생명체를 유지시키는 대부분의 생화학 반응은 효소에 의해 이루어진다. 예를 들어 다당류인 전분의 분해, 이당류인 유당의 분해 및 포도당을 세포 안으로 받아들이는 등 많은 일을 효소가 수행하며 DNA, RNA 및 단백질의 합성도 효소에 의해 이루어진다. 또한 그 과정, TCA 회로, 아미노산 합성 등 세포 내에서 일어나는 각종 생화학 반응마다 효소가 작용한다. 효소는 단백질의 일종으로 반응을 일으키는 촉매제 역할을 한다.
의학 및 산업적으로 활용되는 효소의 종류 Typees of enzy meused inmedicine and industry 효소는 의학이나 산업분야에 폭넓게 응용되고 있으며 모두 동식물이나 미생물 등의 생체에서 얻어진다.◆단백질가수분해효소
단백질분해효소는 탄박질을 작은 펩타이드 단위로 가수분해하는 데 사용된다. 단백질 분해효소는 효소시장 전체의 60%를 차지하고 있어 공업적으로 중요하다. 공업적으로 생산되는 단백질 분해효소는 박테리아(예: Bacillus), 곰팡이(예: Aspergillus, Rhizopus), 동물의 췌장, 그리고 식물에서 나온다. 단백질 분해효소는 치즈 제조(rennet), 제빵, 유연화(파파인, 트립신), 주류 제조(트립신, 펩신 등 식품 공정과 단백질 얼룩 제거, 가죽 무두질 등에 사용되고 있다.
◆ 지질분해효소
Lipase 리파아제는 지질을 가수 분해하여 지방산(fatty acid)과 글리세롤(glycerol)을 만들고 동물의 췌장, 곰팡이, 효모로부터 생산된다. 리파아제는 오일을 가수분해해 비누를 만드는 데 쓰거나 배수 중 존재하는 지질-지방 화합물을 가수분해시키는 데 사용할 수도 있다. 오일과 지방 사이의 에스테르 반응에 리파아제를 촉매로 사용할 수 있다. 리파아제의 중요한 응용 분야 중 하나는 세제(detergent)이다.
◆글리코시디결합분해효소(1)아밀라아제
Amylase 아밀라제는 덴푼의 가수분해에 사용되며 A. niger나 B. subtillis를 포함한 여러 종류의 미생물로부터 생산된다. 아밀라아제는 3종류로 β-아밀라아제, 글루코아밀라아제, α-아밀라아밀라제는 아밀로오스 사슬에 있는 α-1, 4-글리코시딕 결합을 무작위로 잘라 아밀로스를 분해시킨다. 이러한 이유로 α-아밀라제는 전분을 액화시키는 효소로 알려져 있다. β-아밀라제는 아밀로우스의 비환원성 말단인 α-1, 4-글리코시딕 결합을 가수분해시켜 맥아당(maltose)을 생산한다. β-아밀라제는 당화효소로 알려져 있다. 전분의 아밀로펙틴에 있는 α-1, 6-글리코시딕 결합은 글루코아밀라제에 의해 가수분해된다. 이 역시 당화효소로 알려져 있다. 미국에서 전분을 효소로 가수분해하여 생산하는 포도당의 양은, 1년에 거의 6×105톤에 이르는 플루라네스는 α-1, 6-글리코시딕 결합을 선택적으로 가수분해한다.(2) 셀룰라아제
The three types of reaction catalyzed by cellulases 셀룰라아제는 섬유소(celuose)의 가수분해에 이용되며 Tricoderma viride와 T.reesei 등과 같은 Tricodermigerma종이나 Aspergillus n그리고 몇몇 종의 곰팡이, Tricoderma가 생성하는 셀룰라아제는 결정형 셀룰로오스를 가수분해하지만 Aspergillus가 생산하는 셀룰라아제는 할 수 없다. 셀룰로오스는 처음 셀룰라아제에 의해 셀로비오스로 가수분해되며 β-글루코시데아제는 이를 포도당으로 가수분해한다. 이들 효소에 의한 반응은 최종산물인 셀로바이오스와 포도당에 의해 저해(inhibit)된다. 셀룰라아제는 곡류 가공, 생물자원으로부터의 에탄올 발효, 주류 생산, 폐기물 처리 등에 사용되는 (3) 헤미셀룰라아제
헤미셀룰라아제는 헤미셀룰로오스(hemicellulose)를 5탄당 단량체로 가수분해하여 A.niger와 같은 몇몇 곰팡이에 의해 생산된다. 헤미셀룰라아제는 다른 효소와 공동으로 빵 반죽, 주류 생산, 생물자원의 에탄올 발효, 폐기물 처리 등에 사용된다.
