본문내용
1. 식품에 존재하는 효소의 바람직한 이용 방법
1.1. 효소의 화학적 본체
효소의 화학적 본체는 단순 단백질에 속하는 것과 복합 단백질에 속하는 것이 있다. 단순 단백질에 속하는 효소는 단백질 분자 자체에 기질을 흡착하는 구조가 활성기로 존재한다. 복합 단백질에 속하는 효소는 단백질 부분과 비단백질 부분으로 구성되어 있는데, 이때 비단백질 부분을 보결분자단이라 부른다. 보결분자단에는 단백질에 단단히 결합되어 분리되기 어려운 것과 열에 안정한 투석성의 것이 있다. 전자의 경우 catalase나 cytochrome 등의 Fe-porphyrin과 같은 것이며, 후자의 주요한 것은 조효소로서 vitamin B군이 관여하는 prophnucleotide인 경우가 많다. 이 외에도 투석에 의해 쉽게 해리되는 금속이온을 보조인자로 가진 경우도 있다. 따라서 복합 단백질에 속하는 효소의 기질 특이성은 단백질 부분인 apoenzyme이 지배하고, 활성기는 보결분자단에 존재한다.
1.2. 효소의 작용
1.2.1. 효소 작용의 특이성
효소 작용의 특이성은 효소가 특정한 기질 또는 제한된 기질군에만 반응하는 성질을 의미한다. 효소는 기질 특이성을 가지고 있어 동일한 기질이라도 여러 가지 다른 효소가 작용하면 각각 다른 반응을 촉매한다.
효소의 기질 특이성은 효소 단백질의 표면 구조와 기질의 구조가 잘 일치해야 효소-기질 복합체를 형성할 수 있다는 "열쇠와 자물쇠" 관계에 기반한다. 효소와 기질의 입체 구조 및 화학적 특성이 잘 맞아야 효소-기질 복합체가 형성되어 효소 반응이 일어날 수 있다.
또한 효소는 하나의 특정 반응만을 촉매하는 작용 특이성을 나타내는데, 이는 효소의 활성 부위 구조가 해당 반응에 최적화되어 있기 때문이다. 즉, 효소는 기질 특이성과 작용 특이성이라는 두 가지 특이성을 가지고 있어 효소 반응의 선택성과 효율성을 높인다.
이처럼 효소의 특이성은 생물학적 반응의 선택성과 효율성을 제공하여 생명체의 대사 과정을 조절하고 유지하는데 매우 중요한 역할을 한다.
1.2.2. 효소 반응의 메커니즘
효소 반응의 메커니즘은 다음과 같다"
효소가 반응할 때 일단 기질과 결합하여 효소-기질 복합체를 만든다. 효소와 기질은 열쇠와 자물쇠의 관계에 있으며, 효소 단백질의 표면 구조와 기질의 형이 일치하지 않으면 효소-기질 복합체가 만들어지지 않는다. 일반 화학 반응에서는 반응물 A를 생성물 C로 변화시키기 위해 우선 가열하거나 압력을 높이는 등의 방법으로 활성화 화합물 B로 만들어야 한다. 하지만 효소가 존재할 경우 효소-기질 복합체가 만들어지면서 일반 화학 반응에서의 활성화 화합물 B에 상당하는 상태 B'로 전환된다. 이 B'는 일반 화학 반응의 경우보다 훨씬 적은 에너지로도 생성물 C로 전환될 수 있다.
즉, 효소 반응 A→B'→C는 일반 화학 반응 A→B→C에 비해 상당히 쉽게 진행한다. 효소-기질 복합체 형성 단계에서 효소의 활성 부위와 기질이 잘 결합하면서 B'와 같은 중간 상태가 형성되고, 이후 생성물 C로의 전환 과정이 용이해진다. 이처럼 효소는 기질과의 결합을 통해 활성화 화합물 B에 상당하는 중간 복합체 B'를 안정화시켜 전체 반응이 쉽게 진행되도록 한다.
