7급 공무원 및 기사시험 대비 생물학개론 핵심 요점 정리 5. 효소 및 조효소와 에너지

5. 효소 및 조효소와 에너지

 

효소

 

○ 물질대사
- 생물체 내에서 일어나는 물질의 분해나 합성과 같은 모든 물질적 변화
- 흡수한 물질들을 이용해 자신에게 필요한 물질을 합성하기도 하고, 또는 물질을
분해하면서 그로부터 생명 활동에 필요한 에너지를 얻기도 한다. 그러한 과정에서
생긴 부산물이나 노폐물을 배출한다. 이렇게 생물체가 자신의 생명 유지를 위해
진행하는 모든 과정을 물질대사라 부른다.
○  효소
- 각종 화학반응에서 자신은 변화하지 않으나 반응속도를 빠르게 하는 단백질을 말
한다. 즉, 단백질로 만들어진 촉매라고 할 수 있다.
- 한 가지 효소는 한 가지 반응만을, 또는 극히 유사한 몇 가지 반응만을 선택적으로
촉매하는 기질특이성을 가지고 있다.
- 효소에 기질특이성이 있는 것은 효소와 기질이 마치 자물쇠와 열쇠의 관계처럼 공
간적 입체구조가 꼭 들어맞는 것끼리 결합하여, 그 결과 기질이 화학반응을 일으
키기 때문이다.

 

활성화 에너지와 효소

 

○  반응을 일으키는 데 필요한 최소한의 에너지로, 반응에 참여하기 위해서는 이 에너
지 이상의 에너지를 가져야만 한다.
○  활성화 에너지 값이 크면 그 이상의 에너지를 갖는 분자의 수가 적어 반응이 느리
게 진행되고, 활성화 에너지 값이 작으면 반대로 반응속도가 빨라진다.
○  이러한 활성화 에너지를 낮춰 반응속도를 빠르게 하기 위해서는 촉매가 사용되
며, 한편 천천히 진행되도록 하기 위해서는 부촉매가 사용된다.

효소의 유도적응

 

○  효소는 선택적인 반응에만 촉매작용을 하는 것은 기질이라는 특정한 반응물의 구
조를 정확하게 인식하며, 특정 기질에 결합하는 구조를 가지기 때문이다.
○  활성부위 ; 기질과 정확하게 결합하기 위한 효소의 특별한 부위로 공간적 형태와 화
학적 특이성을 가진다.
○  유도적응 ; 효소의 활성부위와 기질 사이에 결합이 되면 효소의 구조가 약간 변한다.
○  생성물이 효소의 활성부위를 빠져 나가고 새로운 기질이 결합할 수 있는 형태가 변
하여 효소는 재사용이 가능해진다.

효소의 활성부위와 촉매순환

1. 기질은 활성부위로 들어가며, 효소는 모양을 변형하여 그 활성자리가 기질을 감싸게 된다. (유도적합)
2. 기질은 수소결합이나 이온결합 같은 약한 상호작용으로 활성 부위에 붙어있게 된다.
3. 활성부위는 EA를 낮추며 반응을 가속화 시킨다.
4. 기질은 생성물로 변환된다.
5. 생성물은 방출된다.
6. 활성부위는 2개의 새로운 기질분자체 수용이 가능하다.

○  효소의 다양한 기작
① 2개 이상의 반응물이 포함된 반응에서 활성부위는 기질들이 적절한 배치를 위해 모형을 제공
② 반응물의 결합에 적은 에너지를 사용하기 위해 기질을 뒤틀리게 하여 절단되기 쉽게 한다.
③ 활성부위가 반응에 유리한 미세 환경을 조성하여 반응을 촉진시킬 수 있다.
④ 화학반응에서 활성부위가 직접 참여한다.

