효소의 핵심적인 생화학적 원리와 인체 내에서의 조절 기전, 그리고 임상적 중요성에 대한 종합적인 분석을 제공한다. 효소는 리보자임(ribozyme)을 제외하면 대부분 단백질로 구성된 생체 촉매로, 활성화 에너지를 낮춤으로써 반응 속도를 극적으로 증가시키는 역할을 한다. 효소는 반응 평형을 변화시키지 않으며 반응 과정에서 소모되지 않는다.
효소의 활성은 매우 정교하게 조절된다. 조절 기전은 크게 두 가지로 나뉜다. 단기 조절(Short-term regulation)은 이미 존재하는 효소의 활성을 질적으로 변화시키는 방식으로, 다른자리 입체성 조절(allosteric regulation), 인산화(phosphorylation)와 같은 공유결합 변형, 그리고 비활성 전구체(zymogen)를 활성화하는 단백질 분해 과정이 포함된다. 반면, 장기 조절(Long-term regulation)은 효소의 합성과 분해를 통해 그 양 자체를 조절하는 양적 방식이다.
효소는 의약품 개발과 임상 진단에서 핵심적인 역할을 수행한다. 대부분의 약물은 특정 효소의 기능을 억제하는 저해제(inhibitor)로 작용한다. 대표적으로 아스피린은 COX 효소를 억제하여 혈전 생성을 막고, 스타틴 계열 약물은 HMG-CoA 환원효소를 억제하여 콜레스테롤 합성을 차단한다. 또한, 특정 조직에 존재하는 효소나 동종효소(isoenzyme)의 혈중 농도 변화는 질병을 진단하는 중요한 바이오마커(biomarker)로 활용된다. 예를 들어, 간 손상 시 ALT 수치가 상승하고, 급성 심근경색 시 CK-MB 수치가 증가하는 것이 대표적인 사례이다.
1. 효소의 기본 원리
1.1. 효소의 정의와 기능
효소는 생물학적 반응을 촉매하는 특수 단백질이다. 극소수의 촉매성 RNA인 리보자임(Ribozyme)을 제외한 모든 효소는 단백질로 이루어져 있다.
- 촉매 기능: 효소는 화학 반응을 매개하면서 자신은 소모되지 않는다. 반응의 평형 상태를 바꾸지 않으며, 오직 평형에 도달하는 '속도'만을 증가시킨다. 이는 반응이 더 쉽고 빠르게 일어나도록 돕는 것을 의미하며, 최종 생성물의 양을 늘리는 것이 아니다.
- 활성 부위 (Active Site): 효소에는 기질(substrate)과 결합하여 촉매 작용이 일어나는 특정 부위인 활성 부위가 존재한다. 이 부위는 특정 화학 구조를 인식하여 높은 특이성을 보인다.
- 효율성: 효소는 반응 속도를 비약적으로 향상시킨다. 예를 들어, OMP 탈탄산효소(OMP decarboxylase)는 효소가 없을 때 반감기가 7,800만 년에 달하는 반응을 1초에 39개의 생성물을 만드는 수준으로 가속한다.
1.2. 열역학적 관점: 활성화 에너지와 결합 에너지
효소는 반응이 일어나기 위해 넘어야 하는 에너지 장벽인 활성화 에너지(Activation Energy, ΔG‡)를 낮춤으로써 반응 속도를 증가시킨다.
- 전이 상태 안정화: 효소는 기질이 생성물로 전환되는 과정에서 가장 불안정한 중간 상태인 전이 상태(transition state)를 안정화시킨다.
- 결합 에너지 (Binding Energy, ΔGB): 효소와 기질이 효소-기질 복합체(ES complex)를 형성할 때 발생하는 비공유결합(수소 결합, 이온 상호작용 등)에서 에너지가 방출된다. 이 결합 에너지는 활성화 에너지를 낮추는 데 사용되는 주된 에너지원이다.
- 유도 적합 모델 (Induced Fit Model): 과거에는 효소의 활성 부위가 기질 모양에 정확히 들어맞는다는 '자물쇠와 열쇠(Lock-and-key)' 모델이 제안되었으나, 현재는 효소가 기질 자체보다는 전이 상태에 가장 잘 맞는 구조를 형성한다는 유도 적합 모델이 더 정확한 설명으로 받아들여진다. 효소는 기질과 결합한 후 구조를 변화시켜 전이 상태 형성에 유리한 환경을 조성한다.
