실험 개요
효소 활성 측정은 생화학 실험의 기초 기법이다. 기질 농도를 변화시키며 초기 반응 속도를 측정하고, Michaelis–Menten 식에 적합해 Km(친화도)과 Vmax(최대 속도)를 결정한다. 학부에서는 보통 카탈라아제의 H₂O₂ 분해 또는 알칼리 인산가수분해효소(ALP)가 p-니트로페닐인산을 가수분해하는 반응을 405 nm에서 흡광 변화로 추적한다. 예비보고서에서는 효소반응의 가정(정상상태, 초기속도)과 Lineweaver–Burk·Eadie–Hofstee 같은 선형화 기법을 정리한다.
이론 배경
Michaelis–Menten 모델
E + S ⇌ ES → E + P. 정상상태 가정 d[ES]/dt ≈ 0에서 v = Vmax [S] / (Km + [S]). [S] ≪ Km이면 일차, [S] ≫ Km이면 영차로 근사된다. Km은 v = Vmax/2가 되는 기질 농도로, 효소–기질 친화도의 척도다.
Lineweaver–Burk 선형화
양변의 역수를 취해 1/v = (Km/Vmax)(1/[S]) + 1/Vmax. 1/v vs 1/[S] 그래프는 직선이며, y절편이 1/Vmax, x절편이 –1/Km. 단점은 저농도 데이터가 가중치를 과도하게 받는 것.
초기속도의 의미
효소 반응은 시간이 지나면 기질 고갈, 생성물 저해, 효소 변성으로 속도가 감소한다. Km, Vmax는 초기 직선 구간(보통 5~10% 전환 이내)의 기울기로 측정해야 한다.
실험 장치 및 시약
- — UV–Vis 분광광도계
- — 마이크로피펫, 큐벳
- — 효소 원액(ALP, 카탈라아제 등)
- — 기질 모액(p-NPP 또는 H₂O₂)
- — 버퍼(pH 9, 트리스 또는 글리신 버퍼)
실험 절차
- 1.버퍼와 기질을 일정 비율로 혼합해 6단계 기질 농도를 준비한다.
- 2.효소 원액을 제외한 모든 성분을 큐벳에 넣고 분광광도계를 영점화한다.
- 3.효소를 가하고 즉시 분광광도계의 시간 추적 모드를 시작한다.
- 4.60~120초간 흡광도 변화 ΔA/Δt를 기록한다.
- 5.각 기질 농도에서 3회 반복 측정한다.
데이터 처리
ΔA/Δt를 ε(p-NP) = 18,500 M⁻¹ cm⁻¹로 나눠 v(M/s)를 구한다. v vs [S]를 비선형 회귀해 Km, Vmax를 결정하고, Lineweaver–Burk 그래프로 시각적 검증을 한다. 효소 농도로 나눈 kcat = Vmax/[E]T를 계산해 turnover number를 보고한다.
예비보고서 항목별 작성 팁
이론
정상상태 가정의 의미를 분명히 적고, Km이 친화도가 아닌 '겉보기 친화도'임을 강조한다.
통제변수
pH, 온도, 효소 농도를 어떻게 일정하게 유지할지 구체적으로 적는다. 효소는 매우 민감해서 작은 변동도 큰 차이를 만든다.
자주 하는 실수
- — 초기속도가 아닌 평균속도로 Km, Vmax를 추정하는 것
- — 기질 농도 범위를 Km 부근에 충분히 두지 않는 것 (0.2 Km ~ 5 Km 권장)
- — 효소를 사용 직전에 희석하지 않아 활성이 떨어진 상태로 측정하는 것
- — 온도 보정을 하지 않고 데이터를 비교하는 것
자주 묻는 질문
Q. Km이 작을수록 효소가 좋은 건가요?
꼭 그렇지는 않습니다. 작은 Km은 낮은 기질 농도에서도 빨리 포화된다는 뜻이지만, Vmax가 작을 수 있습니다. 효소 효율의 종합 지표는 kcat/Km으로, 이것이 클수록 좋은 효소입니다.
Q. 비선형 회귀 대신 Lineweaver–Burk를 써도 되나요?
현대적으로는 비선형 회귀가 권장됩니다. Lineweaver–Burk는 역수를 취하므로 저농도 데이터의 측정 오차가 증폭되고, Vmax·K_m 모두 편향됩니다. 다만 시각적 진단(저해 양상 구분 등)에는 여전히 유용합니다.
참고 표준·문헌
본 가이드는 다음 표준·교과서·핸드북의 정의·식·표준 절차를 따라 작성되었습니다. 학교 양식과 표준 절차가 다를 경우 학교 양식을 우선합니다.
- [1]Nelson, D.L., Cox, M.M. — Lehninger Principles of Biochemistry, 8th ed., Macmillan, 2021
- [2]Atkins, P., de Paula, J., Keeler, J. — Physical Chemistry, 11th ed., Oxford University Press, 2018