효소의 저해제와 보조 인자

핵심 정리

효소는 반응 속도를 높이며, 효소의 활성을 낮추는 물질을 저해제라고 한다. 저해제가 존재하면 효소 반응 속도가 느려진다. 저해제를 구분할 때에는 효소의 어느 부위에 결합하는지, 기질 농도를 높였을 때 저해 효과가 어떻게 달라지는지, 최대 반응 속도가 변하는지를 함께 살핀다. 이 세 질문을 구별하면 저해 곡선이나 효소-기질 복합체 자료를 해석하는 기준을 세울 수 있다.

경쟁적 저해제는 효소의 활성 부위에 기질과 경쟁적으로 결합한다. 기질과 저해제가 같은 부위를 놓고 경쟁하므로, 기질 농도가 같을 때에는 기질과 결합한 효소의 비율이 낮아질 수 있다. 기질 농도가 높아지면 기질이 활성 부위에 결합할 가능성이 커져 저해 효과가 줄어든다. 경쟁적 저해제는 기질과 활성 부위를 두고 경쟁하며, 기질 농도가 높아지면 저해 효과가 줄어든다. 경쟁적 저해제의 존재만으로 최대 반응 속도가 낮아지는 것은 아니다.

비경쟁적 저해제는 활성 부위가 아닌 다른 부위에 결합해 효소의 작용을 저해한다. 이 저해제가 있으면 최대 반응 속도가 감소한다. 비경쟁적 저해제는 효소의 활성 부위가 아닌 다른 자리에 결합하여 최대 반응 속도를 낮춘다. 비경쟁적 저해제는 효소-기질 복합체의 형성을 줄일 수 있다.

보조 인자는 효소의 활성을 돕는 비단백질 성분이다. 보조 인자와 결합한 효소는 반응을 촉진하며, 보조 인자는 활성화 에너지를 낮춘다. 보조 인자를 필요로 하는 효소에서 단백질 부분은 주효소이며, 주효소와 보조 인자가 함께 작용하는 상태를 고려해야 한다. 주효소는 단백질 부분이고 보조 인자는 열에 의해 활성이 달라지지 않는다. 주효소와 보조 인자가 모두 열처리되면 효소 활성이 나타나지 않는다.

자세히

효소 반응에서는 기질이 효소에 결합해 효소-기질 복합체를 이루고, 이어 생성물이 만들어진다. 반응 속도는 일정한 시간 동안 생성물이 만들어지는 양이나 기질이 줄어드는 양으로 나타낼 수 있다. 저해제는 이 과정에 끼어들어 효소의 작용을 방해한다. 문제에서 저해제의 종류를 판별할 때에는 단지 반응 속도가 낮아졌다는 사실만 보아서는 부족하다. 저해제가 결합하는 부위와 기질 농도 변화에 따른 속도의 변화를 따로 확인해야 한다. 기질이 적을 때와 많을 때의 반응 속도를 비교한 그래프라면, 곡선의 초기 높이뿐 아니라 기질 농도를 높였을 때의 변화와 도달하는 최대 반응 속도를 함께 읽는다.

경쟁적 저해제는 기질과 같은 활성 부위를 이용하려고 한다. 따라서 효소의 활성 부위에 기질이 결합할지 저해제가 결합할지가 경쟁 관계가 된다. 기질 농도가 동일한 조건끼리 비교하면 저해제가 있는 쪽에서 기질과 결합한 효소의 비율이 낮을 수 있다. 이때 효소가 사라진 것이 아니라 활성 부위에 기질 대신 저해제가 결합한 효소가 생긴 것으로 해석한다. 기질 농도를 높이면 기질이 저해제보다 활성 부위에 결합할 기회를 더 많이 얻으므로 저해 효과는 줄어든다. 그러므로 경쟁적 저해를 나타내는 자료에서는 기질 농도가 커질수록 반응 속도가 증가하고, 충분히 높은 기질 농도에서는 저해 효과가 줄어드는 방향을 찾는다. 최대 반응 속도가 변하지 않는다는 성질도 경쟁적 저해를 구별하는 단서다.

비경쟁적 저해제는 활성 부위가 아닌 다른 자리에 결합한다. 기질과 같은 자리를 두고 경쟁하지 않으므로, 기질의 양을 늘리는 것만으로 저해제의 결합을 밀어내는 방식으로 설명할 수 없다. 이 저해제는 효소의 작용을 저해해 최대 반응 속도를 낮춘다. 그래프에서 높은 기질 농도에서도 저해제가 없는 경우와 같은 최대 반응 속도에 이르지 못한다면 비경쟁적 저해를 고려할 수 있다. 다만 그래프의 곡선에 Ⅰ, Ⅱ와 같은 표지가 붙어 있을 때는 표지 자체가 저해 유형을 뜻한다고 단정하지 않는다. 각 곡선이 어떤 조건의 결과인지 먼저 확인하고, 최대 반응 속도와 기질 농도에 따른 변화를 근거로 대응시킨다.

이 비교에서 핵심은 결합 부위와 그래프의 결과를 함께 맞추는 것이다. 활성 부위에 결합하는지 묻는 문장과 기질 농도를 높였을 때의 효과를 묻는 문장은 서로 연결되지만, 같은 표현을 되풀이하는 것은 아니다. 기질 농도가 같은 두 조건을 비교하면 효소-기질 복합체의 양이나 기질과 결합한 효소의 비율을 판단할 수 있다. 반대로 기질 농도가 서로 다르면 단순히 복합체 양만 비교해서 저해 유형을 정하기 어렵다. 조건표에서 효소의 총량, 기질 농도, 저해제의 유무를 확인한 뒤 같은 조건끼리 대조해야 한다. 효소와 기질이 결합하지 않은 효소의 수를 묻는 자료라면 총 효소 수에서 기질과 결합한 효소의 수가 차지하는 관계를 파악하되, 제시된 농도 조건을 혼동하지 않는다.

효소 반응 속도 그래프는 대개 기질 농도를 변화시키며 초기 반응 속도를 비교하도록 제시된다. 초기 반응 속도는 반응이 진행되는 동안 기질이 감소하고 생성물이 쌓여 조건이 달라지는 영향을 줄여 비교하기 위한 것이다. 그래프에서 기질 농도가 증가하는 구간은 기질과 효소가 만날 기회가 많아지는 상황으로 읽는다. 곡선이 높은 기질 농도에서 가까워지는 값은 그 조건에서의 최대 반응 속도를 비교하는 데 이용한다. 경쟁적 저해에서는 기질을 늘려 저해 효과가 줄어들지만, 비경쟁적 저해에서는 최대 반응 속도 자체가 낮아진다. 따라서 낮은 기질 농도에서의 속도만 비교해 저해제를 판정하지 말고, 높은 기질 농도에서 곡선이 어디에 이르는지 살핀다.