일반적으로 화학반응에서 반응물질 외에 미량의 촉매는 반응속도를 증가시키는 역할을 한다. 생물체 내에서 일어나는 화학반응도 촉매에 의해 속도가 빨라진다. 특별히 생물체 내에서 이러한 촉매의 역할을 하는 것을 효소라고 부르며 단백질로 이루어져 있다.
단백질로 이루어져 있기 때문에 무기촉매와는 달리 온도나 pH(수소이온농도) 등 환경 요인에 의하여 기능이 크게 영향을 받는다. 즉, 모든 효소는 특정한 온도 범위 내에서 가장 활발하게 작용한다. 대개의 효소는 온도가 35∼45℃에서 활성이 가장 크다. 하지만 온도가 그 범위를 넘어서면, 오히려 활성이 떨어진다. 온도가 올라가면 일반적으로 화학반응 속도가 커지고 효소의 촉매작용도 커지지만, 온도가 일정 범위를 넘으면 효소의 단백질 분자구조가 변형을 일으켜 촉매기능이 떨어지기 때문이다. 또한 효소는 pH가 일정 범위를 넘어도 기능이 급격히 떨어진다. 효소작용은 특정 구조를 유지하고 있을 때에만 나타나는데, 단백질의 구조가 그 주변 용액의 pH의 변화에 따라 달라지기 때문이다.
효소는 아무 반응이나 비선택적으로 촉매하는 것은 아니다. 한 가지 효소는 한 가지 반응만을, 또는 극히 유사한 몇 가지 반응만을 선택적으로 촉매하는 기질특이성(基質特異性)을 가지고 있다. 기질이란 효소에 의하여 반응속도가 커지게 되는 물질, 즉 효소에 의하여 촉매작용을 받는 물질을 말한다. 효소에 기질특이성이 있는 것은 효소와 기질이 마치 자물쇠와 열쇠의 관계처럼 공간적 입체구조가 꼭 들어맞는 것끼리 결합하여, 그 결과 기질이 화학반응을 일으키기 때문이라고 설명하는 이론이 있다.
효소 가운데 비교적 잘 알려져 있는 것이 소화효소(消化酵素)인데, 가령 침 속에 있는 프티알린(ptyalin)은 녹말만을 말토오스(일명 맥아당)로 분해하는 촉매작용을 한다. 위 속의 펩신(pepsin)은 단백질만을 부분 가수분해하는 기능을 가지고 있다. 여기서 프티알린은 분자의 입체구조가 녹말 분자와 꼭 들어맞는 구조를 하고 있어서 녹말만을 분해하는 것이며, 펩신은 단백질 분자와 꼭 들어맞는 구조를 하고 있어서 위와 같은 기질특이성이 생기는 것이라고 해석된다.
효소가 화학반응 속도를 빠르게 하는 것은 일반 무기화학 반응에서 촉매의 작용 메커니즘과 마찬가지로 활성화(活性化)에너지를 낮추기 때문이다. 즉, 반응에 참여할 수 있는 분자의 수가 늘어나게 되어 생성물질이 만들어지는 속도가 빨라지는 것이다. 이는 무기화학 반응에서 온도가 높아지면 반응분자들이 열을 흡수하여 운동에너지가 커져서 활성화에너지 이상의 에너지를 가진 분자의 수가 많아지고 이로 인해 반응속도가 커지는 것과 같은 원리이다.