2. 효소의 분류
국제 생화학·분자생물학 연합(IUBMB)은 효소가 촉매하는 화학 반응의 종류에 따라 효소를 7개의 주요 그룹으로 분류하며, 각각에 고유한 EC 번호(Enzyme Commission number)를 부여한다.
| EC 번호 | 분류 | 주요 기능 및 예시 |
| EC 1 | 산화환원효소 (Oxidoreductases) | 전자의 이동을 촉매하는 산화-환원 반응을 매개한다. 탈수소효소(Dehydrogenase), 시토크롬 P450(CYP) 등이 포함된다. CYP는 주로 간에서 약물과 같은 외부 물질(xenobiotics)의 대사를 담당한다. |
| EC 2 | 전이효소 (Transferases) | 한 분자에서 다른 분자로 작용기(chemical group)를 옮긴다. 인산기를 옮기는 키나아제(Kinase), 아미노기를 옮기는 아미노기 전이효소(Aminotransferase) 등이 대표적이다. |
| EC 3 | 가수분해효소 (Hydrolases) | 물 분자를 첨가하여 화학 결합을 끊는 가수분해 반응을 촉매한다. 펩티다아제(Peptidase), 인산가수분해효소(Phosphatase) 등이 있으며, 대부분 비가역적이다. |
| EC 4 | 분해효소 (Lyases) | 가수분해나 산화 없이 결합을 끊거나(cleavage), 이중 결합을 만들거나 제거한다. 물을 사용하지 않는다는 점에서 가수분해효소와 구별된다. 탈탄산효소(Decarboxylase), 알돌레이스(Aldolase)가 여기에 속한다. |
| EC 5 | 이성질화효소 (Isomerases) | 단일 분자 내에서 원자 그룹의 위치를 재배열하여 이성질체를 형성한다. 뮤테이스(Mutase), 에피머레이스(Epimerase) 등이 있다. |
| EC 6 | 연결효소 (Ligases) | ATP와 같은 뉴클레오타이드 삼인산(NTP)의 가수분해와 연계하여 두 분자를 연결한다. 에너지가 필요하므로 비가역적이다. 신테테이스(Synthetase), 카복실레이스(Carboxylase)가 포함된다. |
| EC 7 | 위치이동효소 (Translocases) | 막을 가로질러 이온이나 분자의 이동을 촉매한다. 2018년에 새롭게 추가된 분류이다. Na+/K+ 펌프나 전자전달계의 효소들이 해당된다. |
3. 효소 반응의 보조 인자
많은 효소들은 촉매 활성을 위해 비단백질성 분자를 필요로 한다.
- 보조인자 (Cofactor): 효소 활성에 필요한 비단백질 물질로, 금속 이온(예: Mg²⁺, Fe²⁺)이나 작은 유기 분자를 포함한다.
- 조효소 (Coenzyme): 유기 분자 보조인자를 지칭하며, 대부분 비타민에서 유래한다. 비타민은 에너지원으로 사용되지는 않지만, 조효소 형태로 효소 반응에 필수적이다. (예: Biotin (B7), Cobalamin (B12))
- 효소의 형태:
- 아포효소 (Apoenzyme): 보조인자가 결합되지 않은 비활성 상태의 효소 단백질.
- 홀로효소 (Holoenzyme): 보조인자가 결합하여 완전한 활성을 갖는 형태.
- 공동기질 (Cosubstrate): 반응에 참여하여 상태가 변하지만 최종 생성물에는 포함되지 않는 기질. 예를 들어, ATP는 에너지를 제공하고 ADP로 변환되지만, 생성물에 편입되지 않고 반응에 필요한 에너지만 공급한다.
4. 효소 활성의 조절 기전
생명 현상을 유지하기 위해 효소의 활성은 정교하게 조절된다. 조절 방식은 작용 시간에 따라 단기 및 장기 조절로 나뉜다.
4.1. 단기 조절 (Short-Term Regulation)
이미 존재하는 효소의 활성 상태(status)를 직접 변화시키는 질적 조절 방식이다.
- 다른자리 입체성 조절 (Allosteric Regulation): 조절 물질(modulator)이 활성 부위가 아닌 다른 부위(regulatory site)에 결합하여 효소의 구조를 변화시키고, 결과적으로 활성을 증진(activation)시키거나 억제(inhibition)한다.
