효소와 온도 — 감자를 삶으면 왜 갈변이 멈출까

감자를 깎아 도마 위에 두면 몇 분 만에 자른 면이 갈색으로 변합니다. 사과도 그렇습니다. 그런데 삶은 감자는 한나절을 두어도 색이 그대로입니다. 같은 감자인데 무엇이 달라졌을까요. 답은 효소와 온도의 관계에 있습니다.

갈변은 효소가 일으킵니다

감자와 사과의 세포에는 갈변을 일으키는 산화 효소가 들어 있습니다. 평소에는 이 효소와 그 기질이 세포 안에서 따로 떨어져 있습니다. 칼로 자르면 세포가 터지면서 둘이 섞이고, 공기 속의 산소까지 닿습니다. 효소가 기질을 산소와 반응시켜 갈색 물질을 만드는 것, 이것이 갈변입니다.

효소는 단백질입니다. 기질이 들어가 앉는 활성 부위의 모양은 단백질의 입체 구조가 정합니다. 감자를 삶으면 이 구조가 열에 풀어져 활성 부위의 모양이 망가집니다. 이것을 변성이라고 합니다. 기질과 산소가 그대로 있어도 효소가 기질을 붙잡지 못하니 갈변은 일어나지 않습니다.

온도와 반응 속도 — 한쪽으로 기운 산

온도를 조금씩 올리며 효소의 반응 속도를 재면 한쪽으로 기운 산 모양의 그래프가 나옵니다. 오르막과 내리막은 서로 다른 이유로 생깁니다.

오르막은 분자 운동 때문입니다. 온도가 높을수록 효소와 기질이 활발하게 움직여 더 자주 부딪치고, 효소·기질 복합체가 더 자주 만들어집니다. 그래서 반응이 빨라집니다. 반응 속도가 가장 큰 온도가 최적 온도입니다. 사람 몸속의 효소는 대부분 체온 부근에서 가장 활발합니다.

내리막은 변성 때문입니다. 최적 온도를 넘으면 분자 운동은 더 활발해지지만, 효소의 입체 구조가 풀리기 시작합니다. 일할 수 있는 효소의 수가 줄어드니 반응 속도가 떨어집니다. 오르막은 완만하고 내리막은 가파릅니다. 변성은 좁은 온도 범위에서 한꺼번에 일어나기 때문입니다.

저온과 고온은 다릅니다

그래프의 양 끝에서는 둘 다 반응이 느립니다. 그러나 효소가 처한 사정은 전혀 다릅니다.

• 저온: 효소의 구조는 그대로입니다. 분자 운동이 둔해 기질과 덜 만날 뿐입니다. 온도를 최적 온도로 올리면 반응 속도가 다시 커집니다.
• 고온: 효소의 구조가 망가졌습니다. 온도를 최적 온도로 낮추어도 반응 속도는 돌아오지 않습니다.

부엌에서도 이 차이가 보입니다. 깎은 감자를 냉장고에 넣으면 갈변이 느려질 뿐 멈추지는 않고, 꺼내 두면 다시 빨라집니다. 삶은 감자는 식은 뒤에도 갈변하지 않습니다. 채소를 얼리기 전에 끓는 물에 잠깐 데치는 것도 같은 이유입니다. 효소를 미리 변성시켜 두면 보관하는 동안 색과 맛이 덜 변합니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 온도와 반응 속도 그래프에서 최적 온도 찾기. 반응 속도가 가장 큰 온도입니다.
• 최적 온도보다 낮은 구간. 온도가 오를수록 반응 속도 증가. 까닭은 효소와 기질의 충돌이 잦아지기 때문입니다.
• 최적 온도보다 높은 구간. 온도가 오를수록 반응 속도 감소. 까닭은 효소의 변성입니다.
• 저온에 두었던 효소를 최적 온도로 옮기면 반응 속도 회복. 고온에 두었던 효소를 최적 온도로 옮기면 회복되지 않습니다.
• 온도가 달라도 기질의 양이 같으면 최종 생성물의 양은 같습니다. 달라지는 것은 그 양에 이르는 시간입니다. 다만 효소가 모두 변성된 온도에서는 반응이 중간에 멈춥니다.
• 시험관을 여러 온도의 물에 담그고 생성물의 양을 재는 실험. 온도만 달리하고 효소의 양·기질의 양·pH 는 같게 맞춥니다.

자주 헷갈리는 것

• "온도가 높을수록 효소가 잘 작동한다" — 최적 온도까지만 그렇습니다. 그 위에서는 변성이 충돌의 효과를 이겨 오히려 느려집니다.
• "저온에서도 효소가 변성된다" — 변성되지 않습니다. 구조는 그대로이고 느려질 뿐이어서, 온도를 올리면 다시 일합니다. 냉장고가 음식을 영원히 지켜 주지 못하는 까닭입니다.
• "변성된 효소는 식히면 돌아온다" — 돌아오지 않습니다. 삶은 달걀이 식어도 날달걀이 되지 않는 것과 같습니다.
• "최적 온도는 모든 효소가 같다" — 효소마다 다릅니다. 사람의 효소는 체온 부근이지만, 뜨거운 온천에 사는 세균의 효소는 훨씬 높은 온도에서 가장 활발합니다.

정리합니다. 감자의 갈변은 효소가 일으키고, 삶으면 그 효소가 변성되어 멈춥니다. 온도가 오르면 충돌이 잦아져 반응이 빨라지다가, 최적 온도를 넘으면 변성 때문에 급격히 느려집니다. 저온의 효소는 온도를 올리면 다시 일하지만, 고온에서 변성된 효소는 되돌아오지 않습니다.