12. 효소

1. 효소의 정의

- 화학반응을 촉진시킬 수 있는 단백질이며, 이 과정을 촉매작용이라 한다.

- 활성화 에너지 : 어떤 물질들이 모여서 화학반응을 하려면 이 물질들이 서로 결합하거나 충돌할 만큼 에너지를 가져야 하는데, 이런 상태가 되는 데 필요한 에너지를 의미한다.

- 효소는 기질과 결합하여 효소-기질 복합체를 형성함으로써 반응의 활성화 에너지를 낮추는 촉매 역할을 한다.

- 효소에 의해 촉매 되지 않은 반응과 효소에 의해 촉매 된 반응, 두 반응 모두 반응 전과 반응 후의 에너지 차이는 같다. 다만, 효소는 반응이 시작하기 위해 필요한 활성화 에너지를 낮추어 줌으로써 반응이 좀 더 쉽고 빨리 일어날 수 있도록 도와주는 역할을 한다.

- 효소들은 각기 다른 형태의 활성부위를 가지고 있다. 그러므로 효소는 자신의 활성부위에 알맞게 결합하는 특정한 기질 하고만 상호작용할 수 있다.

 

 

2. 효소의 종류와 특성

- 기질 : 효소가 작용하는 분자를 뜻한다.

- 기질 특이성 : 효소가 특정 기질 하고만 결합하여 반응을 촉매 하는 성질이다.

- 여러 모양의 기질 중에서 효소의 활성부위와 가장 잘 들어맞는 기질이 선택되어 효소의 활성부위에 붙는다. 그러면 효소의 활성부위의 모양이 기질의 모양과 비슷해지도록 변형된다. 이때에 기질의 모양도 조금 바뀌게 되는데 이것이 효소 반응에 필요한 활성화 에너지를 낮춰 준다. 그런 후에 효소의 작용을 통해 기질이 새로운 생성물로 만들어진다.

- 효소는 일반적으로 촉매 하는 화학반응의 형식에 따라 분류된다. 많은 효소는 그 기질의 명칭 또는 효소의 활성을 나타내는 명칭에 "아제"(-ase)라는 접미사를 붙여 명명되고 있다. 그러나 효소 중에는 펩신이나 트립신과 같이 기질과는 상관없이 명칭을 붙인 것도 많다.

- 열쇠와 자물쇠 이론 : 열쇠와 자물쇠로 효소와 기질을 비유한다면 효소 분자를 자물쇠로, 기질은 열쇠로, 그리고 활성부위를 열쇠 구멍이라 할 수 있다. 이와 같은 묘사를 우리는 열쇠와 자물쇠 이론이라 한다.

- 절대 특이성 : 효소가 한 가지 기질과 반응하여 한 가지 반응만을 촉매 할 때 절대 특이성을 나타낸다고 한다.

- 군 특이성 : 어떤 효소는 공통의 작용기를 가지는 한 종류의 기질에 반응할 수 있다.

- 결합 특이성 : 어떤 종류의 효소는 특정한 형태의 화학결합에만 특이적으로 작용한다.

- 입체 특이성 : 어떤 효소는 D-입체 이성질체와 L-이성질체를 구분할 수 있으며, 이들 중 하나만을 사용하여 반응을 촉매 한다.

 

 

3. 효소의 분류

  3-1. 산화환원 효소

• 수소 또는 전자를 기질에 첨가하거나 제거, 즉 산화환원 반응을 촉매 하는 효소로서 산화효소, 환원효소, Catalase, Peroxidase, Oxygenase, Hydroxylase 등이 포함된다.

  3-2. 전이효소

• 한 화합물에서 다른 화합물로 원자의 전위를 촉매 하는 효소이다. 
• 전이 반응은 가수분해 또는 합성반응에 비해 에너지의 출입이 적다.

  3-3. 가수분해효소

• 물 분자가 도입되어 기질의 공유결합을 가수분해 시키는 효소로서 지질의 에스테르 결합, 당질의 글리코시드 결합, 단백질의 펩타이드 결합 등을 절단한다.

  3-4. 분해효소

• 가수분해 이외의 방법으로서 기질로부터 Carbonyl기, Aldehyde기 등의 원자단을 분리하여 기질에 이중결합을 생성시키거나 이중결합에 이와 같은 원자단을 부가시켜 주는 효소이다. 즉, 비 가수분해적으로 이를 이탈시키는 반응 촉매 효소를 말한다.

  3-5. 이성화 효소

• 기질 분자의 분해, 전위, 산화환원을 일으키지 않고 분자의 이성화 반응을 촉매 하는 효소이다. 어떤 화합물의 구조적, 광학적, 기하학적 변화 등 분자 내 변화를 일으켜 이성질체로 바꾸는 반응이다.

