왜 우리는 효소의 도움없이 살 수 없는가?

 

왜 우리는 효소의 도움없이 살 수 없는가?

**효소란 무엇인가?   생명을 유지하기 위해서는 모든 생명체들은 유전학적인 관점에서 볼 때 스스로 복제할 수 있는 능력이 있어야 하며, 또한 어떠한 물질을 합성하거나 분해하는 세포 내 모든 화학 반응을 효율적이고 선택적으로 촉매 할 수 있어야 한다.   생명체들은 살아가는 데에 필요한 에너지를 외부로부터 얻은 물질을 이용하여 생체 내에서 화학반응을 통하여 만든다.   예를 들면 사람이 설탕을 섭취할 경우 섭취된 설탕은 우리 몸 안에서 산소의 도움을 받아 이산화탄소와 물분자로 전환이 되는 화학반응을 일으키면서 에너지를 만들어 내는 것이다.   만일 설탕이 담긴 그릇을 공기 중에 놓아둔다면 위에서 말한 화학적 변화가 마찬가지로 일어나지만 그 변화속도가 너무나 느려 우리가 화학반응이 일어난다는 사실을 거의 못 느끼게 된다. 그러나 사람의 몸 속에서의 설탕은 매우 빠르게 일어나 불과 몇 초 안에 에너지를 얻을 수 있다. 이러한 반응속도의 차이가 바로 촉매반응이냐 아니냐의 차이인 것이다.   촉매반응이 우리 몸 안에서  일어나지 않는다면 우리가 필요로 하는 각종 화학적 반응들이 필요한 시간 내에 일어 날 수 없기 때문에 우리는 삶을 유지할 수 없게 된다.   에너지를 획득하기 위한 수단 뿐 만 아니라 우리가 살아가는 데에 있어 절대적으로 필요한 각종 화합물들을 분해하거나 합성을 위한 대사과정에 대한 촉매반응은 과연 무엇에 의해 일어나는 것일까?   그것은 효소(酵素, enzyme)라고 하는 매우 경이로운 단백질에 의하여 일어나는 것이다.   한 여름 밤을 아름답게 수놓는 반딧불이는 자신의 몸에서 빛을 낸다. 이들은 자신의 배우자를 찾기 위해 아름다운 빛을 내는 것이다.   수컷은 하늘을 날아다닐 수 있어 공중에서 자신의 빛을 발하고 날지 못하는 암컷은 나뭇잎 위에서 빛을 내어 수컷을 유도하여 짝짓기를 하게 되는데 이렇게 반딧불이의 번식에 절대적으로 필요한 빛 역시 효소작용에 의해 얻어지는 것이다.       **효소는 어떻게 발견되었을까?   1700 년대 후반 위(胃) 분비물이 고기 덩어리를 분해한다는 것을 알게 된 이후 효소와 관련된 연구는 많은 관심을 가지고 계속되었는데 1850년대에 이르러 Louise Pastuer는 효모에 의한 알코올 발효가 어떤 발효물질에 의한 것이고 이 발효물질이 살아있는 효모자체와는 분리할 수 없는 것이라고 주장하였다.   그 이후 1897년에는 이러한 발효가 효모 추출물에 의해서도 가능하다는 것이 Eduard Buchner에 의해 알려지게 되었고, 그 후 독일인 Fredrick K hne에 의해 이러한 기능을 수행할 수 있는 분자에 대해 처음으로 효소(enzyme)이라는 이름이 붙여졌다.   그러나 효소가 과연 어떤 분자인가에 대해서는 아직 모르고 있었으나 1926년 urease라는 효소가 순수 분리되고 결정화(結晶化)됨으로서 효소연구에 획기적인 전기를 마련하게 되었다.   이 연구를 통하여 효소가 단백질이라는 사실이 밝혀지게 되었고 그 이후 1930년대에 들어와 펩신, 트립신, 그 이외의 여러 가지 소화 효소들을 이용한 실험을 통하여 이러한 사실이 더욱 더 뒷받침 되었다.   