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모든 생명현상은 생화학적 반응에 따라 이루어진다. 이 과정에 필수적으로 관여하는 것이 '효소'라는 촉매. 그래서 '효소는 생명의 근본'이라 일컬어지기도 한다.

근래에 와서 효소(酵素, Enzyme)는 그렇게 생소한 말이 아니게 됐다. 소화가 안될 때 먹는 소화효소제, 빨래에 쓰는 가루비누에 첨가하는 단백질 및 지방질분해 효소, 건강식품의 현미효소 등에서와 같이 일상 생활에서 효소의 쓰임새가 점차 보편화되고 있기 때문이다.

그러나 이 효소가 구체적으로 무엇을 하는 어떠한 물질인지 쉽게 설명된 경우는 많지 않다. 그래서 효소는 아직도 일반인에게는 복잡하고 자신에게 별로 관련이 없는 것으로 느껴지는 것이 사실이다. 이 효소가 우리를 살아 있도록 하는 가장 필수적인 물질임을 알게 되면 정말 놀라게 될 것이다.

효소란 무엇인가

생명체, 특히 사람이 살아 움직이고 자손을 낳고 하는 모든 생명현상은 자세히 살펴보면 생화학적 반응에 따라 수행되고 있다. 이 반응을 진행하는데 필수적으로 필요한 것이 효소라는 촉매의 도움이다. 촉매란 그냥 두어서는 서로 아무 변화가 없는 두 물질에 작용해 새로운 한개의 물질로 바꾸거나, 어떤 화학물질을 분해하여 새로운 두 개의 물질로 변화하도록 하면서도 그 자신은 변화하지 않는 물질을 말한다.

강에 둑이 쌓여 있으면 물이 흐르지 않다가 둑을 낮추면 물이 흐를 수 있게 된다. 이 둑을 낮추는 기능을 촉매가 하는 것이라 이해하면 된다. 즉 촉매는 보통 상황 하에서 일어나지 못하는 화학 반응을 일어나도록 하는 독특한 기능을 하는 물질인 것이다.

생명체 내에서는 세포가 성장하고 분열되는 등의 과정에서 수많은 화학반응이 일어나고 있는데, 보통 화학반응과는 달리 상온에 중성 pH에서 반응이 일어나도록 하는데 효소 촉매가 필수적으로 필요하게 된다. 그래서 생명의 발생 유지에 필수적인 이 효소를 생명과학자는 생명의 근본 물질이라고 말하기도 한다.

생명체에 존재하는 대부분의 효소는 20가지 아미노산들의 펩티드 결합으로 만들어진다. 마치 염주알처럼 연결된 이 단백질 촉매는 아미노산의 결합순서에 따라 종류가 다양해진다. 그러나 최근 간단한 핵산조각도 원생 박테리아에서 촉매 기능을 한다는 사실이 알려지고 있으므로 이제 효소가 모두 단백질이라고 말할 수는 없게 됐다.
 

된장과 김치, 막걸리와 포도주

효소(Enzyme) 란 어휘를 처음 사용한 사람은 1871년 독일의 퀴네(Kuhne)라는 유기화학자다. 그는 1871년 그리스어의 '효모 속(in yeast)'이라는 뜻의 어원에서 따 효소라는 말을 사용했다. 그러나 생물 물질에 존재하는 촉매의 확인은 그 이전인 1835년에 베르젤리우스(Berzelius) 에 의해 이루어졌다. 그는 감자 속에 전분의 분해를 촉매하는 물질이 있음을 알아내고 촉매라는 말을 처음 도입했다. 그후 프랑스의 파스퇴르(Pasteur)는 공기가 없는 상태에서 당이 분해되어 탄산가스와 알코올이 되는 과정에 살아있는 세포가 관여하고 있다고 보고했다. 1897년 뷔크너 (Buchner)는 파괴된 효모의 추출물을 여과하여 발효에 직접 관여하는 물질을 확인하기에 이르렀다.

그러나 인류가 실제로 효소를 이용했던 역사는 이보다 훨씬 앞섰다. 고대 그리스나 이집트에서 포도의 글루코오스를 포도껍질에 묻은 효모를 이용하여 발효시켜 포도주를 만들게 된 것도 효소를 이용한 것이다. 우리 조상들도 된장이나 막걸리를 만드는 과정에 곰팡이나 누룩의 효모가 가지고 있는 효소를 이용했다. 특히 김치는 박테리아의 효소를 이용한 대표적인 발효식품이다. 세계적으로 뛰어난 발효식품을 우리 조상들은 오래 전부터 이용해왔음을 알 수 있다.