1.2.3. 효소 활성의 단위
효소 활성의 단위는 효소 작용의 강도를 표시하는 것으로, 특정 조건하에서의 효소 활성 단위로 나타낸다. 국제 단위 체계(S.I.)에서 효소 활성은 mole s^(-1)로 표현되며, 그 추정된 명칭은 katal이다. 즉, 효소 활성 1 kat는 전환된 기질 1 mole s^(-1)을 의미한다. 십진법으로는 1 μ kat = 10^(-6) kat = 1 μ = 1 mole s^(-1)로 나타낸다.
한편, 문헌에서는 옛날 정의도 사용되는데, 효소 활성 1 단위(U)는 특정 조건하에서 1분 간당 1 μmole의 기질을 전환시키는 것을 말한다. 이처럼 효소 활성의 단위는 효소 작용의 강도를 나타내는 척도로, 기질의 전환 속도를 정량화하여 시험 시스템 내에서 기질의 전환 또는 생성물의 형성율을 측정할 수 있게 한다.
1.3. 효소 활성에 영향을 미치는 인자
1.3.1. 온도
효소 활성에 영향을 미치는 인자 중 온도에 대해서는 다음과 같다.
화학 반응의 속도는 일반적으로 온도의 상승에 따라 증대된다. 효소 반응도 이에 예외는 아니며, 원칙적으로는 이에 따르지만 온도가 어느 정도 이상으로 상승하면 단백질의 열에 의한 변성이 일어나고 반응 속도는 감소하게 된다. 이 때문에 온도 상승에 의한 반응 속도의 증대와 변성에 의한 감소의 두 가지 인자의 상호 관계에서 최대 반응 속도를 나타내는 온도가 있다. 이 온도를 최적 온도라고 한다.
대부분의 효소는 30~40℃의 온도 범위에서 최적 활성을 가지며 45~50℃에서는 시작하여 50℃이상에서는 열에 의한 불활성화가 신속히 일어난다. 효소의 열변성은 식품 공업에서 많이 이용되고 있는데, 식품 중의 효소는 보통 식품원료를 70℃ 또는 그 이상에서 수 분간 가열함으로써 불활성화 된다. 이 때 식품의 내부에까지 열이 침투되도록 하여야 되는데 변성이 일어나기 전에도 온도가 상승되므로 오히려 효소 활성이 증가하게 된다.
식품 보존에 있어서 원하지 않는 효소 활성이나 미생물 활동에 의하여 일어나는 변화를 방지하는 것은 대단히 중요하다. 예를 들면 Lactodase는 85℃로 13초간 가열하면 완전히 파괴되었으나 고온 단시간 살균의 조건하에서는 재생될 수 있다.
1.3.2. pH
효소 활성에 영향을 미치는 인자 중 하나인 pH에 대해서는 다음과 같다.
효소 작용은 반응이 일어나고 있는 용액의 pH에 의하여 크게 영향을 받는다. 효소의 본체는 단백질이므로 강산이나 강알칼리에 의하여 단백질이 변성되게 되면 불활성화가 된다. 그러나 활성을 나타내는 범위의 pH에 있어서도 단백질 표면의 amino기나 carboxyl기 등의 이온화의 상태는 pH에 따라 변화한다. 이 때문에 pH에 의하여 효소 표면의 구조가 변하며 어떤 pH에 있어서 기질과 가장 결합하기 쉬운 상태로 되어 최대의 반응 속도를 나타낸다. 이때의 pH를 최적 pH라고 한다. 모든 효소에는 작용 최적 pH가 있는데 보통 pH 4.5~8.0의 범위에 있다. 그러나 예외인 것으로 pepsin은 pH 1.8, arginase는 pH 10.0이 최적 조건이다. 또한 효소의 작용 최적 pH는 기질의 종류에 따라서 다를 수 있다. 따라서 실험실에서의 효소 반응이나 식품 공업에서 사용되는 대규모의 공업적인 효소 반응을 순조롭게 진행시키기 위해서는 pH의 조절이 매우 긴요하다.