같은 시기 J.B.S. Haldane은 'Enzyme'이라는 논문을 통해 아직 효소의 분자적 성질은 잘 알려져 있지는 않으나 효소는 어떠한 기질과 약한 결합력에 의한 상호작용을 통하여 기질을 변화시켜 촉매작용을 하는 것이라고 발표하였는데 그의 이러한 통찰력은 효소 촉매작용을 이해하는데 있어 핵심적인 내용인 것이다.   대부분의 효소들은 단백질이다. 촉매작용을 하는 일부 RNA 분자들을 제외하고는 위에서 말한 것처럼 효소의 대부분은 단백질이다.   따라서 구성 단백질이 변성이 되거나 분해 된다면 이들의 촉매력은 상실된다. 다시 말해 효소를 구성하는 단백질의 구조가 매우 중요하다는 것이다.   효소의 크기는 매우 다양하며 일부 효소들은 철, 구리, 마그네슘과 같은 무기 이온 혹은 복합유기분자나 금속유기분자들을 그들의 효소활성을 위하여 필요로 하기도 한다. 또한 어떤 효소들은 활성을 나타내기 위하여 인산화, 당질화와 같은 변형이 요구되기도 한다.   효소는 기질에 대한 특이성을 가지고 있다. 효소는 무려 105에서 1017배 만큼이나 반응속도를 빠르게 할 수 있는 초강력 촉매제이다. 뿐만 아니라 이들은 기질에 대한 특이성이 매우 높아 원래의 기질과 아주 흡사한 모양의 기질을 구별해 낼 수 있는 능력을 지니고 있다. 따라서 특정 화학반응에 대해 특정한 효소가 작용하게 된다.   효소가 최대의 촉매력을 갖기 위해서는 최적의 조건이 필요하다. 단백질인 효소가 최대의 촉매력을 발휘하기 위해서는 가장 효율적인 구조를 유지해야하는데 단백질의 3차원적 구조는 약한 결합력들에 의하여 유지되고 있다. 따라서 만일 외부 환경에 의해 이러한 결합력이 파괴된다면 효소의 활성이 감소되거나 완전히 불활성화 될 수 있다.   예를 들면 너무 높거나 낮은 온도는 효소 활성에 안 좋은 영향을 미치는데 일반적으로 37 를 전후의 온도가 적정온도인 경우가 많다. 하지만 뜨거운 온천수에 사는 미생물들에서 얻어지는 효소들의 경우는 매우 높은 온도에서  최대의 활성을 보이기도 한다.   단백질은 아미노산으로 이루어져있고 특히 효소의 활성을 나타내는 부위의 아미노산들은 약산 혹은 약염기로서 작용하기 때문에 이들이 어떤 상태로 이온화 되어있는지는 곧 효소의 활성에 매우 중요하다.   또한 비록 효소의 촉매작용에 직접 관련된 활성 부위 이외의 아미노산들 역시 이들의 이온화 상태가 단백질의 구조를 유지하는데 매우 중요하다.   아미노산의 이온화 상태는 주변 환경의 산성도 즉 pH에 의해 영향을 받게 되므로 효소작용은 수소이온 농도에 의해서 조절 받을 수 있게 된다.   세포내의 pH는 중성을 나타내므로 많은 수의 효소들이 중성의 pH에서 가장 좋은 활성을 나타내지만 펩신과 같이 강산이 분비되는 위 속에서 작용하는 효소의 경우 pH2 정도의 강 산성조건에서 최대의 효소작용을 보인다.   효소 활성의 조절은 세포 대사의 조절을 의미한다. 생명체는 살아가는 동안 끊임없이 물질을 합성하고 분해하는 대사과정을 거치는데 이 모든 과정은 결국 일련의 효소들이 연속적이고도 복합적으로 작용하기 때문에 효소의 활성이 어떠한 이유에 의해서든지 억제된다는 것은 우리의 대사가 제어된다는 것을 의미한다.   세포내 대사산물은 경우에 따라 합성이 억제됨으로서 우리가 필요로 하는 만큼만 생산되기도 하고, 또한 외부의 신호나 자극에 대응하여 새로운 혹은 더 많은 양의 대사산물을 생산해 냄으로서 세포가 정상적으로 활동할 수 있다.   결국 효소의 적절한 활성조절이 세포의 기능에 절대적으로 중요하다. 만일 유전적인 요인이든 환경적인 요인이든 특정 효소의 손상은 우리에게 치명적인 질병을 가져다 줄 수 있다.       **우리는 효소를 생활 속에서 이용하며 살고 있다.   효소가 첨가된 세제 및 각종 효소가 첨가된 식품에서부터 질병의 진단과 치료에 이르기 까지 우리는 생활 속에서 이미 효소를 이용하고 있다. 따라서 효소는 더 이상 세포속의 촉매제가 아닌 거대한 시장을 가진 바이오산업의 중요한 한 부분을 차지하고 있다.   연간 우리나라의 효소시장의 규모가 수 백 억 원 이상을 형성한지도 매우 오래된 일인 것을 보면 얼마나 그 중요성을 알 수 있을 것이다. 현재까지 약 3,000 여종의 효소가 발견되고 연구되고 있는데 그 중 약 150 여 가지의 효소들이 산업적으로 응용이 가능한 것으로 알려지고 있다.   그 중에서 우리의 건강과 밀접한 의료용 효소의 응용에 대해 살펴보자. 의료용 효소를  적용하는 형태에 따라 나누어 보면 진단용과 치료용이 있을 수 있다.   오늘날의 의료행위는 보다 정확하고 신속한 임상 검사의 과정을 반드시 거치게 된다. 다양한 형태의 임상 검사 방법이 있을 수 있는데 그 중 생화학적 방법이 차지하는 비중이 큰데 특히 효소를 이용한 진단은 매우 중요하다.   고 순도이며 기질에 대한 특이성과 친화력이 높아야 하는 등 여러 가지 조건이 만족되어야 진단용으로 쓰일 수 있는 효소는 소변내 당의 농도를 측정하기 위한 glucose oxidase가 최초로 실용화되었으며 현재 혈청 콜레스테롤을 진단을 위한 콜레스테롤 에스터레이스, 심장 및 골격 이상 유무 진단을 위한 크레아틴 포스파테이스, 간기능검사를 위한 GPT, GOT등 수 많은 종류의 효소가 이용되고 있다.   간염 혹은 에이즈 바이러스의 감염 여부를 진단할 때 흔히 이용되는 면역학적 진단시약에도  효소가 이용하고 있다. 뿐 만 아니라 완벽한 진단 수단으로 자리 잡지는 못했으나 암 특이적 효소 활성의 측정을 통한 간접적인 암 진단에도 이용되고 있다.   치료용 혹은 의약품으로서의 효소 역시 광범위하다. 트립신, 파파인, 콜라게네이스과 같은 효소들은 소염제로서, 아밀레이스, 락테이스, 펩신, 리파제 등은 소화제로 이용된다.   낭포성섬유증(囊胞性纖維症, cystic fibrosis)는 흔히 발생하는 유전적 질환의 하나인데 대표적인 증상으로는 호흡기관내에 매우 끈적끈적한 점액을 생성하여 세균감염을 일으킨다. 이런 질병에 대한 치료를 위해 핵산분해효소인 DNase를 사용하는데 이 효소는 호흡기내 점도를 감소시킴으로서 치료효과를 보이며 현재 폐렴 및 만성 기관지염의 치료에도 응용되고 있다.   또한 superoxide dismutase를 이용한 산화적 스트레스에 의한 질환 치료도 시도되고 있다. 이 이외에도 많은 효소들이 우리의 건강을 위해 이용되고 있다.   효소란 결국 생체 내에서 일어나는 거의 모든 화학적 반응을 선택적으로 빠르게 해 주는 매우 신비스러운 단백질로서 우리가 생명을 유지하기 위한 각종 대사 작용이 원활하게 일어나도록 해 주는 매우 중요한 분자이다.   따라서 특정 효소가 제 기능을 수행하지 못하거나 부족하게 된다면 그 만큼 우리 몸이 정상적인 상태를 유지할 수 없어 경우에 따라서는 매우 심각한 질병을 일으킬 수 있다.   한편 효소들은 현재 순수하게 세포로부터 분리 정제되어 식품, 의약용등으로 광범위하게 이용되고 있는 산업적으로 유용한 대상이 되고 있다. 보다 좋은 활성을 지니고 보다 안정성 있는 효소의 개발은 우리 삶의 질을 높이고 보다 건강하게 만들 것이라고 생각된다.