또 농부들은 콩과(科)식물을 심었던 밭에 다른 작물을 심으면 생산성이 높아진다는 것을 경험으로 알고 있었다. 보리나 콩과식물에 공생했던 뿌리혹박테리아는 효과적으로 당분을 얻을 수 있고 다른 작물의 수확량을 늘리는 데 도움을 주는 효소를 제공한다. 효소는 생명의 모든 화학작용에 관여한다고 해도 지나친 말이 아니다.
어떤 분자든 합성되면 일정한 구조를 유지하게 되는데 이를 위해 필요한 에너지가 바로 활성화에너지다. 이 에너지가 없다면 포도당과 과당이 합쳐져 만들어지는 설탕 분자는 곧바로 포도당과 과당 상태로 되돌아간다.
모든 분해 작용이 그렇듯 설탕의 분해도 언젠가는 일어난다. 문제는 설탕이 포도당과 과당으로 분해될 때까지 활성화에너지가 줄어들도록 마냥 기다려야 한다는 점이다. 이때 설탕 분해 효소를 더해 주면 설탕의 활성화에너지가 낮아져 화학반응이 빠르게 일어난다. 효소는 일어나지 않을 반응을 만들어 내지는 못하지만 일어날 반응을 매우 빠르게 진행시키는 촉매 역할을 한다. 효소는 아주 낮은 농도에서도 엄청난 효과를 발휘한다. 효소 분자 한 개만으로도 수백만 분자의 설탕을 분해하고도 남는다.
생명을 위한 화학반응도 속도가 중요하다. 무작정 일어날 반응을 기다리다가는 큰일 날 수 있다. 예를 들어 소화효소가 없다면 음식을 먹고 난 뒤 언젠가 분해될 때까지 몸에 담아 놔야 하기 때문에 위장은 수십 배로 커져야 한다. 또 상처에서 피가 나면 많은 효소가 빠르게 순차적으로 활성화돼야 한다. 혈액응고단백질인 피브린이 활약하지 않으면 언젠가 피가 굳을 때까지 출혈을 감수해야 한다.
우리 몸은 필요할 때 필요한 장소에서 필요한 만큼 효소가 작동하게 하는 조절 시스템을 가지고 있다. 적절한 억제제를 사용해 효소의 작용 정도를 조절하거나 특정 효소 때문에 과잉 합성된 것이 있다면 합성 과정을 억제해 적정 수준으로 떨어지도록 하기도 한다. 또 서로 관련이 있는 효소들은 세포 내 한 곳에 몰려 있기도 하다.
효소는 활성이 잘되는 산도(pH)와 온도가 있다. 우리의 혈액과 체액은 pH 7.4로 약염기성이다. 그러므로 효소 대부분의 최적 pH는 7.4 정도다. 물론 위액에서 단백질을 분해하는 효소인 펩신처럼 강산인 pH2에서 가장 활성이 잘되는 예외도 있다.
장수철 연세대 학부대학 교수
지구상의 생물은 진화 과정을 통해 에너지 형태인 ATP를 생산하거나 타이밍을 위해 효소를 선택하거나 준비하는 과정을 거친 뒤 현재 상태에 이르게 됐다. 생명이 끊임없이 이어지고 다양하게 번성할 수 있었던 것은 생명체가 화학반응의 기본을 잘 갖추고 있었기 때문이다.
요즘 일본과 경제전쟁 상황에 놓여 있다. 국가나 개인이나 오래 이어지고 번성하려면 사회든 과학기술이든 기본에 충실해야 한다. 그런데 우리 사회는 기본에 충실하기보다는 당장의 경쟁에서 이기는 것에만 관심을 갖는 것 같아 씁쓸하다.
2019-10-08 29면
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