안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
효소가 36.5도 정도의 비교적 낮은 체온에서도 화학 반응을 빠르게 진행시키는 이유는 반응에 필요한 활성화 에너지를 획기적으로 낮추어 주기 때문입니다. 화학 반응이 일어나려면 반응물이 충분한 에너지를 얻어 높고 험난한 에너지 장벽을 넘어야 합니다. 하지만 효소는 자신의 활성 부위에 기질을 결합시켜 효소-기질 복합체를 형성한 뒤, 전이 상태의 에너지를 화학적으로 안정화시켜 기질 내부의 화학 결합에 변형을 가해 잘 깨지도록 만들거나 반응에 필요한 에너지 장벽을 크게 낮춥니다. 그 결과 별도의 높은 열에너지 없이도 체온 수준의 미세한 에너지로 대다수의 기질 분자가 반응 장벽을 손쉽게 넘어 생성물로 전환될 수 있습니다.
효소가 인체 내 수많은 화합물 중 오직 특정 기질하고만 반응하는 기질 특이성은 효소 단백질이 가지는 정교한 3차원 입체 구조에 기인합니다. 단백질을 구성하는 긴 아미노산 사슬이 복잡하게 접히면서 형성되는 활성 부위는 특정 기질 분자와 정확히 맞물릴 수 있는 고유한 화학적 환경을 갖춥니다. 이러한 입체적 형태와 화학적 상호작용 조건이 완벽히 부합하는 특정 기질만이 효소와 결합하여 촉매 반응을 진행할 수 있습니다.
반면 효소가 일정 온도 이상에서 촉매 기능을 잃고 파괴되는 열 변성' 단백질의 3차원 입체 구조를 지탱하는 결합의 물리적 특성 때문입니다. 단백질의 골격을 이루는 아미노산 사슬 자체는 단단한 공유 결합으로 유지되지만, 이를 입체적으로 접히게 하여 고유한 활성 부위를 만드는 힘은 수소 결합이나 이온 결합처럼 상대적으로 약한 비공유 결합들에 의존합니다. 온도가 상승하면 분자 내부의 열운동과 진동이 점차 격렬해지는데, 체온 범위를 넘어서는 고온에 이르면 이 강력한 진동 에너지를 견디지 못하고 구조를 지탱하던 약한 비공유 결합들이 한꺼번에 끊어지게 됩니다. 그 결과 효소 특유의 3차원 입체 구조가 풀리고 활성 부위가 찌그러지는 비가역적 변형이 일어나며, 형태를 잃은 활성 부위는 더 이상 기질을 인지하거나 결합할 수 없게 되어 촉매 능력을 완전히 상실하게 됩니다.