- 공유결합 변형 (Covalent Modification): 효소 단백질에 특정 화학 그룹을 공유결합으로 부착하거나 제거하여 활성을 조절한다.
- 인산화 (Phosphorylation): 가장 중요한 공유결합 변형 방식으로, 단백질의 '분자 스위치(molecular switch)' 역할을 한다.
- 키나아제 (Kinase): ATP를 사용하여 단백질에 인산기를 부착한다.
- 인산가수분해효소 (Phosphatase): 단백질에서 인산기를 제거한다.
- 인산화 여부에 따라 효소의 구조가 변하며, 이는 활성화(ON) 또는 비활성화(OFF)로 이어진다.
- 인산화 (Phosphorylation): 가장 중요한 공유결합 변형 방식으로, 단백질의 '분자 스위치(molecular switch)' 역할을 한다.
- 단백질 분해를 통한 활성화 (Activation by Proteolytic Cleavage): 비활성 전구체 형태인 자이모젠(Zymogen)으로 합성된 후, 특정 부위가 단백질 분해 효소에 의해 절단되면서 활성 형태로 전환된다.
- 사례: 소화 효소(트립시노겐 → 트립신), 혈액 응고 인자. 이 방식은 강력한 효소의 활성을 필요한 시간과 장소에서만 발현시켜 신체를 보호하는 안전장치 역할을 한다.
- 혈액 응고 캐스케이드 (Blood Coagulation Cascade): 다단계의 자이모젠 활성화 연쇄 반응으로, 신호를 증폭시키고 미세 조절(fine-tuning)을 가능하게 한다.
4.2. 장기 조절 (Long-Term Regulation)
효소의 양(amount) 자체를 조절하는 양적 방식이다. 유전자 발현을 통해 효소 단백질의 합성을 늘리거나, 유비퀴틴화(ubiquitination) 등을 통해 분해를 촉진하여 효소의 총량을 조절한다.
5. 효소 저해제와 임상적 응용
효소 저해제는 효소 촉매 반응의 속도를 감소시키는 물질로, 대부분의 약물은 이 원리를 기반으로 작용한다.
5.1. 저해제의 종류
- 가역적 저해제 (Reversible Inhibitors): 저해제가 제거되면 효소의 활성이 회복된다.
| 종류 | 결합 방식 | Vmax에 미치는 영향 | Km에 미치는 영향 |
| 경쟁적 (Competitive) | 활성 부위에서 기질과 경쟁 | 변화 없음 | 증가 |
| 불경쟁적 (Uncompetitive) | ES 복합체에만 결합 | 감소 | 감소 |
| 혼합형 (Mixed/Noncompetitive) | 효소(E) 또는 ES 복합체에 결합 | 감소 | 변화 (증가 또는 감소) |
- 비가역적 저해제 (Irreversible Inhibitors): 효소의 활성 부위에 공유결합을 형성하여 영구적으로 활성을 잃게 한다.
- 전이 상태 저해제 (Transition-State Inhibitors): 효소가 가장 강하게 결합하는 전이 상태와 유사한 구조를 가져 매우 강력하게 결합한다. 결합의 강력함 때문에 일부 교과서(Lehninger)는 비가역적으로, 결합 부위가 활성 부위라는 점 때문에 다른 교과서(Stryer)는 경쟁적 저해제(가역적)로 분류한다.
5.2. 의약품으로서의 효소 저해제
- 사례 1: 아스피린과 COX 효소 (Aspirin and COX Enzymes)
- 아스피린은 사이클로옥시게나제(COX-1)를 비가역적으로 억제한다.
- 유익한 효과: 혈소판 응집을 유도하는 트롬복산(Thromboxane) 생성을 차단하여 혈전 형성을 막고 심혈관 질환을 예방한다.
- 부작용: 위벽을 보호하는 프로스타글란딘(Prostaglandin)의 생성 또한 억제하여 위장 장애를 유발할 수 있다. 이는 약물의 선택적 저해가 얼마나 어려운지를 보여주는 사례이다.
- 사례 2: 스타틴과 콜레스테롤 합성 (Statins and Cholesterol Synthesis)
- 스타틴 계열 약물(예: Lipitor)은 콜레스테롤 합성의 속도 결정 단계(rate-limiting step)를 촉매하는 HMG-CoA 환원효소(HMG-CoA reductase)를 경쟁적으로 억제한다.
