글로벌 세계 대백과사전/생물II·식물·관찰/생명과 물질/물 질 교 대/효 소

유기물은 생체내에서는 쉽게 대사가 되지만 생체 밖의 상온 상압 조건하에서는 화학 변화를 받기 어려운 경우가 많다. 예를 들어 31억년 전의 옛날 암석에 클로로필의 일부라고 생각되는 화학 화석이 검출되고 있으며, 고생대 조류의 화석에서도 여러 가지 아미노산이 분석되고 있는 것도 유기물이 안정하다는 것을 나타내는 예가 될 것이다.

상온 상압의 조건에서 반응을 쉽게 하기 위한 것으로 유기 화학자 베르셀리우스는 생체 내에는 화학 결합을 느슨하게 하는 작용을 하는 물질이 있다고 생각하여 그것을 촉매라고 하였으며, 그 작용을 접촉 작용이라고 불렀다. 그는 촉매가 새로운 반응을 일으킨다고 했지만 그 후의 연구에 의해 촉매는 일어나야 할 반응의 속도를 빠르게 하거나〔정(正)촉매>, 더디게 하거나<부(負)촉매>하여 반응 속도를 변화시킬 뿐 반응 전후에서 변화하지 않는다는 것을 밝혀냈다.

생물체 내에는 특정한 반응에 각각 정촉매로 작용하는 효소라는 단백질이 있다.

그 효소의 생산 또는 작용의 조절로 물질 교대 양식이 정해진다.

효소 연구에는 처음 소화액 속에 분비되는 소화 효소에 대해 작용하는 상대의 물질이 정해져 있는 것(기질 특이성)과 그 작용에 최적 온도나 수소 이온 농도가 있는 것 등 기본적인 성질이 밝혀졌다.

그러나 후에 세포 내 효소에 대해 구조 단백질도 겸하는 것이 있다는 것, 비타민이나 무기 이온이 효소의 작용에 관계한다는 것, 호르몬의 정보로 생산이 조절되고 있다는 것 등이 속속 밝혀졌다.

효소는 간단히 말하면 물질 교대의 진행에 대해 중요한 조정 역할을 하는 단백질이다.

생물의 일생을 통해 볼 수 있는 생명 현상은 모두 물질 교대에 근거한 것이며, 그런 의미에서 관여하는 효소의 연구는 각 현상면에서 활발히 행해지고 있다.

효소와 보조 물질

옛날, 다음과 같은 이야기가 아라비아에 전해지고 있었다. 세 아들이 '17마리의 낙타를 1/2, 1/3, 1/9로 분배하라'라는 아버지의 유언을 갖고 고민하다가 재판관을 찾아 왔다. 재판관은 자신의 낙타를 끌고와 18마리로 만든 다음 유언대로 1/2(9마리), 1/3(6마리), 1/9(2마리)로 나누어 주고 자신의 낙타를 끌고 돌아갔다고 한다.

효소를 재판관에 비유하면 재판관이 갖고 있는 지팡이는 무기 이온, 데려온 낙타는 보(補)효소에 해당한다. 효소 중에는 이들 소도구를 필요로 하지 않는 경우도 있다.(1) 재판관(효소) 단독의 경우――효소는 일반적으로 큰 단백질로, 그 상대 물질(기질)과 결합하여 복합체가 되면 작용을 나타내는 활성 중심이라는 부분을 갖고 있다. 반응이 끝나면 효소는 반응 산물을 방출하고, 새로운 기질과 반복하여 결합할 수 있다.

소화 효소인 펩신은 활성 중심 부분이 숨겨진 펩시노겐 상태로 분비되어, 위액의 염산에 의해 덮개가 제거되는 구조로 되어 있다. 활성 중심은 효소 단백질의 특정한 일부이다.(2) 지팡이(무기 이온)가 필요한 경우 ― 금속 효소라 불리는 일군의 효소에서는 활성 중심이 금속 이온으로, 이를 매개로 하여 효소의 작용이 나타난다. 소화 효소인 펩티다아제류(Co2+, Mn2+, Mg2+, Zn2+)는 금속 효소의 예이다. (3) 낙타(보조 효소)가 있는 경우 ― 효소를 보조하는 비(非)단백질 유기물이 필요한 경우가 있으며, 이를 보효소 또는 조(助)효소라고 한다. 보효소는 어떤 기질에서 전자·원자 또는 원자단〔기(基)라고 한다>을 받아 다른 기질로 건네주는 작용을 반복해서 하기 때문에 보(補)기질이라고도 한다. 예를 들어 ADP는 인산기를, NADP나 NAD는 전자와 수소를 전달하는 보효소(보기질)의 일종이다.

보효소의 성분에는 비타민이 종종 함유되어 있으며, 이는 특히 영양 물질로서 비타민을 필요로 하지 않는 생물도 마찬가지이다. 예를 들어 NADP나 NAD는 니코틴아미드를 구조의 일부로 갖고 있으며, 그것이 수소와 전자를 주고받는 작용의 중심이 되고 있다.(4) 재판관(효소)이 복수인 경우 ― 각기 다른 효소 단백질이 몇 개 결합된 복합 효소의 경우 보효소는 반응을 잇달아 능률적으로 행할 수가 있다. 피루빈산 탈수소 효소나 지방산 합성 효소 등이 그 예이다.

또한 같은 종류의 것이 몇 개 합성하여 다량체가 되어 있는 효소도 많은데 이러한 경우에는 활성 중심의 작용이 몇 배나 강해진다.

효소의 조절

어떤 효소를 언제, 어느 정도 만들지는 생물체 안팎의 조건에 따라 결정된다.

효소도 물질 교대를 하고 있으며, 인간의 몸에서 매일 바뀌는 단백질의 약 절반은 효소이다. 효소의 양이나 질은 유전자의 작용을 바탕으로 조절되는데, 이를 조(粗)조절이라고 한다. 이에 비해 이미 존재하고 있는 효소의 작용이 무기 이온, ATP, ADP 등 보효소나 다른 반응의 산물 등에 의해 미묘하게 조절되고 있는 경우는 미(微)조절이라 한다.

예를 들어 근육이 수축할 때는 세포질 내에 Ca2+ 농도가 증가하며, 이것에 의해 수축 단백질(미오신)의 일부에 있는 ATP 분해 효소가 활성화되어 작용하기 시작한다. 또 이완할 때는 Ca2+의 농도가 감소한다.

그리고 ATP가 생산 한도에 달하면 그 생산 과정에 있는 효소의 작용을 멈추게 작용하고, ATP가 분해되면 그 산물인 ADP나 AMP는 효소의 작용을 활발히 하도록 작용한다. 이와 같은 효소에서는 활성 중심 외에 정보를 받아들이는 조절 부위가 마련되어 있으며, 그 작용에 의해 물질 교대의 조정이 자동적으로 행해진다.이와 같이 정보 물질이 조절 부위에 결합했기 때문에 효소 단백질의 구조에 변화가 생겨 활성 중심 작용이 바뀌는 효소는 알로스테릭 효소라고 총칭하고 있다. 이들 효소는 물질 교대의 중요한 곳에 배치되어 있다.