효소는 기질특이성을 가지고 있으므로 기질의 종류만큼 효소의 종류도 많다. 그래서 가령 A라는 물질이 B로 될 때는 그에 대한 효소 α가 있게 되고, B가 다시 C로 될 때는 또 이에 대한 효소 β가 있게 된다. 생물체 내에 존재하는 유기화합물의 종류는 수없이 많고, 또 이 많은 화합물들이 여러 가지 반응에 참여하므로 생물체 내에 존재하는 효소의 종류도 헤아릴 수 없이 많다. 이 많은 효소들을 구별하기 위하여 각 효소에 명칭을 붙이는데, 대체로 그 효소가 작용하는 기질의 명칭의 어미를 -아제(-ase)로 바꾸어 명명한다. 예를 들면, 말토오스(maltose:맥아당)를 분해하여 포도당으로 만드는 효소는 기질인 말토오스의 어미를 고쳐 말타아제(maltase)로 한다. 또 때로는 효소가 관여하는 반응의 종류를 표시하면서 어미를 역시 -아제로 바꾸어 부르기도 한다. 예를 들어 수소이탈반응(dehydrogenation)에 관여하는 효소는 수소이탈효소(dehydrogenase)라고 부른다. 이 경우는 기질의 이름을 앞에 붙여 어떤 물질의 수소이탈 반응을 촉진시키는 효소인가를 분명히 한다. 예를 들어 숙신산의 수소이탈반응을 촉진시키는 효소는 숙신산 수소이탈효소(succinic acid dehydrogenase)라고 부르는 것과 같다.
효소의 명칭에 이러한 법칙성을 정한 것은 효소들이 많이 발견되면서 비롯된 것이고, 초기에 몇몇 효소들이 하나씩 발견되었을 때는 이러한 법칙성이 없이 명명되었다. 프티알린 ·펩신 등은 이처럼 초기에 명명된 이름들이다. 생체내 물질대사가 깊이 연구됨에 따라 수없이 많은 효소들이 발견되었기 때문에 학자들은 효소가 촉매하는 반응의 화학적 종류에 따라 효소를 6군으로 크게 나눈다.
이 6군의 각 군은 다시 몇 가지로 세분화되고, 또 각각을 세분하는 식으로 4단계로 분류한다. 또 각 군에 1, 2, 3 …의 번호를 붙이고, 각 분류단계마다 마찬가지로 번호를 붙여 한 가지 효소는 4개의 숫자로 된 번호를 가지게 된다. 각 단계의 번호는 연달아 쓰되, 각 번호 사이에 점을 찍도록 되어 있다. 가령 펩신의 번호는 3, 4, 4, 1로서 제3군에 속하고, 3군이 다시 세분된 것 중의 4군에 속하는 식으로 표시된다.
가장 상위 분류인 6군은 다음과 같다.
① 제1군 산화환원효소(酸化還元酵素): 산화환원 반응에 관여하는 모든 효소들을 포함한다.
② 제2군 전이효소(轉移酵素): 어떤 분자에서 기능기(機能基:화학반응에 동시에 관여하는 몇 개의 원자의 집단)를 떼어내어 다른 분자에 옮겨주는 효소들을 포함한다.
③ 제3군 가수분해효소(加水分解酵素): 고분자(高分子:분자량이 큰 유기화합물 분자)를 가수분해하여 저분자(低分子)로 하는 효소들을 포함한다. 가수분해는 물분자를 첨가하여 큰 분자를 쪼개는 반응이다.
④ 제4군 리아제(lyase): 기질로부터 가수분해에 의하지 않고 어떤 기(基:몇 개의 원자들의 집단)를 떼어내어 기질분자에 이중결합(二重結合)을 남기거나 또는 이중결합에 어떤 기를 붙여주는 효소들을 포함한다.
⑤ 제5군 이성질화효소(異性質化酵素): 기질 분자의 분자식은 변화시키지 않고 다만 그 분자구조를 바꾸는 데에 관여하는 모든 효소들을 포함한다.
⑥ 제6군 리가아제(ligase): 합성효소(合成酵素)라고도 부르는 것으로, ATP(아데노신삼인산)라는 물질 또는 이와 유사한 물질로부터 인산기(燐酸基)를 떼어내면서 그 때 방출되는 에너지를 이용하여 어떤 두 물질을 결부시키는 효소들을 총칭한다.
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