생명과학 고3 생명활동과 에너지 심화

효소 반응 속도

기질 농도, pH, 온도 등이 효소 반응 속도에 미치는 영향과 억제제 작용을 분석한다.

기질 농도·온도·pH·저해제 같은 조건이 효소의 반응 속도를 어떻게 바꾸는지 다루는 분야입니다.

효소를 계산대 직원이라고 생각해 보세요. 손님(기질)이 적으면 손님이 올수록 처리량이 늘지만, 줄이 길어져 모든 직원이 쉴 틈 없이 일하는 순간부터는 손님을 더 데려와도 처리량이 늘지 않습니다. 그때부터는 직원 수(효소 농도)를 늘려야 합니다.

쉽게 말하면

효소 반응 속도의 그래프들은 각각 다른 이유로 그런 모양이 됩니다. 모양을 외우지 말고 이유를 붙잡아야 시험에서 조건이 바뀌어도 흔들리지 않습니다.

기질 농도를 올리면 처음에는 속도가 거의 비례해 커지다가, 어느 지점부터 완만해지고 결국 일정한 최대 속도에 수렴합니다. 기질이 적을 때는 효소의 활성 부위가 비어 있는 시간이 많아 기질을 더 넣을수록 만남이 잦아지지만, 기질이 아주 많아지면 모든 효소가 항상 기질을 붙잡고 있는 포화 상태가 됩니다. 이때 속도를 정하는 것은 기질이 아니라 효소가 기질 하나를 처리하는 데 걸리는 시간입니다. 그래서 효소 농도를 2배로 늘리면 최대 속도도 2배가 됩니다.

온도를 올리면 속도가 커지다가 최적 온도를 지나면 급격히 떨어져 종 모양이 됩니다. 앞쪽 상승은 분자 운동이 활발해져 충돌이 잦아지기 때문이고, 뒤쪽 추락은 효소 단백질이 변성되어 활성 부위가 무너지기 때문입니다. 두 구간의 원인이 전혀 다르다는 것이 핵심입니다. pH도 최적값을 벗어나면 활성 부위 아미노산의 전하 상태가 달라지고 심하면 변성되어 활성이 떨어집니다.

저해제는 두 가지로 나뉩니다. 경쟁적 저해제는 기질과 모양이 비슷해 활성 부위를 차지하므로 기질 특이성 덕분에 작동합니다. 기질을 아주 많이 넣으면 저해제가 밀려나 최대 속도를 회복할 수 있습니다. 비경쟁적 저해제는 다른 자리에 붙어 효소의 모양을 비틀어 놓으므로 기질을 아무리 넣어도 회복되지 않습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

기질을 계속 넣어도 속도가 늘지 않는 순간

일정량의 효소에 기질을 계속 추가하면 어느 순간부터 반응 속도가 평평해집니다. 이때 '효소가 부족해졌다'고 표현하면 정확합니다. 여기서 효소를 더 넣으면 속도가 다시 올라가고, 새로운 더 높은 최대 속도에서 다시 평평해집니다.
예시 2

온도 그래프에서 왼쪽과 오른쪽이 대칭이 아닌 이유

최적 온도 아래쪽에서는 온도를 낮추면 느려지지만, 다시 온도를 올리면 활성이 되돌아옵니다. 반면 최적 온도 위로 크게 올라간 뒤 다시 식히면 활성이 돌아오지 않습니다. 변성은 되돌릴 수 없는 구조의 파괴이기 때문입니다. 그래서 그래프 오른쪽이 훨씬 가파르게 떨어집니다.
예시 3

펩신과 트립신의 최적 pH가 다른 이유

위에서 작용하는 펩신은 강한 산성에서, 소장에서 작용하는 트립신은 약한 염기성에서 활성이 가장 큽니다. 효소마다 활성 부위를 이루는 아미노산이 다르고, 그 아미노산들이 제 전하를 띠는 pH가 다르기 때문입니다. '효소는 중성에서 잘 작동한다'는 일반화가 통하지 않는 대표적인 예입니다.

순서대로 하면

효소 반응 속도 그래프 해석하는 순서

1가로축이 무엇인지 먼저 봅니다. 기질 농도인지, 효소 농도인지, 온도인지, 시간인지에 따라 그래프의 의미가 완전히 달라집니다.
2세로축이 '반응 속도'인지 '생성물의 총량'인지 확인합니다. 총량 그래프는 기질이 다 떨어지면 평평해지지만, 속도 그래프의 평평함은 포화를 뜻합니다.
3평평해지는 구간을 만나면 '무엇이 부족해서 더 못 빨라지는가'를 묻습니다. 기질 농도 축이면 효소가 한계, 효소 농도 축이면 기질이 한계입니다.
4저해제가 있다면 기질을 크게 늘렸을 때 원래 최대 속도로 돌아오는지를 봅니다. 돌아오면 경쟁적, 돌아오지 않으면 비경쟁적입니다.