그후 독일의 유기화학자 에밀 피셔 (Emil Fisher)는 효소가 반응하는 물질(기질이라 함)과 마치 열쇠와 자물쇠의 관계처럼 특수한 물질에만 작용하게 되는 기능을 설명했다. 1900년대초 스베드버그 (Svedberg)가 단일 단백질이 효소로 기능함을 발표하고서부터 효소연구는 급속히 발전하게 됐다. 효소는 현재 많은 학자들이 연구하고 있고, 그동안 가장 많은 노벨상 수상자를 배출해낸 분야이기도 하다.

생명의 신비스러운 기능을 이해하는데 효소는 가장 중요한 연구 대상이 되고 있다. 질병치유에서부터 식품영양, 생물물질 합성, 환경오염 제거, 대체 에너지원 탐색 등 다양한 분야에서 활용되기 때문이다. 효소를 이해하기 위하여 효소가 갖는 몇가지 중요한 특성을 알아보기로 하자.

까다로운 마술사

첫째 효소는 효율이 대단히 좋은 촉매로 알려지고 있다. 단위 시간당 어떤 물질(기질)을 다른 물질(생성물)로 만드는데 걸리는 속도로 볼 때 효소가 존재하지 않을 때의 반응을 1로 하면 어떤 종류의 효소는 기질을 ${10}^{12}$배나 빨리 다른 물질로 바꾸게 한다.

예를 들어보자. 암모니아 공장에서 공기 중 질소를 암모니아로 고정하는 공정에는 4백-6백℃ 의 온도와 1백-9백 기압의 조건이 필요한데, 질소를 고정하는 뿌리혹박테리아의 나이트로지나제라는 복합효소는 상온의 중성 pH에서 질소를 암모니아로 바꾸고 있다.

또다른 예로, 살코기 1근을 가수분해하여 단백질 구성성분인 각각의 아미노산으로 바꾸려면 강한 염산 용액 속에서 1백10℃로 24시간 가열해야 하나, 파파야에서 얻은 펩신이란 효소 1g을 사용하면 pH4에서 한시간반 동안에 가능하다. 이러한 실험은 가정에서도 해볼 수 있다. 질긴 쇠고기에 키위즙을 조금 넣어 냉장고에 일정시간 보관하면 키위 속의 단백질 분해효소가 작용, 고기질이 연하게 된다.

두번째 효소의 놀랄만한 특징은 어떤 특수한 반응에 한개의 효소만이 작용하여 촉매기능을 한다는 사실이다. 다시 말해서 효소는 반응물질이나 생성물질 모두 높은 선택성을 가지고 반응에 기여한다. 사람의 위 속에는 '트립신'이라는 단백질 분해효소가 있는데, 이 효소는 긴 사슬의 폴리펩티드 중 '아르기닌'과 '라이신'이라는 아미노산 바로 옆의 펩티드 결합만을 절단하는 것으로 알려져 있다.

효소의 세 번째 중요한 특징은 다른 여러 촉매들과는 달리 촉매반응의 속도가 자체기능으로 조절될 수 있다는 사실이다. 가령 사람의 근육 수축에 관여하는 마이오신이라는 효소는 칼슘이온 농도에 따라 촉매속도가 조절되고 있다. 세포 내에서 효소는 호르몬이나 반응물 또는 생성물에 의해서 그 기능을 억제하거나 활성화할 수 있음이 밝혀졌다.

효소의 네번째 특성은 효소단백질의 입체 구조(3차구조)다. 효소는 수용액 속에서 일정한 모양을 갖는 게 중요하므로 효소를 다룰 때는 이 입체구조가 흐트러지지 않도록 조심해야 한다. 효소는 높은 온도에서는 그 구조가 흐트러져 기능을 못하게 되며 낮은 온도에서는 기능이 일시정지 됐다가 다시 온도를 올리면 그 기능이 회복된다. 저온에서 효소의 기능이 회복되는 성질을 이용하여 생물을 급속히 저온으로 처리한 후 장기간 보존했다가 회생시키는 실험이 가능하다.

마지막으로 효소의 독특한 특성은 효소가 기능을 하기 위해서는 특수한 유기화합물이나 무기금속을 필요로 하는 경우가 있는 점이다. 생물체 내에서 일어나는 산화환원반응이나 카르복실화반응 등은 효소 자체가 가지고 있는 아미노산으로는 기능할 수 없고 간단한 유기화합물을 필요로 하게 된다. 고등동물의 경우 스스로 이런 물질을 만들지 못하면 외부에서 섭취해야 하는데 , 이러한 효소 보조화합물이 비타민이다.

그래서 비타민 결핍으로 나타나는 신체증상은 체내에서 효소가 기능을 못하게 되면서 신진대사에 필요한 물질의 공급이 어려워져서 나타나는 현상이 라고 볼 수 있다.

경우에 따라 효소가 그 기능을 하기 위하여 아연이나 마그네슘 구리 코발트 등 무기금속을 필요로 하는 경우도 있으며, 세포 내에서 효소가 유전자(폴리뉴클리오티드)를 합성하는 경우 마그네슘이 있어야 한다.