◆효소의 의학적 응용 현재, 의약품 분야에서 여러 종류의 효소를 이용하고 있다. 콧물이나 눈물 같은 보호체액 속에 들어있는 효소는 라이소자임이다. 이는 여러 종류의 그램 양성 박테리아 세포벽의 무코 다당류를 가수분해한다. 따라서 이 효소는 항균제로 쓰인다.효소의 특성 characteristics of enzymes 대표효소는 화학촉매제의 일종이지만 몇 가지 관점에서 보면 차이가 있다. 화학촉매에 의한 반응은 대부분 높은 온도와 압력, 매우 높거나 낮은 pH상태에서 일어나는데, 효소에 의한 촉매 반응은 100℃ 이하의 온도, 낮은 압력, 90중성에 가까운 pH상태에서 일어난다. 생명체를 유지시키는 대부분의 생화학 반응은 효소에 의해 이뤄진다. 예를 들어 다당류인 전분의 분해, 이당류인 유당의 분해 및 포도당 세포 내로의 인입 등 많은 일을 효소가 수행하며 DNA, RNA 및 단백질의 합성도 효소에 의해 이루어진다. 또한 그 과정, TCA 회로, 아미노산 합성 등 세포 내에서 일어나는 각종 생화학 반응마다 효소가 작용한다.
효소의 구조 Structure of Enzymes
Mechanism of enzy meactivi ty 효소는 구형의 단백질 분자로 활성부위(activersite)를 가지고 있다. 이 활성 부위는 효소에 의한 촉매 반응 동안 기질과 결합한다. 효소는 특정 기질하고만 결합하여 반응을 촉매하는데 이러한 효소의 성질을 기질특이성(substrate specificity)이라고 한다. 효소의 기질특이성은 효소 활성부위의 형태와 기질분자의 형태에 따라 결정된다. 이는 효소와 기질이 마치 퍼즐 조각을 맞추듯 특정한 방법으로 결합해야 하기 때문이다. 여러 효소에 영구적으로 붙기도 하고 기질에 약하게 붙기도 한다. 보조인자에는 보결족으로 불리는 아연 철 마그네슘 같은 금속이온과 보효소(coenzyme)로 불리는 유기분자가 있다. 일부 비타민(B1, B2 등)과 NAD, FAD, CoA 등이 보효소로 작용한다. 이들 보조인자는 적정량이 필요하며 너무 많으면 해로울 수 있다. 효소활성분석Active Analysis of Enzymes◆지방분해효소 지방분해효소(lipase)는 esterase의 일종으로 glycerin과 지방산과의 ester인 지방의 가수분해에 관여하는 효소이다. Lipase의 ester 분해작용을 측정하기 위해서는 가수분해로 생성되는 유리된 지방산을 정량한다.
단백질분해효소 단백질분해효소(protease)는 단백질을 분해하는 효소를 하나로 이루는 말이다. 단백질 분해시 펩타이드 결합이 끊어져 물이 소비되므로 단백질 가수분해 효소라고도 한다. 단백질을 분해해 아미노산이나 펩타이드 혼합물을 만들어 단백질을 내부에서 분해시켜 다른 펩타이드 혼합물의 펩타이드 결합도 분해시켜 버린다. 소화기관에서 주로 분해가 일어나며 효소의 예로는 펩신, 펩티디아제, 트립신이 있다.
A comparison of the two h ydrolytic mechanismsused for proteolysis.【단백질분해효소활성분석방법】㉠기질단백질 분자내의 peptide결합이 분해된 결과 생성되는 유리된 amino기와 carboxyl기㉡ 기질단백질에서 생성되는 단백질분해산물을 정량하는 방법으로 반응액에 trichloro acetic acid (TCA, CCl3COOH)를 가하여 미분해의 단백질을 침전시키고 그 여액에 대하여 비교적 용이하게 비색정향할 수 있는 tyrosine 증가율을 측정한다.기질단백질의 분해에 따른 물리적, 화학적 변화를 측정하는 방법으로 기질의 점도 변화를 측정한다.
