효소 반응 속도의 요인

감자를 갈아 만든 즙을 과산화 수소수에 넣으면 카탈레이스라는 효소가 과산화 수소를 분해해 산소 거품이 난다. 같은 양의 감자즙과 과산화 수소수를 여러 온도에서 섞어 1분 동안 나온 산소를 모았더니, 10 °C에서 12 mL, 20 °C에서 20 mL, 30 °C에서 30 mL, 40 °C에서 34 mL로 늘다가 50 °C에서는 18 mL, 60 °C에서는 4 mL로 뚝 떨어졌다. 보통의 화학 반응은 온도가 오를수록 계속 빨라지는데, 효소 반응은 왜 다를까?

1.8.1두 가지 효과가 겹친다

효소는 단백질로 된 생체 촉매이다. 효소에는 기질이 꼭 맞게 들어가는 활성 부위가 있어, 기질이 결합하면 반응이 빠르게 일어난다. 온도가 오르면 분자들이 빨리 움직여 효소와 기질이 더 자주 만나므로 반응이 빨라진다. 그런데 효소는 수많은 약한 결합으로 접힌 입체 구조를 가지고 있어서, 온도가 너무 높으면 이 결합이 끊어져 모양이 풀린다. 이것을 변성이라 한다. 활성 부위의 모양이 바뀐 효소는 기질과 결합하지 못한다.

그림 1에서 40 °C까지는 온도를 10 °C 올릴 때마다 1.1배에서 1.7배씩 빨라진다. 이 구간에서도 높은 온도로 갈수록 늘어나는 비율이 줄어드는데, 일부 효소가 이미 변성되기 시작하기 때문이다. 50 °C를 넘으면 변성되는 효소가 늘어나는 효과가 분자 운동의 효과를 넘어서 반응이 급격히 느려진다. 한번 변성된 효소는 식혀도 대부분 원래 모양으로 돌아가지 않는다.¹

1.8.2공정하게 재기

온도의 효과를 보려면 감자즙과 과산화 수소수를 각각 그 온도의 물중탕에 먼저 담가 같은 온도로 만든 뒤 섞는다. 섞은 뒤에 데우면 데워지는 동안의 반응까지 섞여 결과가 흐려진다. 감자즙의 양, 과산화 수소의 농도, 용액의 pH, 산소를 모으는 시간을 모두 같게 한다. 효소 반응은 시간이 지나면 기질이 줄어 느려지므로, 처음 1분처럼 같은 구간의 산소량으로 비교한다. 효소를 넣지 않은 과산화 수소수도 같은 온도에서 재어, 효소 없이 저절로 분해되는 양을 빼 준다.

1.8.3예제 풀이

10 °C에서 20 °C로 \(20/12 \approx 1.7\)배 빨라졌고, 40 °C에서 50 °C로는 \(18/34 \approx 0.53\)배로 느려졌다. 낮은 온도에서는 분자 운동의 효과가, 높은 온도에서는 변성의 효과가 크다.

60 °C에서 10분 동안 효소 대부분이 변성되었다면, 30 °C로 식혀도 원래 모양으로 돌아가지 않는다. 그래서 30 °C의 원래 값 30 mL가 아니라 60 °C에서 살아남은 효소만큼, 곧 4 mL 남짓에 해당하는 적은 양만 나올 것이다. 이 결과는 효소가 높은 온도에서 일시적으로 느려진 것이 아니라 구조가 망가졌다는 증거가 된다. 즉 효소 반응의 온도 의존성은 분자 운동으로 빨라지는 효과와 변성으로 느려지는 효과가 겹쳐 최적 온도를 만든다.

아래 탐구 카드에서 온도와 pH를 하나씩 바꾸며 카탈레이스 반응의 속도를 재고, 최적 조건을 찾아보자.

1. 온천에 사는 세균의 효소는 70 °C가 넘어도 변성되지 않는다. PCR에 쓰는 Taq 중합 효소가 그 예로, 미국 옐로스톤 국립 공원의 온천 세균에서 얻었다. 그래서 DNA를 95 °C로 가열하는 과정을 되풀이해도 효소를 새로 넣지 않아도 된다.