카탈레이스와 과산화수소 분해 반응

카탈레이스(Catalase)

카탈레이스(Catalase)는 과산화수소(Hydrogen Peroxide)를 물(H2O)과 산소(O2)로 분해시키는 반응에서 활성화 에너지를 낮추어 촉매로 작용하는 효소(생체촉매)입니다. 카탈레이스는 산소가 있는 환경에서 서식하는 대부분의 유기물에서 발견할 수 있기 때문에 통합과학에서는 생간과 감자 조각을 활용하여 과산화수소 수용액에서 기포를 발생시키는 실험이 나옵니다. 특히 감자를 이용하면 쉽게 반응을 진행시켜 볼 수 있습니다.

- Hydrogen peroxide breakdown, 이미지 출처: schoolworkhelper.net -

다만, 효소의 특성 상 단백질은 열에 취약하기 때문에, 익힌 감자나 열에 의해 변형된 생간 등을 실험하면 생체 촉매로서의 기능과 역할이 현저하게 떨어지는 것을 확인할 수 있을 것입니다.

 

과산화수소 분해 반응

분해 반응은 아래와 같이 진행됩니다. 이 반응은 촉매가 없는 상온 상압의 환경에서도 스스로 일어나지만, 활성화 에너지가 높기 때문에 반응 속도가 매우 느립니다. 아주 천천히 진행된다는 뜻입니다.

 

2H2O2(aq) → 2H2O(l) + O2(g)

 

과산화수소 분해 반응, 이미지 출처: socratic.org

 

따라서 촉매를 넣어주면 반응이 빠르게 진행될 수 있는데요, 통합과학의 물질대사 파트에서는 카탈레이스(Catalase)를 생간과 감자를 이용하여 첨가해 주는 방법이 나오고요, 아래와 같은 결과를 통해 분해 반응의 생성물인 산소(O2)가 발생되고 효소의 특징을 간접적으로 확인합니다.

1. 기포의 발생
2. 향이나 성냥개비 등에 있는 꺼져가는 불씨를 가져다 대면 불씨가 다시 살아나면서 밝게 타는 것을 확인
3. 기포 발생이 멈추었을 때 과산화수소 수용액을 추가로 첨가하면 다시 기포가 발생하는 것으로 효소는 반응이 끝나면 재사용되는 것을 확인
4. 풍선을 씌워 두면 반응이 발생하면서 부풀어 오르는 것을 확인

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참고로, 과산화수소 분해 반응에 카탈레이스 효소 외에 적용될 수 있는 촉매는 PbO2(Lead Dioxide), NaBr(Sodium Bromide), KI(Potassium Iodie), MnO2(Manganese(IV) Oxide), FeCl3(Iron Chloride) 등이 있습니다.