◆ 섬유소 분해효소
A cellulase enzyme produc ed by Thermomonospora fusca, with cellotriose bound in the shallow groove of the catalytic domose(섬유소분해)의 결합효소인 cella elose의 결합효소인 the catalytic domain. 섬유소분해효소 분해효소 미생물 생체 중에서 셀룰로오스의 가수분해를 촉매하는 효소로서 고등식물의 싹, 푸른곰팡이, 누룩균 또는 목재부패균 등의 진균류 및 수많은 토양세균에서 볼 수 있다. 식물조직 붕괴력이 강해 식품가공, 자원개발, 의약품 등에 이용가치가 높은 효소이다.
【섬유소분해효소활성분석방법】㉠천연섬유소(탈지면 등) 및 여과지를 분해시키는 작용을 측정함으로써 여과지의 붕괴력을 시험한다.㉡ 변성섬유소(carboxyl methyl cellulase, CMC)를 분해시키는 작용을 측정함으로써 기질이 분해되어 생성되는 환원당을 정량한다.
◆ 산화 효소
산화환원을 촉매하는 효소, 효소분류상의 주군의 하나로 효소번호 제1자리는 1이며, 생체에서 산화환원반응형은 수소원자쌍의 이동(전달), 전자의 이동 또는 산소원자의 부가형이 존재한다. 수소 원자 H는 ‘수소 이온(H+)+전자’이기 때문에 전자와 등가일 것으로 생각된다. 환원제로 작용하고, 전자 또는 H를 주어 산화되는 것을 전자공여체, 산화제로 작용하고, 전자 또는 H를 받아들여 환원되는 것을 전자수용체라고 한다. 산화환원체는 전자공여체 및 수용체 중 한쪽 또는 양쪽 모두에 대해 특이하며, 이에 따라 분류된다.분자상산소를 수소수용체로 사용할 수 있는지에 따라 산화효소와 탈수소효소로 나뉘는데 산화효소는 분자상산소만을 수소공여체로 하고 탈수소효소는 분자상산소 외에 메틸렌블루와 같은 적당한 산화환원물질도 수소공여체로 할 수 있다. 또한 이들 효소는 대체적으로 복합단백질로 되어 있으며 촉매작용은 각각의 보결 분자족 또는 조효소의 산화환원을 매개로 이루어진다. 산화환원효소의 종류는 보결분자족 또는 조효소로 분류할 수 있다.옥시다아제 활성 분석 방법 ㉠ 산화에 사용되는 산소의 양을 검압계로 측정하는 검압법이 있다.㉡일정량의기질에효소를일정조건하에작용시켜잔존하는기질량을측정하는방법이있다.
◆전분분해효소
α-amylase, β-amylase 덴푼을 완전히 분해하는 효소의 총칭으로 대표적인 것으로 아밀라아제가 있다. 미생물인 아밀라아제에는 α-아밀라아제, β-아밀라아제, 이소아밀라아제, 글루코아밀라아제, 올리고당생성 아밀라아제 등이 함유되어 있으며 이밖에 가인산분해효소 등도 전분분해작용을 한다. 아밀라아제에 의한 전분을 분해하는 것은 액화, 표정화, 당화의 3단계로 특히 액화, 호저화력이 강한 것을 액화형 아밀라아제(α-amylase), 당화력이 강한 것을 당화형 아밀라아제(β-amylase)라고 한다.【전분분해효소활성분석방법】㉠기질의당도저하를측정한다.㉡요오드에 의한 요오드-전분반응의 정색변화를 측정한다.Glucoside 결합의 분해로 생기는 액중의 환원력 증가를 측정한다.효소활성분석은 다양한 환경요인과 실험능력에 따라 결과의 정확도가 좌우된다. 아울어 효소 활성 연구를 통해 천연물 및 복합화합물의 효능 및 성능을 확인할 수 있다. 한국과학연구원은 다양한 연구 분야에서 연구 노하우를 바탕으로 과제 및 분석 연구를 수행하고 있으며, 효소 활성 분석을 비롯한 다양한 미생물 분석, 미생물 분리 동정, 장내 세균 분석, 유효성 평가, 항균능 평가/특성 검사 및 유기·무기 원소 분석과 같은 다양한 분석 경험을 리뷰하고 있으며, 연구 네트워크를 통한 상호 기술 활용도 하고 있다. 분석 목적에 맞는 분석 및 분석 결과 도출을 위해 분석 의뢰 전에 상호 충분한 협의를 거쳐 실험계획 수립(Design of Experiment)을 하고 결과 해석까지의 체계적인 시스템을 거쳐 정확한 분석 의뢰를 위해서는 어느 분야에 대한 분석이 필요한지 전문가와 충분한 협의가 필요하다.
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