[생리학] 4. 효소와 에너지 (3) 생물에너지론

4. 효소와 에너지

 

4.3 생물에너지론

생물은 생명 활동에 필요한 구조와 대사 기능을 위해 지속적인 에너지 공급이 필요합니다. 생명 활동의 중심이 되는 화학반응이 짝을 이루기 때문에, 한 반응에 의해 방출된 에너지는 다른 반응의 생성 과정에 참여하게 됩니다. 생물체내 에너지 전환 과정은 주로 ATP 생성과 분해 및 산화 반응 과정을 기초로 하고 있습니다.

 

 

생물에너지론(bioenergetics)은 생물체내의 에너지 흐름을 말하며, 생물은 지속적인 에너지를 사용하여 고도로 질서 있는 구조와 생명 활동을 유지할 수 있습니다. 그리고 생물체 내의 에너지의 흐름은 열 역할의 제1법칙과 제2법칙을 따릅니다.

열역학 제1법칙(first law of thermodynamic)에 따르면 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 전환될 수 있지만 결코 새로 생성되거나 파괴될 수 없기 때문에 이 법칙을 에너지 보존의 법칙이라고 부르기도 합니다. 열역학 제2법칙(second law of ther-modynamic)은 우주와 그 속에 포함된 한 부분의 무질서가 증가한다는 학설입니다. 엔트로피(entropy)는 전체 우주의 무질서 정도를 말하며, 에너지 변환은 우주의 엔트로피를 증가시킵니다. 그러므로, 오직 질서 상태의 에너지, 즉 자유 에너지만이 일을 하는 데 사용될 수 있습니다. 에너지 전환 과정에서 엔트로피가 증가하기 때문에 일을 할 수 있는 자유 에너지의 양이 감소합니다. 엔트로피 증가로 전체 시스템은 더 높은 자유 에너지 상태에서 더 낮은 자유 에너지 상태로 더 쉽게 이동할 수 있습니다.

원자가 분자로 되는 화학 결합은 열역학의 법칙을 따릅니다. 포도당과 같은 복잡한 유기 분자는 6개의 분리된 분자인 탄산가스와 물보다 훨씬 더 많은 자유 에너지(더 적은 엔트로피)를 가지고 있습니다. 그러므로, 탄산가스와 물이 포도당으로 전환되기 위해서는 에너지가 공급되어야 하고, 식물은 광합성을 하는 동안 태양 에너지를 사용하여 탄산가스와 물로부터 포도당을 합성합니다.

 

(1) 자유에너지 증가반응(endergonic reaction)과 자유에너지 감소반응(exergonic reaction)

자유에너지 증가반응은 에너지 공급을 필요로 하는 화학 반응입니다. 이 반응은 에너지가 첨가되는 반응이기 때문에 그 생성물은 반응물보다 더 많은 자유 에너지를 가집니다. 첨가된 에너지의 일부는 생성물 분자 속에 간직되는데, 이는 에너지가 새로 생성되거나 파괴될 수 없다는 열역학 제1법칙과 더 조직화된 상태가 덜 조직화된 상태보다 더 많은 자유 에너지 또는 더 적은 엔트로피를 가지고 있다는 것을 의미합니다.

포도당이 탄산가스와 물보다 더 많은 자유 에너지를 가지고 있다는 사실은 CO₂와 H₂O로 포도당을 시켜보면 알 수 있습니다. 이 반응은 열의 형태로 에너지를 방출합니다. 더 많은 자유 에너지를 가진 분자들이 더 적은 자유 에너지를 가진 분자들로 바뀔 때 에너지가 방출됩니다. 이것은 자유에너지 감소반응이라고 불립니다. 자유 에너지 감소반응에 의해 방출되는 에너지의 양은 에너지가 단일 연소 반응이든 또는 세포에서 발생하는 효소 반응이든 동일합니다. 열은 칼로리 단위로 측정되며, 1칼로리는 1 cm³의 물의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 양입니다.

 

(2) ATP

생존하기 위해, 세포는 자유에너지를 사용하여 고도로 조직화되고 낮은 엔트로피 상태를 유지해야 합니다. 그러므로, 세포는 기질을 사용하여 자유에너지 감소반응을 촉매하는 많은 효소를 가지고 있습니다. 이 반응에 의해 방출되는 에너지는 에너지를 필요로 하는 반응(자유에너지 증가반응)에 사용됩니다. 세포는 에너지-요구 반응을 위해 에너지를 사용할 수 없기 때문에, 자유에너지 감소반응에서 방출되는 화학결합 에너지는 자유에너지 증가 반응 생성물의 화학결합 에너지로 직접 전이되어야 합니다. 따라서 자유에너지 감소반응과 자유에너지 증가반응은 상호 연관 관계에 있습니다.

아데노신 삼인산(adenosine triphosphate, ATP) 합성은 상당한 양의 에너지를 필요로 합니다. 따라서 ATP가 ADP와 Pi로 분해되면 상당한 양의 에너지가 방출됩니다. ATP 분해에 의해 방출되는 에너지는 모든 세포 내 에너지-요구 과정에 에너지를 공급합니다. ATP는 음식물 분자의 파괴에 의해 방출하는 에너지를 세포의 다양한 자유에너지 증가 반응이 필요로 하는 에너지와 연결시키는 작용을 합니다.

 

(3) 산화(oxidation)-환원(reduction) 반응

원자나 분자가 전자를 얻으면 환원되었다고 하며, 반대로 원자나 분자가 전자를 잃으면 산화되었다고 합니다. 따라서 산화-환원 반응은 항상 짝을 이루며 발생합니다. 다른 원자나 분자에 전자를 주는 원자나 분자를 환원제라고 하고, 그 반대의 경우는 산화제라고 합니다. 세포 내 산화-환원 반응에서, 수소 원자의 전이는 간혹 유리 전자 대신에 일어납니다. 그러므로, 수소 원자를 잃은 분자들은 산화되고 수소 원자를 얻은 분자들은 환원됩니다. 많은 산화-환원 반응에서 전자쌍, 즉 유리 전자 또는 수소원자 쌍은 환원제에서 산화제로 전이됩니다.

수소원자의 전이에서 중요한 역할을 하는 분자는 NAD(nicotinamide adenine dinucleotide)와 FAD(flavin adenine dinucle-otide)입니다. 이 분자들은 수소 운반체로서 산화-환원 반응에 참여하는 조효소들입니다. 산화형은 NAD와 FAD이고 환원형은 NADH와 FADH₂입니다. FAD는 두 개의 전자를 받고 두 개의 양성자와 결합할 수 있습니다. NADH는 두 개의 전자를 받지만 하나의 양성자와만 결합할 수 있습니다. NADH와 FADH₂가 산화-환원 반응에 참여할 때, 산화제에 두 개의 수소원자를 전이합니다.