특별한 단백질!! 효소에 대해 알아보자

효소란 무엇일까??

 

 

 

효소는 화학 작용을 촉매 할 수 있는 특별한 단백질이다. 효소들이 매개하는 촉매 반응은 모든 인공 촉매제를 능가한다. 일반적인 효소는 반응 속도를 10의 8 제곱에서 10의 9 제곱 정도까지 촉진시키지만, 10의 15 제곱까지 반응 속도를 증가시키는 효소도 있다. 이는 기질 또는 반응 물질을 생성물로 전환하는데 요구되는 에너지 수준을 낮추어 줌으로 가능한다. 또한 효소는 특이성이 커서 단지 1개의 반응이나 매우 밀접하게 연관된 일련의 반응만을 촉매 한다. 더욱이 하나의 촉매 반응에는 매우 한정된 수의 반응물 또는 단지 1개의 반응물만이 사용된다. 거의 모든 생체 반응이 각각 한 효소에 의해 촉매 되기 때문에 매우 많은 수의 서로 다른 효소 분자들이 필요하게 된다.

 

모든 효소들은 몇가지 공통적인 특징들을 가지고 있으며, 분자 생물학적 현상을 이해하는데 이들 특징을 숙지하는 것이 중요하다.

 

 

효소-기질

 

효소에 의해 촉매되는 모든 반응에서 반응 물질은 항상 효소와 강한 복합체를 형성하게 된다. 이와 같은 반응 물질을 효소의 기질이라고 부르며 화학반응식에서 이를 S로 표시한다. 그리고 E로 표시되는 효소와 기질과의 복합체를 효소-기질 또는 ES 복합체라고 한다.

 

기질은 효소의 특정한 부위인 활성 부위에 결합하고 여기에서 화학적 작용이 일어난다. 활성부위는 효소의 틈새에 있는 경우가 많으며 이 틈새 구조를 형성하는 아미노산들 중 일부는 기질과의 결합에 그리고 다른 일부는 반응의 촉매작용을 담당한다. 효소 촉매 반응의 고도의 특이성은 바로 이 효소-기질 결합의 특이성에 기인한 것이다. ES 복합체가 만들어지고 나면 기질은 이어질 반응을 촉진하는 방향으로 변화된다. 이렇게 기질이 변화되었을 때의 ES 복합체를 활성화되었다고 말하며 이를 (ES)로 표시한다. (ES) 복합체는 한 번 혹은 일련의 변형 과정을 거치며 그 결과 반응 물질을 생성 물질로 전환시키고 효소로부터 생성물질을 분리시킨다. ES가 형성되는 정도는 효소와 기질 사이의 결합력에 의해 결정되며 이를 E와 S의 친화도라고 한다.

 

 

 

 

효소-기질 복합체 형성에 대한 이론

 

효소에 의한 촉매 반응은 기질과의 결합 생성물로의 전환 생성물의 배출 등 여러 단계로 진행된다. 첫번째 단계인 ES 복합체 형성은 원리적으로 이해하기 쉬운 단계이며 대개는 분자적 특성만 고려하면 이해할 수 있다. 이에 이어서 이루어지는 재배치 과정은 화학적 현상이므로 이 포스팅에서는 다루지 않으려 한다.

 

효소 결합에 관한 두가지 주요 이론으로 자물통-열쇠 모델과 유도 부합 모델이 있다. 자물통-열쇠 모델에서 효소 활성 부위의 모양은 기질의 모양에 대하여 상보적이다. 반면 유도 부합 모델에서는 효소는 기질과의 결합에 의해 모양이 변하고 활성부위는 기질과 결합한 후에 비로소 상보적인 모양을 갖게 되는 것이다. 오늘날까지 연구된 모든 효소-기질 상호작용에는 이 두 가지 모델 중의 하나가 적용된다. 일부 효소에는 자물통-열쇠 모델이 적용되지만 대부분의 효소는 유도 부합 모델에 따라 작용한다. 비록 기질 자체의 모양에는 작은 변화가 있는 정도이지만 기질이 받게 되는 압력은 상당히 많은 경우 그것이 곧 촉매 기작의 주된 원리가 되는 경우가 많다. 즉 기질이 매우 반응성이 높은 배열 상태에 놓이게 되는 것이다.

 

 

효소기질 복합체의 분자적 세부사항들

 

처음으로 효소-기질 결합이 자세히 분석된 것은 달걀흰자의 라이소자임을 재료로 이루어졌다. 이 효소는 세균의 세포벽을 구성하는 다당류 성분의 당 잔기들 간의 특정 결합을 잘라주므로 난자의 내부에 세균의 감염을 막아 무균상태로 유지시켜주는 역할을 한다. 라이소자임의 아미노산 서열을 위 그림에 나타내었다. 활성 부위의 19개 아미노산은 그림에서 적색으로 표시되어 있다. 이 그림에서 이들 아미노산은 사슬을 따라 멀리 떨어진 집단임을 주목할 필요가 있다. 이들은 사슬이 접혔을 경우에만 서로 근접하여 활성 부위를 형성한다. 이 사슬의 접힘은 위에 보이는 바와 같으며 화살표로 표시한 깊은 틈새가 바로 활성 부위이다. 이틈 새에 맞는 기질은 6탄당 구역이며 결합을 하고 나면 뒤틀리게 된다. 기질이 결합하면 효소 자체도 모양이 바뀐다. 라이소자임의 틈새처럼 생긴 활성부위에는 글루탐산과 아스파르트산의 곁사슬이 있다. 다른 모든 효소와 마찬가지로 이 효소가 기능을 하려면 산/염기 평형이 최적상태라야 한다. 최적 pH는 효소에 따라서 다르며 이는 각 효소의 삼차 구조적 성질과 활성부위에 있는 특정 아미노산의 특성을 반영한다. 기질의 결합으로 나타나는 효소의 구조적인 변화를 조사하기 위하여 또 다른 효소인 효모의 헥소키나아제 A가 연구되었으며 이제는 효소의 구조적 변화는 잘 알려진 사실이 되었다.

 

 

미래의 실질적 응용

 

여러 효소 단백질들의 반응 기작과 기질 특이성이 밝혀짐에 따라 일부 효소들의 활성을 막아주는 상업용-억제제가 나오게까지 되었다. 예를 들면 최근에 연구자들은 단백질 키나아제와 단백질 탈인산화효소의 억제제를 디자인하려고 노력하고 있다. 이들 단백질은 세포가 환경으로부터 받아들인 정보를 번역하는 데 있어서 핵심이 되는 역할을 하고 있다. 정보의 번역에 사용되는 언어는 특정 단백질에 인산 군을 붙여주거나 제거함으로써 기능을 변화시키는 데에 관여한다. 통제 불능한 인산화와 탈인산화는 암을 유발하기 때문에 많은 연구자들이 이들 키나아제와 탈인산화 효소에 대하여 특이성이 있는 억제제의 개발에 흥미를 가지고 있다. 이와 같은 억제제의 설계는 최근에 밝혀진 3차원 구조와 인산기 전이효소의 촉매 기작을 기반으로 하고 있다.