 

효소의 명명법

○  각 효소는 특정한 반응을 촉매하기 때문에
- 각 효소는 독특한 이름을 갖고 있다
○  효소이름의 첫 부분은
- 기질의 이름이다
○  효소이름의 두 번째 부분은
- 효소가 촉매하는 반응의 유형을 나타낸다
○  모든 효소의 이름은
- -ase 어미로 끝난다
○  예:
- DNA 중합효소
- 글리코겐 합성효소

 

효소활성에 비타민의 효과

○  효소의 반응을 촉진하는데 효소와 기질의 비율을 적당히 유지하는 것이 도움이
된다. 효소는 반응 후 계속적으로 다른 기질과 반응할 수 있으나 반응 속도는 일
정하므로 기질의 양이 많은 경우 효소의 양을 늘려 반응 속도를 늘릴 수 있다
○  어떤 효소들은 정당적인 기능에 도움이 되는 특별한 분자들을 필요로 한다.
- 조인자 라고 불린다
○  조인자는 아연 또는 철 같은 무기이온이 될 수 있다.
○  어떤 조인자는 유기 분자이다.
- 조효소라고 불린다
○  비타민은 많은 조효소의 전구물질이다.
- 비타민 B2는 FAD의 전구물질.
- 니아신은 NAD의 전구물질.
○  세포가 비타민을 만들 수 없기 때문에 비타민은 음식물로부터 흡수해야 한다.

 

조효소의 역할

 

세포의 제어과정과 효소들

○  기질에 대한 효소의 경쟁
- 여러 종류의 효소들이 동일 종류의 기질분자들과 결합을 할 수 있을 때 마다 일어
난다. 서로 다른 효소들은 동일한 기질에 반응하더라도 다른 생성물을 만들어낸다.
- 많은 양의 효소가 존재하거나 또는 특정 효소의 반응에 유리한 조건일 때 해당 효
소의 최종산물의 양이 많아진다.
○  유전자 조절
- 생산된 효소의 종류와 양은 세포의 유전자에 의해 조절된다. 유전자조절 단백질은
세포들이 필요한 효소를 유전자에 알리고 필요에 따라 유전자 발현을 촉진하거나
억제할 수 있다. 유전자 억제 단백질, 유전자 활성 단백질에 의해 결정될 수 있다.
○  저해
- 효소와 기질의 복합체를 형성을 억제하여 효소의 기능을 방해한다.

 

효소활성에 온도의 효과

○  온도의 영향; 효소반응에 영향을 주는 중요 환경 요인
① 분자 운동 속도를 변화
- 온도의 증가는 분자의 이동을 증가시키므로, 효소와 기질의 접촉과 결합 횟수를
증가 즉, 효소의 반응률을 증가시킬 수 있다.
- 효소-기질 복합체의 형성율이 최고일 때의 온도를 최적온도라고 한다. 즉 효소
가 최고의 촉매활성을 나타내는 온도.
- 온도의 감소는 분자 운동을 감소시켜 촉매속도를 감소시킨다
② 효소의 모양을 변화
- 온도가 최적온도 이상으로 높아지면 효소의 구조가 변하게 되어 더 이상 효소-
기질 복합체를 형성하지 못하여 촉매활성을 잃게 되어 반응률이 감소한다.
- 열에 의한 효소의 3차원적 구조변화는 영구적으로 변화하게 된다.

 

효소활성에 pH의 효과

○  pH의 영향; 주위환경의 pH는 단백질 모양을 결정짓는데 매우 중요하며 효소는 각
각에 적합한 최적 pH를 가진다. 용액속의 수소이온이 변화하면 단백질을 구성하
는 아미노산 측쇄에 양전하로 하전된 수소이온이 결합하여 효소의 활성부위 구
조를 결정하는데 영향을 미친다.
○  효소의 3차 모양에서
- 어떤 아미노산 곁사슬은 환경에 노출되어 있다.
○  염기성 환경에서
- 산성 곁사슬은 양성자를 내놓을 수 있다.
○  산성 환경에서
- 염기성 곁사슬은 양성자를 수용 할 수 있다.
○  이러한 환경모두가 효소의 모양을 변화시킨다
- 이는 기질과 덜 결합하도록 만들어 반응을 덜 촉매하게 만든다.

 

효소 저해제

○  효소 저해제는 효소와 결합하여 효소의 기능을
파괴시켜서 물질대사 반응을 저해할 수 있다.
○  저해제의 결합은 가역적 경우와 비가역적 경우가 있다.
○  가역적인 저해제들은 효소에 결합하여 기질과의
결합을 물리적으로 방해하여 효소의 작용을 방해한다.
○  비가역적인 저해제는 대개 효소에 작용하여 화학
적인 변화를 야기한다. 효소 활성에 꼭 필요한 효
소의 아미노산 부위를 변형시킴으로써 본래의 기
능을 상실하게 만드는 것이다.