인체 내에서의 효소의 기능

효소들은 그 기능만큼이나 복잡하고 다양해 수만개의 종류가 있으리라고 예측되고 있다. 효소 기능을 제대로 이해할 수 있다면 인류의 수명연장이나 생활형태의 궁극적 변화가 가능할 것이다. 모든 질병이 치유되고 노화가 방지되며 기억력 향상등을 도모해 슈퍼맨을 만들 수 있을지도 모른다.

효소를 연구하는 사람의 눈으로 보면, 자연의 모든 생물의 변화현상은 효소 때문에 일어나는 것으로 보인다. 나뭇잎에 단풍이 드는 현상은 온도가 내려가면 기능을 하는 효소가 빨간색 물질을 합성하는 것이며, 모기나 개미가 사람을 물 때에도 침에서 미리 뉴라미니데이스라는 효소를 내놓아 살갗을 녹인 다음 침을 집어넣을 수 있다.

사람의 눈물 속 단백질을 녹이는 효소를 이용하여 눈의 렌즈를 보호하도록 한다든지, 간에서 술을 분해하는 효소가 작용하여 혈액 속 알코올 농도를 줄이게 한다든지, 뇌 속에 특수 아미노산 축적을 방지하도록 어떤 분해효소가 작용하여 뇌 기능을 정상으로 하는 일, 유전자 결핍으로 분해효소를 만들지 못하면 유전성 질환을 갖게 되는 경우 등, 다양하고 신비한 현상들이 효소의 능력에 의해서 일어난다고 보는 것이다. 그래서 효소는 생명의 근본이 된다고 말할 수 있다.

효소의 기능은 어떻게 발현되는가. 생명체내에서 일어나는 화학반응은 여섯가지로 나눌 수 있는데, 이 반응에 필요한 촉매 효소를 그 기능에 따라 여섯 그룹으로 분류할 수 있다.

산화-환원에 필요한 효소 (그룹Ⅰ)는 대부분 조효소(비타민 니아신 리보플라빈 등)를 반드시 필요로 한다. 생체 내에서 일어나는 수 많은 합성 및 분해과정에 이 효소촉매가 필요하다.

화학그룹을 이동시키는 반응에 관여하는 효소(그룹Ⅱ)는 어떤 물질의 한개 그룹(예, 카르복실그룹 아미노그룹 등)을 다른 물질에 전달하는 반응을 촉매한다. 가수분해 효소 (그룹Ⅲ) 는 어떤 물질을 물과 함께 다른 물질로 분해시키는 반응의 촉매로 작용한다.

생체 물질의 결합을 부수고 일부 물질을 제거하는 반응을 촉매하는 효소(그룹Ⅳ)는 생체분자 분해에 필수적이다. 이성화반응에 관여하는 효소(그룹Ⅴ) 는 알돌형(-OH)물질을 케토형(-CO)으로 바꾸는 반응의 촉매다. 두개의 분자가 에너지원의 도움으로 새로운 분자로 합성되는 반응의 촉매 효소(그룹Ⅵ)는 생체 내에서 여러 중요한 물질을 합성하는 반응을 촉매한다.

생명체 내에서 효소가 하는 기능은 효소의 수만큼이나 다양하다. 신체의 온도를 유지하는 열에너지뿐 아니라 새로운 물질 합성과정에도 에너지가 필요하다. 이 에너지원은 주로 ATP(아데노신 트리포스페이트)라는 화합물의 형태로 요구되며, 탄수화물 분해나 지방질 분해를 통하여 막대한 ATP에너지를 얻게 된다. 이렇게 생물체 내에서 일어나는 모든 분해반응이나 합성반응에는 반드시 효소가 관여하고 있다. 생물체 각 기관의 운동, 물질 운송, 방어물질 생산, 감각에 의한 호르몬 합성, 기억과정, 유전자 합성 및 효소 자체 합성 등 생물체 내 모든 반응이 효소촉매의 도움으로 가능함을 알 수 있다.

최근 암의 원인에 관한 연구 중에서 세포 외부에서 전달된 성장인자의 정보를 세포 내에서 전달하는 과정에 대한 연구가 진행되고 있다. 이 과정에도 대부분 효소가 관여하여 어떤 반응을 일으키면서 만들어진 반응물이 정보를 전달하도록 하고 있다. 그래서 앞으로 효과적인 항암제는 세포의 정보전달 관련 효소의 방해제가 될 가능성이 크다고 볼 수 있다.

또 생물체마다 독특한 자기 보존과 생존을 위하여 독특한 종류의 효소를 가지고 있는 경우가 많으므로, 효소는 아마 지구상에서 가장 다양한 기능을 하는 물질로 볼 수 있다.
 