- 스타틴은 효소의 생성물인 메발로네이트(Mevalonate)와 구조가 유사하여 효소의 작동을 멈추게 하고, 이를 통해 체내 콜레스테롤 생성을 효과적으로 감소시켜 이상지질혈증(dyslipidemia) 치료에 사용된다.
6. 임상 진단에서의 효소 활용
6.1. 혈청 효소 바이오마커
특정 조직이나 세포에만 존재하는 효소는 조직 손상 시 혈액으로 유출된다. 혈청 내 효소 활성도를 측정함으로써 특정 장기의 손상 여부를 진단하는 데 도움을 받을 수 있다.
- Alanine aminotransferase (ALT): 간세포에 다량 존재하여, 바이러스성 간염 등으로 간세포가 손상되면 혈중 농도가 급격히 상승한다.
- Amylase, Lipase: 췌장에 특이적인 소화 효소로, 급성 췌장염 발생 시 혈중 수치가 증가한다.
6.2. 동종효소 (Isoenzymes)의 진단적 가치
동종효소는 동일한 반응을 촉매하지만 아미노산 서열이 달라 물리적 특성이 다른 효소들을 의미한다. 이들은 조직별 분포가 다르기 때문에 진단적 가치가 매우 높다.
- 크레아틴 키나아제 (Creatine Kinase, CK): 근육의 에너지 대사에 관여하며, 두 개의 소단위체(B-Brain, M-Muscle) 조합으로 3가지 동종효소가 존재한다.
| 동종효소 | 구성 | 주요 분포 조직 | 관련 질환 |
| CK-1 | BB | 뇌, 중추신경계 | 뇌 질환 |
| CK-2 | MB | 심장 근육 | 급성 심근경색 (AMI) |
| CK-3 | MM | 골격근 | 근육 질환 |
급성 심근경색(AMI) 환자의 경우, 심장 근육 세포가 괴사하면서 내부의 CK-MB가 혈액으로 방출된다. 따라서 혈중 총 CK 수치와 함께 CK-MB의 비율을 측정하면 심근경색을 특이적으로 진단하고 경과를 추적할 수 있다.
효소의 특성
- 반응의 촉매로 기능하지만(catalyze) 소모되지 않는다.
- 스스로 잘라내는 RNA인 ribozyme을 제외하고, 모두 단백질이다.
- substrate가 active site에 와서 붙으면 product가 되어 나간다.
- free energy of activation을 낮춰 반응 속도(reaction rate)를 높인다.
- substrate-product의 free energy 차이, 화학 평형에는 영향이 없다.
7가지 분류(Enzyme Commission)
1. oxido/reductase : 산화환원 과정을 매개한다.
2. transferase : chemical group을 옮긴다. ATP를 ADP로 만들고 substrate에 인산기를 붙이는 kinase가 대표적
3. hydrolase : 물의 -OH기를 substrate에 추가하는 가수분해를 매개한다.
4. lyase : 결합을 끊는다. synthase가 속한다.
5. isomerase : 같은 분자 내에서 이동한다.
6. ligase : 붙인다. pyruvate에 HCO3-를 붙이는 carboxylase, synthetase(에너지 필요한 비가역적 과정)가 속한다.
암기 : 신디사이저 가격이 비싸다 ~> synthetase, li'ga'se
7. translocase : 위치를 바꾼다.
보조하는 애들
- cofactor : 금속, coenzyme(비타민)이 있다. carboxylase 작용 과정에서 biotin이 coenzyme에 해당한다.
암기 : 칼을 바칠 / 12마리의 코알라가 / 리투아니아의 산을 건너 / 앞이 안 보이는 육지를 뚫고 왔다. ~> 칼바칠(carboxylation, 바이오틴, B7), 12코알라(B12, 코발라민, alkylation), 리투아니아 산(리보플라빈, B투, 산화환원), 아피육(아미노기 전이, 피리독신, B육)
- cosubstrate : carboxylase 작용 과정에서 ATP처럼, 효소 반응에 참여만 하는 기질
효소활성의 조절기전
- 반응물 농도 [S]가 높으면 초기 반응 속도가 빠르다. 단 이 속도는 V_max를 넘지 않는다.
* V_max가 작은 단계가 rate-limiting step이므로 이를 억제하면 억제 효과가 좋다.
- [S]가 높으면 최종적으로 [P]도 높다. (당연)
- V_0 = 0.5*V_max가 되도록 하는 [S]를 K_m이라고 한다.
