물질대사와 효소 — 효소가 하는 일

약국에서 산 과산화수소수는 병에 담긴 채로 몇 달이 지나도 거의 그대로입니다. 그런데 거기에 감자 조각을 하나 넣으면 곧바로 거품이 쏟아집니다. 온도를 올린 것도 아니고 다른 물질을 섞은 것도 아닙니다. 감자 세포 안에 들어 있던 효소 하나가 더해졌을 뿐입니다.

물질대사는 두 갈래입니다

세포 안에서 일어나는 모든 화학 반응을 묶어 물질대사라고 합니다. 방향으로 보면 두 갈래입니다.

• 동화 작용 — 작은 분자를 큰 분자로 만듭니다. 에너지를 흡수합니다. 광합성, 단백질 합성이 여기 듭니다.
• 이화 작용 — 큰 분자를 작은 분자로 쪼갭니다. 에너지를 방출합니다. 세포 호흡, 소화가 여기 듭니다.

두 갈래 모두 체온에서, 그것도 세포가 필요로 하는 순간에만 일어나야 합니다. 그 까다로운 조건을 맞춰 주는 것이 효소입니다.

효소는 활성화 에너지를 낮춥니다

저절로 일어날 수 있는 반응이라도 시작하려면 언덕 하나를 넘어야 합니다. 그 언덕의 높이가 활성화 에너지입니다. 과산화수소가 병 속에서 얌전한 것은 분해되지 않아서가 아니라, 상온에서 그 언덕을 넘는 분자가 거의 없어서입니다.

실험실이라면 가열해서 넘깁니다. 세포는 그럴 수 없습니다. 온도를 올리면 제 단백질부터 망가지니까요. 그래서 세포는 언덕을 낮추는 쪽을 택했습니다. 효소가 하는 일이 바로 그것입니다. 같은 체온에서도 언덕을 넘는 분자가 크게 늘어나 반응이 빨라집니다.

여기서 반드시 붙잡아야 할 것이 있습니다. 효소는 봉우리의 높이만 낮춥니다. 반응물과 생성물의 에너지 차이는 그대로여서, 그 반응이 발열인지 흡열인지도 최종적으로 나오는 에너지의 양도 달라지지 않습니다. 빨라질 뿐입니다. 게다가 효소는 반응이 끝나면 원래 모습 그대로 떨어져 나와 다음 기질을 맞습니다. 아주 적은 양으로 수많은 반응을 돕는 것이 그래서입니다.

아무 반응이나 돕지 않습니다

효소에는 활성 부위라는 홈이 있습니다. 그 홈에 입체적으로 꼭 맞는 물질만 결합할 수 있고, 그렇게 결합하는 상대를 기질이라고 합니다. 기질이 홈에 들어가 효소·기질 복합체가 되면 반응이 일어나고, 생성물이 떨어져 나가면 효소는 처음 모습으로 돌아갑니다.

홈의 모양이 정해져 있으니 상대도 정해집니다. 아밀레이스는 녹말만, 카탈레이스는 과산화수소만 다룹니다. 이것이 기질 특이성입니다.

효소는 단백질입니다. 입체 구조가 곧 홈의 모양이라, 구조가 흐트러지면 기질이 더 이상 맞지 않습니다. 이 흐트러짐을 변성이라고 합니다.

• 온도 — 온도를 올리면 분자가 활발해져 반응이 빨라지다가, 최적 온도를 넘는 순간 급격히 느려집니다. 효소가 변성되기 때문입니다. 변성은 되돌아가지 않습니다. 삶은 달걀이 식는다고 날달걀로 돌아가지 않는 것과 같습니다.
• pH — 효소마다 가장 잘 작동하는 pH 가 따로 있습니다. 위에서 일하는 펩신은 강한 산성에서, 소장에서 일하는 트립신은 약한 염기성에서 가장 활발합니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 에너지 그래프에 효소가 있을 때와 없을 때의 곡선을 주고 활성화 에너지를 짚게 하기. 반응물의 높이에서 봉우리까지입니다.
• 그 그래프에서 무엇이 같고 무엇이 다른지 묻기. 반응물과 생성물의 에너지 차이는 같고, 봉우리의 높이만 다릅니다.
• 동화 작용과 이화 작용 가려내기. 광합성·단백질 합성은 동화, 세포 호흡·소화는 이화입니다.
• 온도에 따른 반응 속도 그래프의 모양 설명하기. 최적 온도까지 오르다가 그 뒤로 급히 떨어집니다.
• 효소를 더 넣으면 생성물의 양이 늘어나는지 묻기. 늘지 않습니다. 같은 양에 이르는 시간이 짧아질 뿐입니다.

자주 헷갈리는 것

• "효소가 있으면 에너지가 더 많이 나온다" — 아닙니다. 낮아지는 것은 활성화 에너지뿐이고, 반응물과 생성물의 에너지 차이는 효소가 있든 없든 같습니다.
• "효소는 반응에 쓰여 없어진다" — 반응이 끝나면 원래 모습으로 떨어져 나와 다시 쓰입니다. 그래서 적은 양으로 충분합니다.
• "온도가 높을수록 반응이 빠르다" — 최적 온도까지만 그렇습니다. 그 위에서는 변성되어 오히려 느려지고, 다시 식혀도 돌아오지 않습니다.
• "효소 하나가 여러 반응을 두루 돕는다" — 한 효소는 활성 부위에 맞는 정해진 기질만 다룹니다.

정리합니다. 물질대사는 세포 안에서 일어나는 모든 화학 반응이고, 동화 작용과 이화 작용 두 갈래입니다. 효소는 그 반응의 활성화 에너지를 낮춰 체온에서도 빠르게 일어나게 합니다. 반응물과 생성물의 에너지 차이는 건드리지 않고, 활성 부위에 맞는 기질만 골라 다루며, 반응 뒤에는 그대로 남아 다시 쓰입니다.