효소: 우리 몸을 움직이는 분자 기계

1897년, 튀빙겐 대학교의 한 실험실에서 에두아르트 부흐너는 살아 있는 효모 세포를 석영 모래와 나무 공이로 갈아 세포가 터질 때까지 으깬 뒤, 그 부서진 덩어리를 천에 걸러 옅은 색의, 세포가 없는 즙을 받아냈다. 그 액체 속에는 살아 있는 것이 아무것도 없었다. 모든 효모 세포가 산산조각이 나 있었다. 그런데도 부흐너가 그 즙에 설탕을 넣자 발효가 시작되었고, 살아 있는 효모 집단이 그랬을 법한 그대로 그 설탕을 알코올로 바꾸어 놓았다.

이것은 본래 불가능한 일로 여겨졌다. 19세기 대부분의 시기 동안 발효는 죽은 화학으로는 결코 재현할 수 없는, 생명만의 본질적인 속성인 "생명력"의 증거로 떠받들어졌다. 그 생각은 1828년에 이미 한 차례 타격을 입었는데, 프리드리히 뵐러가 살아 있는 신장이 만들어내는 화합물인 요소를 비커 속 무기염으로부터 합성해냈을 때였고, 부흐너의 세포 없는 즙이 두 번째 타격을 가했다. 알고 보니 생명의 화학은 그저 화학이었으며, 그 분자들을 만든 세포가 죽은 뒤에도 계속 작동하는 분자들에 의해 굴러가고 있었다. 그 분자들이 바로 효소였고, 이 글은 겉으로는 단순해 보이는 질문에 답한다. 효소는 정확히 무슨 일을 하며, 어떻게 가만히 두면 수백 년이 걸렸을 화학 반응을 해내는가?

아무 비용도 들이지 않고 아무것도 바꾸지 않는 촉매

효소는 단백질 촉매이며, 이 표현은 보기보다 훨씬 무거운 의미를 담고 있다. 촉매는 자신은 소모되지 않으면서, 그리고 반응이 다다르는 최종 균형점을 바꾸지 않으면서 화학 반응의 속도를 높인다. 효소는 들어갔을 때와 정확히 같은 상태로 다시 나와, 다음 분자를 붙잡아 같은 일을 1초에 수천 번, 수백만 번 거듭할 수 있다.

결정적으로 효소는 반응의 평형을 바꾸지 않는다. 다시 말해 모든 것이 안정된 뒤에 최종적으로 얻게 되는 생성물의 양을 바꾸지는 않는다. 어떤 반응이 저절로 진행될 경우 출발 물질의 10퍼센트를 결국 생성물로 바꾼다면, 효소가 있어도 여전히 10퍼센트가 만들어진다. 효소가 바꾸는 것은 시간이다. 효소는 완결되기까지 수년 혹은 수백만 년이 걸릴 수도 있는 반응을 단 몇 밀리초 만에 끌고 간다. 그 수치는 놀랍다. 전형적인 효소는 촉매가 없을 때의 속도에 비해 자신의 반응을 10의 6제곱에서 10의 17제곱 사이의 배수로 가속하는데, 그래서 그렇지 않았다면 우주의 나이보다 오래 걸렸을 과정이 눈 깜짝할 사이보다 빠르게 일어날 수 있다.

모든 반응이 넘어야 하는 언덕

효소가 어떻게 이 일을 해내는지 이해하려면, 모든 화학 반응이 가로질러야 하는 지형을 떠올려 보라. 에너지를 방출하며 "일어나고 싶어 하는" 반응조차 하나의 장애물에 부딪힌다. 반응물 분자들은 안락한 저에너지 골짜기에 머물러 있고, 생성물로 재배열되기 전에 먼저 에너지 장벽을, 화학자들이 활성화 에너지라 부르고 Ea로 줄여 쓰는 정상을 넘어야 한다. 그곳에 다다르려면 분자들이 휘고 늘어나며 뒤틀려, 전이 상태라 불리는 변형되고 불안정한 배열로 변해야 하는데, 이는 언덕의 바로 그 꼭대기에서 한순간만 존재하는 형태다.