1.3.3. 효소 농도
효소 농도는 효소 반응의 속도와 밀접한 관계가 있다. 일반적으로 효소 농도가 증가함에 따라 효소 반응 속도도 증가하는데, 이는 기질이 효소와 결합할 수 있는 기회가 많아지기 때문이다.
효소 반응에서 온도, pH 및 기질 농도가 일정할 때 효소 농도에 따른 효소 활성의 변화를 보면, 반응의 초기 단계에서는 효소 농도와 반응 속도가 직선적으로 변화한다. 이는 효소의 농도가 반응의 제한 요인이 되기 때문이다. 하지만 후기 단계에서는 효소 농도가 증가해도 반응 속도가 크게 증가하지 않는데, 이때는 기질 농도가 반응 속도를 제한하는 요인이 된다.
이처럼 효소 반응 속도는 효소 농도에 비례하지만, 일정 농도 이상에서는 포화 상태에 이르러 효소 농도의 증가가 더 이상 반응 속도를 높이지 못하게 된다. 따라서 효소 농도는 효소 반응 속도를 조절하는 중요한 요인 중 하나라고 볼 수 있다.
1.3.4. 기질농도
기질농도는 효소 반응 속도에 큰 영향을 미치는 요인이다. 기질의 농도가 낮을 경우 반응 속도가 기질 농도에 비례하여 증가하지만, 일정 농도 이상에서는 더 이상 반응 속도가 증가하지 않고 일정한 수준을 유지한다.
효소와 기질이 결합하여 효소-기질 복합체를 형성하는데, 기질 농도가 낮을 때는 효소의 활성 부위와 결합할 수 있는 기질의 수가 적어 반응 속도가 느리다. 하지만 기질 농도가 높아지면 효소의 모든 활성 부위가 기질과 결합하여 포화 상태에 이르게 되므로, 더 이상 반응 속도가 증가하지 않게 된다. 이때 효소의 최대 반응 속도인 Vmax에 도달하게 된다.
Michaelis와 Menten은 효소 반응에서 기질 농도와 반응 속도의 관계를 다음과 같은 식으로 표현하였다.
V = (Vmax * [S]) / (Km + [S])
여기서 V는 반응 속도, Vmax는 최대 반응 속도, [S]는 기질 농도, Km은 Michaelis 상수로 효소와 기질의 친화도를 나타낸다. Km값이 작을수록 효소와 기질의 친화도가 높다는 것을 의미한다.
이 식에 따르면 기질 농도가 낮을 때는 [S] << Km 이므로 V ≒ (Vmax * [S]) / Km으로 근사할 수 있다. 즉 반응 속도가 기질 농도에 비례하게 된다. 하지만 기질 농도가 높아져서 [S] >> Km 이 되면 V ≒ Vmax가 되어 더 이상 기질 농도가 증가해도 반응 속도가 증가하지 않는다.
이와 같은 기질 농도에 따른 효소 반응 속도의 변화는 효소 반응 속도를 최적화하고 조절하는데 중요한 역할을 한다. 식품 산업에서는 효소를 활용할 때 기질 농도를 적절히 조절하여 효소의 최대 활성을 이끌어내는 것이 중요하다.
1.3.5. 활성제
활성제는 효소의 촉매 작용을 증대시키는 물질이다. 효소 활성을 증진시키는 활성제에는 여러 종류가 있는데, 그 중요한 예로는 다음과 같다.
SH기를 가진 화합물, 즉 cysteine, glutathione 등은 papain, bromelain 등의 SH기를 활성 중심으로 하는 효소의 활성을 증진시킨다. 이 효소들은 공기 중의 산소나 산화제에 의해 불활성화되지만, SH화합물의 첨가로 다시 활성화된다. 또한 arginase는 Mn에 의해...