 

효소 저해(음성 되먹임 저해)

○  가역적 저해의 경우 저해제의 결합 유무에 따라 물질대사를 조절할 수 있어서, 물
질대사 과정에서 필요 이상의 합성되면 생성물이 효소의 저해제로 작용하여 효소
의 기능을 저해할 수 있다.
○  이러한 피드백 조절로 세포는 특정 물질을 사용할 만큼만 합성하여 자원 낭비를 막
을 수 있다.
○  음성 되먹임 저해
- 순서대로 일어나는 효소-촉매 반응 내에서 일어난다.

 

음성 되먹임 저해(Negative-feedback inhibition)

 

○  코리스민산(chorismic acid; chorismate)로부터 트립토판을 합성하는데 관여하는 5개
의 효소를 암호화 하고 있는 유전자군이다.
○  세포 내 트립토판이 부족하여 스스로 트립토판을 합성해야 할 경우 mRNA로 전사
되어 발현됨으로써 트립토판을 합성한다.
○  트립토판은 억제자와 함께 오페론의 작동을 멈추는 보조억제자로 작용한다.

트립토판 오페론 (tryptophan operon)

음성 되먹임 저해

○  최종생성물이 축적되면서,
- 이 분자들이 효소와 결합한다.
- 최종 생성물은 효소를 억제하고 반응경로를 멈추게 한다.
- 생산된 최종생성물의 양을 감소시킨다.
○  이는 최종생성물의 수준을 어떤 범위 내 유지하는 역할을 한다

 

생화학적 경로들

 

○  생화학적 경로(biochemical pathway) 또는 대사경로(metabolic pathway)
- 하나 또는 많은 단순한 물질에서 하나의 좀더 복잡한 화합물을 합성하거나 특정
화합물을 그 최종산물까지 분해하는 일련의 연속된 효소반응과정이다.
- 분해작용(catabolism) ; 혼합물을 파괴하여 단순한 물질로 전환시킨다.
- 합성작용(anabolism) ; 새로운 합성을 초래하여 더 큰 혼합물로 전환시킨다.

ATP와 세포의 작용

 

○  음식물로부터 에너지 전환
- 음식물로부터 섭취된 탄수화물, 지방 그리고 다른 분자들은 세포 내에서 분해되어
ATP분자들이 세포 활동에 필요한 직접적인 에너지원으로 사용된다.

○  ATP(adenosine triphosphate)의 구조
- 아데노신에 인산기가 3개 달린 유기화합물로 아데노신3인산이라고도 한다.
- 세 개의 인산 그룹이 아데노신의 꼬리 부분에 붙여진 형태로 구성되어 있다.
- ATP에는 인산기가 3개 붙어있으며 인산기는 (-)전하를 띠고 같은 전하를 띠는 것이
한곳에 모여 반발력이 생기는데 ATP처럼 결합하면 많이 하여 불안정해진다.
- ATP에서 하나의 인산기가 방출되고 두 개의 인산만 남은 것을 ADP(adenosine
diphosphate)라고 한다.

○  인산전이
- ATP에서 가장 끝에 붙어 있는 인산기는 인산결합을 끊고 떨어져 나갈 수 있는데,
이때 표준 에너지 변화는 7.3kcal/mol이고 일반적으로 생체 내에선 마그네슘 이온
농도 등의 영향을 받아 11~13kcal/mol의 자유에너지가 방출된다.
- 생물체는 이 에너지를 이용해 활동하기 때문에 ATP를 에너지원이라고 말한다.
- ATP에서 인산그룹이 전이되면서 에너지를 전달하
게 되며, 세포의 중요 3가지 작용인 기계적인 일과
수송의 일 및 화학적인 일을 하는데 이용된다.
- 세포에는 세포의 활동 부위에 에너지를 공급하는
인산전이 반응을 하는 특정 효소들이 존재한다.
○  전이효소
- 기질의 원자단을 다른 질에 옮기는데 관여하는
효소로 작용기를 떼어 다른 분자로 옮겨 준다.