그 언덕의 높이가 바로 대부분의 생물학적 반응을 체온에서 견딜 수 없을 만큼 느리게 만드는 요인이다. 흔한 오해 하나는 효소가 분자들을 꼭대기 너머로 밀어 올리기 위해 에너지를 더해주는 식으로 작동한다는 것인데, 실제로 일어나는 일은 그것이 아니다. 효소는 언덕을 평평하게 만들거나 여분의 에너지를 퍼붓지 않는다. 대신 그 변형된 전이 상태에 결합하여 안정시킴으로써, 정상에 다다르는 데 필요한 에너지를 낮추어 그 언덕을 가로지르는 다른, 더 낮은 길을 깎아낸다. 기질은 여전히 자신의 골짜기에서 출발하고 생성물은 여전히 다음 골짜기에서 끝나며, 에너지 차이는 전과 똑같지만, 효소가 더 완만한 고갯길을 내어준다. 그리고 높은 장벽보다 낮은 장벽을 넘을 만한 에너지를 가진 분자가 훨씬 많기 때문에, 반응 속도는 몇 자릿수씩 치솟는다.

활성 부위 안쪽, 그리고 스스로 모양을 바꾸는 장갑

이 모든 촉매 작용은 놀랄 만큼 작은 곳에서 일어난다. 수백 개의 아미노산 사슬이 정교한 3차원 모양으로 접힌 효소 덩어리의 대부분은, 단 하나의 작은 영역을 떠받치고 자리 잡게 하기 위해 존재한다. 그 영역은 단백질 표면의 주머니인 활성 부위로, 기질(효소가 작용하는 특정 분자)이 결합하고 촉매 작용이 일어나는 곳이다. 이 주머니는 단 하나의 특정 기질을 알아보고 그 전이 상태를 감싸 안도록 절묘하게 빚어지고, 전하를 띠며, 화학적으로 조율되어 있다. 그래서 알맞은 분자만 미끄러져 들어와 꼭 맞는 방향으로 붙들리는 한편, 세포라는 붐비는 수프 속의 다른 모든 분자는 배제된다. 이 특이성 덕분에 우리 세포는 혼란 없이 동시에 수천 가지의 서로 다른 반응을 굴릴 수 있다.

기질은 자신의 주머니에 얼마나 꼭 맞을까? 첫 번째 대답은 1894년 에밀 피셔에게서 나왔는데, 그는 자물쇠-열쇠 모형을 제안했다. 기질은 열쇠가 자물쇠에 맞듯, 서로 들어맞도록 깎인 상보적인 모양으로 활성 부위에 딱딱하고 배타적으로 맞아 들어간다는 것이다. 우아한 그림이지만 완전히 옳지는 않았다. 1958년, 대니얼 코슈랜드는 이를 유도 적합 모형으로 다듬었는데, 여기서 활성 부위는 단단한 공동이 아니라, 두 분자가 만날 때 기질을 중심으로 스스로 모양을 바꾸는 유연한 구조다. 마치 동전을 받아들이는 홈이 아니라 손에 맞추어 형태를 잡아가는 장갑처럼 말이다. 그 결합 과정 자체가 효소를 더 빈틈없고 촉매적으로 효과적인 포옹으로 구부려, 기질을 그 전이 상태 쪽으로 변형시킨다. 훗날 X선 결정학은 실제로 일어나는 일이 유도 적합임을 확인했고, 자물쇠-열쇠 모형은 더 단순한 역사적 모형으로만 살아남았다.

촉매 작용을 수치로 세기: 미카엘리스-멘텐 곡선

효소는 단지 정성적인 기계가 아니다. 그 거동은 정밀한 수학을 따른다. 1913년, 레오노어 미카엘리스와 모드 멘텐은 한 세기가 지난 지금도 이 분야를 떠받치는 속도론 방정식을 발표했는데, 이는 반응 속도 v를 [S]로 표기되는 기질 농도와 관계 짓는다.

v = (Vmax · [S]) / (Km + [S])

이 방정식이 그리는 모양은 쌍곡선이다. 낮은 기질 농도에서는 반응 속도가 가파르게 올라가는데, 비어 있는 활성 부위가 넉넉해서 기질을 더 넣으면 그만큼 더 많은 활성 부위가 일을 하기 때문이다. 그러나 기질이 풍부해지면 곡선은 평탄해져 고원을 이루는데, 일단 모든 활성 부위가 차서 가능한 한 빠르게 일하고 있으면 기질을 더 넣어도 속도를 높일 수 없기 때문이다. 그 천장이 최대 속도인 Vmax다.