  3-6. 합성효소

• ATP와 같은 고에너지 결합의 분해와 동시에 작용하여 2개의 분자를 결합시키는 반응을 촉매 하는 효소이다.
• 물질에 물이나 CO2를 부가하거나 이탈하는 반응 효소를 말한다.

 

4. 효소 활성에 미치는 인자

  4-1. 온도

• 효소의 반응속도는 온도에 의해 크게 영향을 받는다. 0℃ 또는 그 부근에서는 분자운동이 크게 감소하여 매우 느리게 작용하지만 10℃ 이상부터 효소반응 속도는 급속도로 증가하고, 최적 온도의 범위에 도달하기 전까지 10℃ 상승할 때마다 효소의 반응속도는 2배씩 증가한다.
• 효소는 대개 40℃ 정도까지는 온도 증가에 따라 활성이 증가한다. 하지만, 그 이상에서는 열에 의한 변성이 일어나서 활성을 잃어버린다.

  4-2. pH

• 수소이온 농도에 따라 효소의 활성에 영향을 미치며, 활성 자리의 이온화 상태에 따라 효소의 촉매 활성은 변한다. 또한, pH의 변화에 따라 활성 자리의 화학 군 이온화도 영향을 받는다.
• 그 외, 여러 기지들은 용액의 수소이온 농도에 영향을 받는 산성이나 염기성의 작용기를 가지기 때문에 pH는 효소 분자의 3차 구조에 큰 영향으로 효소 활성에 변화를 줘서 효소 활성은 반응액의 pH를 변화시킴으로써 조절된다.
• 효소는 자신만의 독자적인 pH가 있어서 효소에 따라 넓은 범위의 최적 pH를 가지기도 하고 매우 좁은 영역의 범위를 가지기도 한다.
• 대부분의 효소는 pH가 중성 부근일 때 효소 활성이 가장 좋다.

  4-3. 기질 농도

• 효소 활성은 세포 내에 있는 기질의 양과 그 효소에 이용 가능한 기질의 양에 의해 크게 영향을 받는다.
• 효소의 활성은 기질 농도가 낮을 때 급격히 증가하고, 고농도의 기질에서는 반응속도가 서서히 증가한다.
• 반응이 더 이상 일어나지 않는 지점부터는 기질의 양과 관련성이 없다. 따라서, 효소는 기질로 포화된다고 말할 수 있고, 기질을 생성물로 더 빨리 변화시키지 못한다. 즉, 효소는 기질로 포화되어 있을 때 최대속도에 도달한다.

  4-4. 저해제

• 많은 물질들은 효소에 결합할 수 있고, 결합 시 효소 활성은 억제된다. 이러한 물질들을 저해제라 한다.
• 효소 저해제는 보통 세포 내에 존재하면서 효소 활성을 조절하거나, 또는 특정 세포나 생물체에 대한 외래성 물질로 작용하기도 한다. 
• 유독 물질 또는 인공 약품인 외래성 저해제는 효소에 결합하여 활성을 저해한다.

 

5. 효소의 응용

- 여러 효소들은 표피의 각질을 분해 및 제거하여 피부색을 맑게 하고, 피부의 기능을 정상적으로 유지시키도록 돕는다.

 

  5-1. 아라자임

• 한국산 무당거미에서 분리한 미생물에서 생산된 단백질 분해 효소로 효율성이 뛰어나다.
• 저온에서 고온까지 넓은 범위에서 활동하여 일반 단백질 분해 효소와는 차이를 보이며 피부 겉층의 묵은 각질을 효과적으로 분해하여 자극이 덜하다는 특징이 있다.

  5-2. 파파인

• 파파야의 열매에 함유된 단백질 분해 효소로 각질 제거 기능이 우수하여 지성이나 여드름 피부의 각질을 감소시킨다.
• 거친 피부를 매끄럽게 하거나 갈라진 피부의 상처를 치유하고, 소염, 항염증 및 항알레르기 작용을 하며 자극을 감소시키는 효과가 있어 일반적으로 많이 사용되는 효소 중 하나이다.

  5-3. 브로멜라인

• 파인애플의 줄기와 열매에서 추출하는 단백질 가수 분해 효소로 화장품보다 고기의 연육 작용을 위해 먼저 사용된 효소로 항염증 작용에도 효과를 보인다.
• 각질을 용해하기 위한 용도로 사용되며, 칙칙하고 피지가 많은 지성 피부에 도움을 준다
• 하지만, 열에 쉽게 파괴되는 단점이 있다.

 

 

출처 - 알기 쉬운 화장품 성분학 (박초희 지음