효소와 효소조직화학 반응

효소는 1861년 빌게 의해 신경조직에 붙어있는 과다한 조직을 제거하기 위해 위액을 사용하여 조직을 소화할 목적으로 처음 사용되었다. 그 후 1868년 갑각류서와 1872년 스트로보에 의해 조직 내에서 고름에 존재하는 과산화효소를 조직화학적으로 증명하기 위해 구 이익 시약을 적용한 결과 청색 반응을 얻게 됨으로써 처음으로 조직에서 효소의 존재를 검출할 수 있게 되었다. 이어 1900년에는 브란덴버그도 백혈구 과립에서 과산화효소의 존재를 검출하는 데 성공하면서 오늘날 조직 병리진단에 활발히 사용되고 있다. 이러한 효소조직화학은 조직병리학 분야에서 조직 내의 효소활성 부위의 국제와 분포를 광학현미경 한에서 검출할 수 있을 뿐만 아니라 전자현미경을 사용함으로써 세포 내 소화기관과의 관련성도 찾아낼 수 있어서 그 의의가 매우 크며, 특히 근육질환의 조직학적 진단에 있어 결정적인 역할을 하는 경우도 있지만 아직 다양한 질환의 진단을 위한 조직학적 검사로서 크게 기여하지 못하고 있는 것이 현재의 실정이다. 이제 효소의 정의를 살펴보자. 촉매는 어떤 화학반응을 촉진하는 화합물로 반응에 참여하였다가 그 반응이 완결되면 본래 상태로 되돌아오는 성질을 가진다. 효소는 생물계에서 일어나는 화학반응에 촉매로 작용하는 일종의 단백질로서, 세포 내에서 이루어지는 대부분의 화학반응은 이들 효소의 촉매작용으로 이루어진다. 따라서 효소에 의한 촉매작용이 없다면 세포 내의 화학반응은 매우 느리게 진행될 것이다. 또 효소는 기질에 대해 절대적 또는 상대적 특이성을 가진다. 기질이란 효소에 작용하는 특이적인 반응물질로 상대 특이성이 있는 효소는 그 작용 부위가 한 개 이상이지만 사실상 모두 유사한 것들이다. 그뿐만 아니라 효소에 기질이 작용하는 데는 기질의 화학 작용기 외에 그 작용기의 공간배열 상태도 영향을 미친다. 이것을 효소-기질 반응의 칩 체화학적 특이성이라 한다. 효소는 특정 기질과 반응하여 일시적으로 결합하여 생성물을 만들고 그 후에 변화 없이 그대로 떨어져 나와 또 다른 기질 분자와 결합할 수 있다. 체내의 효소는 대부분 세포질에 단순히 용해된 상태로 존재하며 이러한 효소를 용해성 효소라 부른다. 그러나 일부 효소는 미토콘드리아나 용해소체 등의 세포 소기관과 단단히 결합하여 있는 것도 있다. 효소의 명칭은 urease, uricase 등과 같이 작용하는 기질에 접미사 ASE를 붙여 명명한 것이 많다. 그러나 기질 명칭과 관계없이 사용되는 것도 있으며, 기능에 따라 불리는 것도 있다. 그러나 새로이 발견되는 효소의 종류가 많아지면서 효소의 명명에 혼란이 일어나게 됨에 따라 1961년 국제생화학연맹의 효소위원회에서는 효소를 형식에 따라 크게 가수분해효소, 산화환원효소, 전이효소, 분해효소, 이성화효소 그리고 연결효소의 6가지로 분류하고 통일성을 기하기 위해 효소마다 EC 다음에 4개의 번호를 붙여 계통적으로 분류하였다. 효소 활성에 영향을 미치는 인자들도 있다. 온도가 상승하면 효소의 반응속도가 즉사한다는 것은 잘 알려져 있다. 일반적으로 효소의 반응속도는 온도가 10도 상승할 때마다 2~3배 증가한다. 그러나 효소는 단백질이기 때문에 55~60도 이상의 온도에서는 대부분 변성되어 활성을 잃게 된다. 따라서 효소반응의 최적 온도를 결정하기 위해서는 효소활성이 가장 빠르게 증가하는 온도를 선택하는 것이 필요하며, 효소가 변성되는 온도를 피하여야 한다. 일반적으로 효소 활성도가 가장 높은 온도는 35~43도 범위이며 최적 온도는 37도이다. pH는 효소활성에 매우 큰 영향을 미친다. 효소는 강알칼리성이나 강산성 용액 내에서 쉽게 변성을 일으켜 활성을 잃는다. 그러나 효소마다 특정 pH에서는 활성이 최대를 나타내는데, 이 pH를 최적 pH라고 부른다. 일반적으로 효소의 최적 pH는 6~7 정도이지만, 알칼리성 분해효소의 최적 pH는 9.6~10.0이고 전립선 인산분해효소 최적 pH는 4.9~5.0이다. 이 밖에 손상 또는 죽은 조직세포의 소화에 관여하는 용해소체 가수분해효소의 최적 pH는 3.0~5.5이다. 효소의 반응속도에 미치는 기질의 농도를 보면 효소의 농도가 일정하고 기질의 농도가 증가하면 효소의 반응속도는 어느 수준까지는 기질의 농도가 증가하면 효소의 반응속도는 어느 수준까지는 기질의 농도에 비례하며, 그 이상에서는 일정한 반응속도를 유지한다. 즉 기질의 농도가 매우 높아져 효소와 기질의 결합이 포화상태에 이르면 반응속도가 더 이상 증가하지 않는다. 즉, 효소 포화상태란 효소의 3차원적 활성부위가 모두 결합한 상태를 말한다. 억제제는 효소활성을 억제하는 화학물질로서 특이적 억제제, 비특이적 억제제 및 경쟁적 억제제의 세 종류가 있다. 특이적 억제제는 효소 분자의 반응 부위에 영향을 미치고, 비특이적 억제제는 효소단백질을 변성시킴으로써 효소반응을 파괴하며, 경쟁적 억제제는 효소활성 부위에 대한 기질과 억제제에 경쟁적으로 결합하여 효소 활성을 저해한다. 활성제는 저해제와 반대로 효소활성을 촉진하는 데 사용되는 화학물질이다. 일반적으로 마그네슘, 칼슘, 망간 등의 2가 양이온 물질이다. 그 예로 알칼리성 인산분해효소 검출을 위한 고모리의 금속침전법에 사용되는 마그네슘이 옴을 들 수 있다. 효소의 위치는 조직세포의 특정 부위에 효소가 존재하는 것을 효소의 국지화라고 부른다. 어떤 특정 부위에 효소 존재를 증명하는 것이 효소조직화학의 목적이지만 그 증명에 있어서는 효소활성만을 검출할 수밖에 없기 때문에, 다음 장에서 기술하는 항체를 이용하여 효소단백질 자체를 증명하는 면역조직화학과는 다르다. 따라서 효소활성을 검출하는 데는 효소활성 상실 방지, 반응 산물의 가시화, 효소반응의 특이성, 효소의 조직세포 내 보존성, 효소 반응 산물의 확산, 자리이탈 방지 및 조직세포의 구조 보존성 등에 관한 세심한 주의가 필요하다.