이 방정식 안에는 생화학에서 가장 유용한 상수 가운데 하나인 Km, 즉 미카엘리스 상수가 묻혀 있는데, 이는 반응이 최대 속도의 정확히 절반으로 진행되는 기질 농도로 정의된다. 실질적으로 Km은 효소가 자신의 기질을 얼마나 단단히 붙잡는지를 측정한다. 낮은 Km은 기질이 부족할 때조차 효소가 절반 속도에 도달함을 뜻하며 높은 친화도를 가리키고, 높은 Km은 효소가 작동하려면 기질이 넉넉해야 함을 뜻한다.

효소의 이름 붙이기, 그리고 효소가 없으면 일할 수 없는 동반자들

수만 가지의 효소가 모든 생명에 걸쳐 퍼져 있다 보니, 생화학자들에게는 이를 정리할 체계가 필요했다. 모든 효소는 자신이 촉매하는 반응에 따라 이름 붙은 여섯 개의 큰 부류 가운데 하나로 분류된다. 전자를 옮기는 산화환원효소, 화학 작용기를 분자 사이에서 실어 나르는 전이효소, 물을 써서 결합을 끊는 가수분해효소, 물 없이 결합을 끊거나 만드는 분해효소, 분자의 구조를 재배열하는 이성질화효소, 그리고 에너지를 써서 두 분자를 잇는 연결효소다. 국제 생화학 연합은 1961년 이 체계를 공식화하면서, 각 효소에 네 자리 EC 코드(효소 위원회를 뜻하는 Enzyme Commission)를 부여했는데, 이는 부류에서 하위 부류로, 다시 하위 하위 부류로, 마지막 일련번호로 좁혀 들어가는 우편 주소처럼 읽힌다. 락테이스는 EC 3.2.1.108이라는 코드를 가지며, 맨 앞의 3이 그것을 가수분해효소로 표시한다.

많은 효소는 단백질만으로는 자기 일을 할 수 없다. 촉매 기구를 완성하려면 단백질이 아닌 동반자가 필요하다. 어떤 때 그 동반자는 보조 인자라 불리는 금속 이온인데, 아연이나 마그네슘, 철 같은 것으로, 자신의 전하를 빌려주어 기질을 붙잡거나 전자를 실어 나른다. 또 어떤 때는 보조 효소라 불리는 작은 유기 분자로, NAD+, FAD, 보조 효소 A 등이 여기에 속하며, 이들은 반응 사이에서 화학 작용기나 전자를 실어 나르는, 떼었다 붙였다 할 수 있는 운반체로 작동한다. 여기서 효소의 화학은 우리 식단에까지 곧장 닿는데, 대부분의 보조 효소가 비타민으로부터 만들어지고, 우리 몸은 비타민을 스스로 합성할 수 없어 음식에서 얻어야 하기 때문이다. 비타민이 그토록 적은 양으로도 그렇게 중요한 이유가 바로 이것이다. 단 한 가지 비타민의 결핍이 그것이 만들어내는 보조 효소에 의존하는 효소 반응의 한 부류 전체를 무력화하며, 이것이 괴혈병에서 각기병에 이르는 결핍병이 근본적으로는 효소가 망가져 생긴 병인 까닭이다.

효소가 어떻게 느려지고 부서지는가

반응의 속도를 높일 수 있다면 늦출 수도 있는데, 효소에 결합하여 그 활성을 줄이는 분자를 저해제라 부른다. 세 가지 큰 양상이 중요하다. 경쟁적 저해에서는 저해제가 기질과 충분히 닮아 활성 부위를 두고 경쟁하면서 문을 막아 진짜 기질이 들어오지 못하게 한다. 비경쟁적 저해에서는 저해제가 별개의 다른 자리, 즉 알로스테릭 부위에 결합하여 멀리서 효소의 모양을 일그러뜨려 활성 부위가 더는 작동하지 못하게 한다. 반경쟁적 저해에서는 저해제가 오직 기질이 자리 잡은 뒤에만 결합한다. 이것은 학문적 분류에 그치지 않는데, 거의 모든 주요 약물 부류가 이 양상 가운데 하나를 이용하기 때문이다. 콜레스테롤을 낮추는 스타틴은 콜레스테롤 합성 경로에 있는 한 효소의 경쟁적 저해제이고, 고혈압 치료에 쓰이는 ACE 억제제는 혈관 수축을 조절하는 한 효소를 막는다.

