효소의 반응속도론 (쉽게 배우는 생화학 15)

 효소가 있는 곳은 생화학 반응이 일어난다는 의미이기도 합니다. 생물 내에서 일어나는 생화학 반응은 적당한 속도로 일어나야 합니다. 효소의 반응속도에 관한 내용을 간단히 살펴보고, 미카엘리스-멘텐식 대해서도 알아보도록 하겠습니다. 

 

 

효소의 반응 속도

생화학적 반응의 속도(velocity)는 주어진 시간당 일어나는 반응물질 또는 생성물의 농도 변화를 말합니다. 즉 어떠한 기질이 효소와 반응해서 생성물을 만들어 내는 속도를 물질의 농도를 통해 알 수 있다는 의미입니다. 효소 촉매의 정량 연구를 효소 반응속도론(enzyme kinetics)이라고 합니다. 이 이론은 기질과 억제제에 대한 효소의 친화도를 측정하고 반응 메커니즘을 규명하는 연구입니다. 이 연구를 통해 대사 회로 조절과 치료 등 여러 분야에 응용이 가능합니다.

 

 

초기 반응속도

 기질을 A, 생성물을 P라고 하면, 촉매 반응은 A → P 로 표현할 수 있으며, 이 반응의 초기 반응 속도 V₀를 구하는 방법입니다. 화학에서 몰농도를 표시할 때 대괄호에 넣어 표시합니다. 기질의 농도 [A]를 시간의 변화량 Δt로 나눈 값이 V₀ 입니다. 혹은 [P] / Δt로 구할 수 있습니다. 

 

 초기 반응속도는 [A]가 효소 [E] 농도를 훨씬 더 초과하고 반응시간이 매우 짧을 때의 속도를 의미합니다. 즉 효소와 기질을 혼합한 후 곧 일어나는 반응속도입니다. 이 속도는 역반응( P → A)이 거의 일어나지 않는다는 전제 하에서 측정됩니다.

 

반응속도에는 온도, pH, 이온세기에 따라 변하는 반응상수, 반응차수 등의 변수들이 있습니다. 이런 내용을 차치하고 간단히 설명하자면, 반응속도는 보통 [A] 즉 기질의 농도에 비례합니다. 그렇다면 1차 함수 그래프의 모양을 가지게 될 것 같지만 그렇지 않습니다. 효소 농도가 고정되면 기질의 농도가 아무리 높아져도 일정 속도에 다다르게 됩니다. 모든 효소가 A → P 반응에 참여하게 되면 더 이상 반응속도가 빨라질 수 없기 때문입니다. 이때의 속도를 V_max 라고 합니다.

 

 

미카엘리스-멘텐 반응속도론

 효소-기질 복합체의 개념이 미카엘리스-멘텐 반응속도론의 핵심입니다. 이 모델에서는 기질을 S (substrate), 효소를 E (enzyme)으로 표현합니다. 기질 S가 효소 E의 활성자리에 결합하면 중간 물질 복합체(intermediate complex)인 ES가 형성됩니다. 전이 상태 동안 기질은 생성물로 전환되고 곧 생성물은 효소로부터 분리됩니다. 즉 반응이 일어나는 중간단계 ES도 함께 보는 것입니다.

 

 E + S ↔ ES → E + P

 

위와 같이 간단하게 나타낼 수 있습니다. ES를 형성하는 데 관여하는 반응속도상수를 k₁, ES를 해리하는데 관여하는 반응속도상수 k₂, 생성물형성과 활성자리로부터의 방출에 관여하는 반응속도상수를 k₃라고 합니다. 미카엘리스와 멘텐은 미카엘리스상수(Michaelis constant) Km을 (k₂+k₃)/k₁ 으로 산정하였습니다. 그리고 그들은 미카엘리스-멘텐식(Michaelis-Menten equation)을 발표했습니다.

 

 v = V_max*[S] / [S]+Km

 

V_max는 앞서 말한대로 최대 반응속도를 의미합니다. 이 방정식은 효소의 행동과 성질을 이해하는 데 유용하게 사용됩니다. K_m은 지정된 실험조건 하에서 효소와 기질의 특성을 보여주는 상수로, 기질에 대한 효소의 친화도를 나타냅니다. K_m이 작으면 작을수록 ES복합체에 대한 효소의 친화도는 더욱 커집니다. 효소의 반응속도 성질은 그 촉매효율을 측정하는데도 사용됩니다.

 

 

효소 활성 단위

 효소의 회전수(turnover number)는 최적의 상황, 즉 기질이 포화된 상태에서 최소 분자가 단위 시간당 기질 분자를 생성물로 바꾸는 수를 말합니다. 즉 회전수는 효소의 촉매효율을 나타냅니다.

 

 기질이 활성자리로 확산할 때마다 효소가 기질을 생성물로 전환시키기 때문에 이러한 경우 효소가 촉매를 완전하게 이루었다고 합니다. 생물은 고도의 촉매효율을 이루지 못하는 생화학 회로에서 효소들을 다중효소 복합체(multiple enzyme complex)로 조직화하여 효소에 대한 확산통제한계를 극복합니다. 이 복합체에서 효소의 활성자리는 서로 매우 인접해 있기 때문에 확산은 기질과 생성물의 전이에서 문제가 되지 않습니다

 

 효소 활성은 국제단위(IU, international unit)으로 측정됩니다. 1 단위는 분당 1 마이크로몰의 생성물을 만드는 데 필요한 효소의 양을 의미합니다. 비활성(specific activity)은 단백질 1mg당 효소 활성의 단위 수로 효소의 순수도(purity)를 나타냅니다. 최근에는 효소 활성의 새로운 단위로 katal(kat)을 사용하기도 합니다. 1 kat은 초당 1 mol의 기질을 전환시키는 효소의 양으로 1 kat은 6*10⁷ I.U.입니다.

 

 

 효소가 생화학반응의 속도를 획기적으로 줄여주는 역할이니만큼 그 반응속도에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있습니다. 이번 포스팅에서는 대표적인 미카엘리스-멘텐식에 대해 알아보았습니다. 다음 내용도 기대해 주시기 바랍니다.