○  ATP 소비와 생산
- ATP는 세포내에서 끊임없이 소비되어 있지만 소비된 ATP는 다시 재생될 수 있다.
- ATP는 인산전이가 이루어지고 나서 다시 ADP에 인산기 하나를 결합시킴으로써
다시 ATP형태로 만들어 질 수 있다.
- ATPase에 의해 인산기를 잃은 ADP는 세포호흡을 통한 당이나 다른 유기 에너지원
의 분해과정에서 방출되는 에너지를 이용하여 인산기를 하나 결합시켜 다시 ATP
를 형성하게 된다.
- 따라서, 세포에서 일어나는 일련의 반응에서는 ATP가 소모되고, 세포호흡을 통해
서 ADP와 인산으로부터 다시 ATP가 재생산된다.
- 활동 중의 근육세포는 소모한 모든 ATP를 대략 매 분마다 한 번씩 재생산할 만큼
빠른 속도로 ATP를 재순환 시킨다.

전자전달과 양성자농도 구배

 

○  원자의 바깥에너지 수준에 있는 전자가 다른 원자에 잃을 수 있다
- 만약 전자가 에너지를 받으면 들뜨게 된다
○  특정 분자는 들뜬 전자를 받고 그 에너지를 비축 할 수 있다.
- 전자 매개체로 NAD, FAD등이 있다.
- 전달 반응은 산화-환원 반응으로 전자를 잃는 분자는 산화, 얻는 분자는 환원된다.
○  전자 전달에 의해 방출된 에너지는 양성자를 펌프하는데 사용된다.
- 이는 양성자펌프에 의해 이루어지고 이는 작은 공간에 양성자를 농축한다.
- 이 농도 기울기에 의해 생긴 압력은 양성자의 확산을 일으킨다.
○  양성자는 ATP 생성효소를 통해 확산한다.
○  ATP 생성효소는 ATP합성을 위해 양성자 확산으로부터 방출된 에너지를 사용한다.

돌 세탁 가공기술

○  돌세탁 가공기술의 단점
- 천을 손상시키고, 폐광석이 필요하며, 제작기계를 손상시킨다.
○  셀룰라아제를 이용한 가공기술 (바이오스토닝,biostoning)
- 셀룰라아제는 셀룰로스의 가수분해 반응을 촉매하는 효소로 단백질로 이루어져
있고 면과 다른 천연 섬유질의 구성 물질인 다당류 셀룰로스를 분해한다.
- 청바지 재료 옷감인 면직물을 셀룰라아제를 반응
시켜 셀룰로스 섬유질을 부분적으로 분해하고 섬
유질 층에 흡착된 남색의 염료를 부분적으로 제
거할 수 있다.
- 반응을 중지하고자 할 때는 세척과정을 통하여
셀룰라아제를 제거할 수 있다.
○  생물학적 효소는 환경, 기계, 생산 설비 및 원자재
에 친화적으며, 효소 분해 가공 공정은 의류의 최
종색감을 선택할 수 있게 한다.

섬유산업에 효소의 이용

 

○  효소가 섬유산업에 도입되기 시작한 것은 면섬유에 아밀라제가 사용되었다.
- 셀룰라아제 ; 데님 워싱 및 면섬유의 후 가공에 사용
- 카탈라아제 ; 표백 후 잔류하는 과산화수소를 제거
- 프로테아제 ; 세제에 조제로 첨가
- 에스테라제, 아미나제, 니트릴라제 등 합성섬유 가공 과정 중에 합성섬유의 친수성
을 증가
○  효소가 섬유 산업에 적극적으로 이용되는 것에 장점
(1) 효소자연산물이기 때문에 생분해되고, 중성에 가까운 pH에서 반응하여 화학약품
과는 달리 그 처리액이 환경문제를 유발하지 않는다.
(2) 효소는 기질특이성을 가지고 있어서 매우 선택적으로 반응하므로 비특이적 반응
으로 인한 섬유 손상이 가 적다.
(3) 효소는 촉매물질로 반응에 참가하기 때문에 소량으로 효과, 반응속도가 빨라 처리
시간 단축, 화학반응보다 저온에서 반응하므로 에너지 절약에도 기여.