저해는 되돌릴 수 있는 간섭이지만, 효소는 아예 파괴될 수도 있다. 모든 효소에는 가장 잘 작동하는 온도와 pH가 있는데, 이는 그 세포가 평소 겪는 조건을 반영하는 최적값이다. 사람의 효소는 대략 체온과, 자신이 머무는 구획의 산성도에 맞추어 조율되어 있다. 효소를 그 한계 너머로 밀어붙이면 되돌릴 수 없는 일이 벌어진다. 단백질을 정확한 3차원 접힘으로 붙들고 있던 약한 결합들의 그물이 무너지고, 구조가 풀리며, 활성 부위가 주저앉고, 촉매 작용이 멈춘다. 이렇게 모양과 기능을 잃는 것을 변성이라 부르며, 어느 부엌에서든 그것이 일어나는 모습을 볼 수 있다. 달걀을 깨뜨려 뜨거운 팬에 넣으면 단백질이 변성되면서 투명한 흰자가 불투명하고 단단하게 변하는데, 접혀 있던 사슬들이 풀려 무질서한 고체로 뒤엉키며, 아무리 식혀도 되돌릴 수 없다. 고열이 위험한 것도 똑같은 물리 때문이다. 우리의 효소는 그것이 진화해 온 조건에서 그리 멀리 벗어나면 살아남지 못한다.

입 안에서부터 지난 만 년까지

두 가지 일상적인 예가 이 모든 추상적인 속도론을 우리 자신의 생물학에 단단히 붙들어 맨다. 첫 번째는 침 아밀레이스인데, 음식이 입에 들어오는 순간 녹말을 소화하기 시작한다. 밋밋한 크래커를 혀에 충분히 오래 물고 있으면, 그것이 은은하게 단맛으로 변하는 것을 맛볼 수 있다. 삼키기도 전에 아밀레이스가 맛없는 녹말 사슬을 달콤한 당으로 잘라내는 감각이다.

두 번째는 우유의 당인 락토스를 소화하는 효소, 락테이스다. 대부분의 포유류는 젖을 뗀 뒤 락테이스 생산을 멈추며, 인류 역사의 대부분 동안 성인은 우유를 소화하지 못했다. 그러나 성인이 되어서도 락테이스를 계속 생산하는 능력, 즉 락테이스 지속성은 하나의 유전적 변화로 생겨났고, 낙농을 받아들인 집단들 사이로 빠르게 퍼져 나갔다. 대략 지난 만 년 사이에 이 형질은 유럽 대부분과 아프리카 일부를 휩쓸었는데, 이는 우리 조상이 길렀던 동물의 젖을 마신다는 단순한 이점이 이끈, 진행 중인 인류 진화의 교과서적인 사례다.

핵심 요약

효소는 생물학적 반응의 활성화 에너지를 낮추는 단백질 촉매로, 자신은 소모되지 않고 반응의 평형도 옮기지 않으면서 반응을 10의 6제곱에서 10의 17제곱 배만큼 가속한다. 효소는 활성 부위라 불리는 정교하게 조율된 주머니 안에서 변형된 전이 상태를 안정시킴으로써 작동하는데, 이 주머니는 1894년 에밀 피셔가 제안한 딱딱한 자물쇠-열쇠 방식이 아니라 유도 적합을 통해 자신의 특정 기질을 중심으로 스스로 모양을 바꾼다. 그 거동은 1913년의 미카엘리스-멘텐 방정식으로 포착되며, Km은 최대 속도의 절반에 해당하는 기질 농도를 나타내고, 모든 효소는 1961년의 여섯 부류 EC 체계로 이름 붙는다. 많은 효소는 금속 보조 인자나 비타민에서 유래한 보조 효소에 의존하는데, 비타민 결핍이 반응의 한 부류 전체를 무력화하는 이유가 바로 이것이다. 이들을 경쟁적으로, 비경쟁적으로, 혹은 반경쟁적으로 막는 저해제는 대부분의 현대 약물을 떠받친다. 그리고 어떤 효소든 그 온도나 pH 최적값 너머로 밀어붙이면 변성되는데, 이는 달걀 흰자가 불투명해질 때 보이는 바로 그 풀림이다. 크래커를 달게 만드는 아밀레이스에서, 일부 성인이 우유를 소화할 수 있게 해주는 락테이스 지속성에 이르기까지, 부흐너의 생명 없는 1897년 효모 즙에서 우리 자신의 물질대사로 이어지는 선은 하나이며 같다. 생명의 화학은 화학이고, 우리가 더는 생각하지 않게 된 뒤로도 오래도록 계속 일하는 분자 기계들에 의해 굴러간다.