생물체 내에서 일어나는 화학 반응을 연구하는 화학의 영역을 생화학이라고 한다. 생화학 반응은 생물체 내에서 비교적 낮은 온도에서 물을 매체로 진행되며 관여하는 반응 물질이나 생성물이 매우 복잡한 유기 화합물이다. 따라서, 이 반응에는 특수한 작용을 하는 유기 촉매인 효소 등이 중요한 역할을 한다.
생화학 반응은 유기 화학물 사이의 반응이 주체지만 그 과정에 여러 가지의 유기 화합물과 무기 염류 등이 관여하고 있다. 또한 효소류에 들어 있는 금속 원소도 중요한 역학을 하며 박테리아에 의한 질소 고정과 같이 화학적으로 활발하지 않은 단체의 질소까지도 유기 화합물 속에 받아들이는 반응을 하고 있다. 산소 공급, 음식물의 소화 흡수, 몸 속에서의 여러 가지 화합물의 합성, 증식, 유전, 그리고 식물의 광합성에 의한 탄소 동화, 단당류에서 셀룰로오스 등의 다당류에 이르는 중합 반응 또는 박테리아와 효모균에 의한 발효 작용에 이르기까지 그 종류가 다양하고 범위가 넓어 짧은 해설로는 그 개요밖에 설명할 수 없다. 최근의 생화학은 놀라운 정도로 진보하였다. 특히 유전자의 생화학적 해명은 유전자의 공학적 응용까지 진행되어있다.
효소를 흔히 유기 촉매라고 하지만 유기 촉매가 모두 효소는 아니다. 효소는 생물학적인 촉매로 작용하는 특수한 단백질이다. 생화학 반응은 모두 수십 도 이하의 낮은 온도에서 일어나는 반응이므로 그 반응 속도를 촉진시키는 촉매는 미묘하고 강력한 작용을 하고 있다. 게다가 생체 내에서 일어나는 여러가지 반응 하나하나에는 전담 효소가 존재한다.
여기서 음식물의 소화 작용에 대하여 알아보도록 하자. 우리들이 음식물을 씹기 시작하자마자 효소는 즉시 특정한 촉매작용을 시작한다. 침 속에 들어 있는 효소 프티알린은 음식물을 씹고 있는 동안에도 녹말을 α글루코오스로 변환시키는 촉배 작용을 한다. 계속해서 위 속에서도 효소 펩신에 의하여 단백질이 펩톤으로 분해되며 소장에서는 이자액의 효소에 의하여 아미노산이 된다. 이 때 효소의 작용을 받는 물질을 기질이라고 한다. 효소 가운데 프티알린과 펩신 등은 발견자의 이름에 따온 것이지만 대개는 작용을 받는 기질 이름의 어간에 아제를 붙인다. 아밀라아제, 치마아제 등이 그 예다.
효소의 특정한 하나의 기질에 대해서만 작용하며 매우 비슷한 기질이 있다고 하더라도 촉배 작용을 하지 않는다. 예를 들어 말토오스의 가수 분해 효소인 말타아제는 말토오스와 비슷한 수크로오스와 락토오스에는 전혀 반응하지 않는다. 마찬가지로 수크라아제는 수크로오스의 가수 분해에는 촉매 작용을 하지만 말토오스와 락토오스에는 반응하지 않는다. 그리고 락타아제는 락토오스의 가수 분해 촉매지만 수크로오스와 말토오스에는 반응하지 않는다. 더구나 이러한 당류의 가수 분해 효소는 지방이나 단백질의 가수 분해에 영향을 미치지 않는다.
이와 같은 효소와 가질의 특별한 관계를 알기 쉽게 설명하는 열쇠와 열쇠 구멍 이론이 있다. 즉 효소는 특별한 열쇠와 같아서 기질이 일으키는 어떤 화학 변화의 활성점에 삽입되어(참가하여) 그 변화를 진행시키다가 변화가 끝나면 빠져나와 원래의 모습으로 되돌아간다.
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