제대로 기능하려면 모양도 중요하다

효소가 기능하기 위해서는 독특한 자체 모양을 유지해야 한다고 언급했듯, 효소의 모양은 그 기능을 위하여 대단히 중요하다. 효소는 보통 유기화합물에 비해 그 크기가 수백 수천배가 되어 그 구조를 연구하는데 상당한 어려움이 있었다. 효소의 구조는 투과력이 강한 X선을 이용하여 단백질 효소의 사진을 찍고 여러 복잡한 계산을 거치면 거미줄 모양의 복잡한 모양을 얻게 된다(그림1).

최근에는 컴퓨터의 발전으로 이러한 연구가 더욱 손쉽게 되었으며 효소의 모양을 마음대로 움직여 앞뒤를 볼 수 있게 되었다. 앞으로 효소를 방해하거나 활성화시키는 물질을 탐색함으로써 병을 예방하거나 치료약을 개발하는 첨단연구가 크게 각광을 받을 것으로 보인다.

수많은 효소가 각기 다른 모양의 독특한 구조를 갖는 것은 20가지 아미노산 순서의 조합이 무궁무진하기 때문이다. 이렇게 다른 아미노산 순서의 폴리펩티드는 각 아미노산이 가지고 있는 각기 다른 그룹들이 서로에게 미치는 힘 때문에 전혀 다른 모양의 포개짐이 가능하게 된다. 이렇게 포개져 만들어진 단백질 모양은 효소가 독특한 기능을 하는데 필수적이다.

효소의 모양은 효소가 촉매로서 효율적인 기능을 하기 위하여 반응물질(기질)을 잠시 한정된 위치에 고정시키고, 실제 촉매반응에 관여하는 활성부위 아미노산들이 적절한 위치에 놓이도록 도와주며, 반응속도의 조절 부위를 가지게 되며, 조효소를 필요로 하는 경우에는 효소 내부에 조효소가 고정되도록 하기도 한다. 이것이 효소가 독특한 모양을 가지게 되는 커다란 이유가 된다.

대부분의 효소는 등근 공모양의 단백질로 존재하고 있다. 경우에 따라서는 세포막 안팎에 걸쳐 있는 효소도 있고 지방질의 합성효소인 경우 여러 효소단백질의 집합체로 대단히 큰 덩치를 이루고 있는 경우도 있다. 또 근육 운동에 관여하는 효소는 긴 사슬 모양이다.

아미노산의 긴 사슬은 포개질 때 머리카락처럼 길게 서로 반대편으로 진행하면서 꼬인 베타 구조와, 두개의 사슬이 나선형으로 서로 같은 방향으로 돌아가는 알파 구조가 있다. 효소는 이 두가지 모양의 구조가 번갈아 나타나는 복잡한 입체구조를 이루고 있다.

생명체의 생사가 관련되는 이 효소들이 기능을 상실한다는 것은 이러한 구조 변형과 밀접히 관련되어 있다고 볼 수 있다. 삶은 달걀이 병아리가 될 수 없는 것은 높은 열에서 병아리 발생에 필요한 모든 효소의 수소결합들이 파괴되어 그 기능이 상실된 때문이라고 설명할 수도 있다.
 

유전공학기술과 효소개선연구

지난 한세기 동안 이루어진 효소연구로 생명에 관한 많은 비밀이 점차 그 베일을 벗고 있다. 많은 약품들이 개발됐고 식량이 증산됐으며, 이들 효소가 우리 실생활에 직접 사용되기도 했다.

그동안 이 복잡한 효소는 그 구조의 변형이 화학적으로 불가능하다고 생각되어 왔다. 그러나 최근에 와서 유전자를 마음대로 다룰 수 있는 기술이 발전하면서 효소의 기능을 더욱 손쉽게 알게 되었고, 효소의 성능을 개량하는 기술이 확립되게 되었다.

효소공학(Enzyme Engineering)이란 효소의 유전자를 이용하여 일정한 위치의 아미노산을 바꿈으로써 활성부위 아미노산을 변경시키는 것이다. 이로써 능력개선, 흡착능력의 향상을 통한 효소반응속도의 급속한 증가, 안정성 향상, 단백질 분해효소에 의한 단백질 보호 등이 점차 가능해지고 있다.

이와 같은 효소 연구는 궁극적으로 인간 수명의 연장, 젊음 유지, 암 퇴치 등을 현실화시킬 것이며, 새로운 초강력 효소를 공업적으로 이용하면 인류 생활의 개선에 획기적인 기여를 하게 될 것이다. 고도의 전문적인 기술이 집약되어야 하는 효소 연구는 생명공학과 연계돼 세계적으로 볼 때 그 시장이 무한대이다. 우리가 다른 나라들보다 이 분야 연구에서 한발 앞서도록 국가적인 지원과 노력이 시급하다고 본다.