을 만들어낸다. 쌀로 떡을 만들기도 하고 과자를 만들어내는 식이다. 세포는 이런 제품 생성을 조절하는 기능이 있다.

기질이 많을수록 일꾼은 신명이 난다. 하지만 기질 농도가 높을수록 일을 잘하는 것은 아니다. 모든 효소가 기질과 결합한 포화상태가 되면 더 이상 일하지 않는다.


- 효소와 산도

일꾼은 중성을 좋아한다. 그러나 강한 산성을 좋아하는 펩신이라는 효소는 예외다. 신맛이 나는 김치에는 미생물 번식이 어렵다. 김치에는 김치를 숙성시키는 유산균만 살 수 있다. 유산균은 산성에서 잘 견딜 수 있기 때문이다.


먹거리와 효소

아밀라제가 녹말 을 분해하면 반죽이 부드러워지고 잘 늘어난다. 밀가루 반죽에 효모를 투입하면 효모가 당을 분해시켜 이산화 탄소(CO2)를 생성, 기포가 생겨 반죽이 부풀어 오르고 빵이 부드럽고 먹기에 편해진다.술과 효소

술을 조금만 마셔도 취하는 사람과 많이 마셔도 취하지 않은 사람이 있다. 알코올은 대개 간에서 분해되며 1차적으로 알코올 탈 수소 효소에 의해 분해되어 ‘아세트알데히드’라는 물질이 생성된다.  아세트알데히드는 다시 아세트알데히드 탈 수소 효소에 의해 아세트산이 된다. 술을 마시면 나타나는 증상은 알코올에 의한 것이 많지만 아세트 알데히드에 의한 것도 있다. 얼굴이 붉어지거나 구토, 두통 등은 아세트알데히드때문이다.

알코올--알코올 탈 수소 효소-à아세트알데히드—아세트알데히드 탈 수소 효소à아세트산

이들 알코올 분해 효소가 없거나 결핍되면 맥주 한잔만 마셔도 정신을 차릴 수 없다.


담배와 효소

흡연을 하면 백혈구가 폐로 모인다. 담배 연기를 적군으로 감지하여 면역 기능을 자극하기 때문이다. 백혈구는 적군을 격퇴하기 위해 효소를 방출한다. 이 효소가 폐 조직까지 파괴하여 폐기종이 된다.


의약품과 효소

소화제는 소화 효소다. 소화제는 위산을 견뎌야 한다. 캡슐에 아밀라제, 단백질 분해 효소, 지방 분해 효소, 섬유질 분해 효소를 넣어 소장까지 보내는 방식을 사용하기도 한다. 그러나 소화제를 과용하면 신체 소화 기능이 약화된다.

소염제는 주로 단백질 분해 효소다. 바르는 소염제도 있다. 지혈제는 피브린 형성을 돕는 혈액 응고 효소이다. 화장품 가운데 클린저(Cleanser)도 효소 제품이 있으며 이물질 을 제거하는 효과가 있다.




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