암기 : 효소 사랑방에 들어가면 커플(substrate)이 부부(product)로 된다. 무한대의 커플이 들어간다고 즉시 무한대의 부부로 전환될 수는 없는데, 최대 속도의 상한이 V_max이고 이 속도의 절반을 주는 커플 농도가 K_m(커플 많이)이다. 커플을 부부로 맺어주는 최대 속도가 낮은 사랑방은 폭격에 취약하다.
regulation
- short term : 짧게 질을 바꾼다. enzyme을 활성화하거나 불활성화한다. allosteric regulation(modulator가 regulatory subunit에 붙어 catalytic subunit의 활성을 조절하는 것) covalent modification(대표적으로 phosphorylation이 있다. protein kinase로 인산기를 붙이고 protein phosphatase로 인산기를 떼어내어 단백질 활성을 편리하게 조절한다.) proteolytic cleavage(단백질 소화하는 alpha-chymotrypsin이나 trypsin / coagulation cascade는 위험하므로 최초에는 안전핀이 달린 수류탄과 같은 zymogen 형태로 전달한다. 이후 목표 지점에서 안전핀이 뽑힌다.) post-translational regulation(단백질이 만들어진 이후에 질적으로 조절하므로 short-term에 해당)
- long term : 길게 양을 바꾼다. enzyme을 합성하거나 부순다. ubiquitination transcriptaion translation
암기 : 유비쿼터스 시대, LTE(long term evolution) 모두 미래지향적 단어다.
억제제
- reversible : competitive(V_max가 감소하지 않음), uncompetitive(불경쟁, 얘는 ES complex가 만들어진 이후 결합한다.), noncompetitive(=mixed, 비경쟁)
암기 : 이 불언감(불안감)에서(ES) ~> 불경쟁, Un, ES complex 형성 이후 결합
- irreversible : transition-state inhibitor(가짜 substrate) / 카미카제마냥 자폭해서 효소의 구조를 아예 바꾼다.
PG 합성 억제
- 스테로이드 계열 항염증제는 PLA2를 억제하고, NSAID는 COX를 억제한다.
* NSAID-아스피린-COXi는 세트로 기억하기 (애 낳고)
콜레스테롤 biosynthesis
- rate-limiting step인 HMG-CoA reductase(이름 암기 : 혁명가-고아 환원효소)를 억제하면 좋다.
- statin 계열 약물은 HCR의 생산물인 mevalonate와 유사해서, HCR 활성을 억제한다.
* 콜레스테롤, 혁명가-고아 환원효소, statin 역시 세트로 기억하기 (콜레스테롤 혁명 start)
효소활성으로 질병진단
혈중 효소를 보고 질병을 의심할 수 있다. 대표적으로 급성 췌장염의 lipase와 amylase(둘 다 소화효소), 간염의 ALT, 전립선암의 acid phosphatase가 있다.
isoenzyme
- 대표적으로 Creatine Kinase가 있다. M form과 B form이 서로 다르게 조합된다. 정상인은 근육 유래의 CK-MM이 혈액에 가장 많다.
- 심장은 CK-MB가 많으므로 Acute Myocardial Infarction이 오면 혈중 CK-MB 수치가 높아진다.
리뷰
▪ Enzymes are powerful and highly specific catalysts
▪ With the exception of a few catalytic RNAs, all known enzymes are proteins. Many require nonprotein coenzymes or cofactors for their catalytic function
▪ Enzymes are classified according to the type of reaction they catalyze. All enzymes have formal EC numbers and names, and most have trivial names
▪ Enzymes do not alter reaction equilibria; rather, they increase the rate at which equilibrium is attained
▪ Enzymes accelerate reactions by facilitating the formation of the transition state
▪ The function of enzymes is to lower the activation energy for a reaction and thereby enhance the reaction rate
▪ A significant part of the energy used for enzymatic rate enhancement is derived from weak interactions between substrate and enzyme
▪ Reversible inhibition of an enzyme may be competitive, uncompetitive, or mixed
▪ The activity of an allosteric enzyme is adjusted by reversible binding of a specific modulator to a regulatory site
▪ Other regulatory enzymes are modulated by covalent modification of a specific functional group necessary for activity. The phosphorylation of specific amino acid residues is a particularly common way to regulate enzyme activity
▪ Many proteolytic enzymes are synthesized as inactive precursors called zymogens, which are activated by cleavage to release small peptide fragments
▪ Blood clotting is mediated by two interlinked regulatory cascades of proteolytically activated zymogens