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대사와 효소
온도를 올리면 반응이 계속 빨라질까요? 화학에서는 그렇습니다. 그런데 효소는 어느 지점부터 거꾸로 느려집니다 — 단백질이 열에 풀려버리기 때문입니다. 온도 슬라이더를 55°C 까지 올려 보세요. 25°C 와 속도가 거의 같습니다.
실시간 측정값
- 반응 속도 v
- —
- 이 온도의 Vmax
- —
- 살아있는 효소
- —
- 기질 포화도
- —
- 최적 온도
- —
열에 풀리지 않는다면
- 실제 속도
- —
- 변성이 없다면
- —
온도를 올리면 어떻게 되나
회색 점선은 단백질이 열에 안 풀린다면 어떨지를 그린 것입니다 — 끝까지 올라갑니다. 화학 시간에 배운 그대로이고, 학생 대부분이 머릿속에 그리는 선입니다. 빨간 실선이 실제 효소인데, 45°C 에서 꺾여 곤두박질칩니다. 두 선이 갈라지는 폭이 곧 변성으로 잃어버린 속도입니다.
두 힘이 반대로 당긴다
빨라지려는 힘과 망가지려는 힘의 곱입니다.
v = kcat · A(T) · f(T) · [E] · [S] ÷ (Km + [S]) | A(T) = e(Ea/R)(1/298 − 1/T) | f(T) = 1 ÷ (1 + e(T−50)/3)
A(T) 는 온도가 오를수록 커집니다 — 분자가 빨리 움직여 더 자주 부딪히니까요. f(T) 는 아직 안 풀린 효소의 비율이라 온도가 오를수록 작아집니다. 둘을 곱하면 중간 어딘가에서 최댓값이 생기고, 그 지점이 최적 온도입니다. 여기서는 45.4°C 입니다.
더 알아보기
화학 반응은 온도를 올리면 끝까지 빨라집니다. 대략 10°C 마다 두 배씩 빨라진다는 경험칙이 있을 정도입니다. 분자가 빠르게 움직여 충돌이 잦아지고, 넘어야 할 에너지 언덕을 넘는 분자도 많아지기 때문입니다. 효소도 이 효과를 그대로 갖고 있습니다 — 45°C 까지는 정확히 그렇게 빨라집니다.
그런데 효소는 단백질입니다. 단백질은 실이 접혀 만들어진 입체 구조이고, 그 모양이 정확해야 기질이 딱 들어맞습니다. 열은 이 접힘을 풀어버립니다. 한 번 풀린 효소는 기질을 붙잡지 못하고, 대부분 다시 접히지도 않습니다. 달걀 흰자가 익으면 다시 투명해지지 않는 것과 같은 일입니다.
최적 온도는 두 곡선이 만나는 타협점입니다. 빨라지려는 힘과 망가지려는 힘의 곱이 최대가 되는 지점이라, 절반이 변성되는 온도(50°C)보다 항상 낮습니다. 여기서는 45.4°C 입니다. 이 균형점은 생물마다 다릅니다 — 온천에 사는 세균의 효소는 80°C 에서도 멀쩡합니다.
기질을 아무리 넣어도 한계가 있습니다. 효소 하나가 한 번에 처리할 수 있는 양이 정해져 있어서, 기질이 넘치면 효소가 전부 "작업 중" 상태가 됩니다. 그때 속도가 Vmax 입니다. 반대로 효소를 두 배 넣으면 속도도 정확히 두 배가 됩니다 — 일하는 사람이 늘어난 것이니까요. 기질과 효소가 전혀 다르게 작동하는 이유입니다.
이 원리가 실제로 쓰입니다. 코로나 검사에 쓰인 PCR 은 DNA 를 95°C 로 가열하는 과정이 있는데, 보통 효소라면 즉시 죽습니다. 그래서 온천 세균에서 뽑은 열에 강한 효소를 씁니다. 김치가 냉장고에서 천천히 익는 것, 열이 나면 몸이 축 처지는 것, 세제에 효소가 들어가도 뜨거운 물에 빨면 효과가 떨어지는 것 — 전부 같은 두 곡선의 이야기입니다.