생화학개론 | 생체 에너지론(Bioenergetics)

TIP

 

 

1. 생체 열역학(Bioenergetics and Thermodynamics)
2. 고에너지 화합물(The High-Energy Biomolecules)

 

 

 

생물은 환경으로부터 섭취한 화합물의 화학에너지를 적절한 형태로 전환하여 이용함으로써 생명현상을 유지할 수 있다. 그래서 생체는 여러 가지 물질로 이루어져 있다. 탄수화물, 단백질, 지방으로 구성되어 있으며 이러한 물질들은 저마다 생체에 필요한 에너지를 내게 된다. 모든 생물학적 반응에는 에너지 전환이 포함된다.

 

 

산화과정에서 방출된 에너지와 환원과정에 이용되는 에너지는 동일한 형태의 것으로서 저장, 이용된다. 세포내에서 일어나는 모든 화학반응을 대사(metabolism)라 하는데 살아 있는 세포 중에서는 물질의 합성대사(anabolism)와 분해대사(catabolism)가 병행해서 일어나서 어떤 화합물의 분해에서 얻어지는 에너지가 다른 성분의 합성에 이용된다.

 

생화학에서 에너지대사라 함은 어떤 화합물이 효소반응으로 분해될 때 생성되는 몇 가지의 고에너지화합물을 여러 가지 목적으로 이용하는 과정을 말한다. 에너지대사의 중심이 되는 ATP는 대사과정에서 유리되는 에너지를 저장하기 위해 ADP로부터 합성되는 고에너지화합물의 하나이다. ATP에 저장된 에너지는 다시 ADP로 분해될 때 유리되어 생체물질의 합성, 근육수축, 물질의 능동수송, 신경자극 전달 등과 같이 에너지를 소비하는 일에 이용된다. 따라서 ATP는 에너지 생산과정과 소비과정 사이에서 에너지 운반체 역할을 한다.

 

또한 물질의 대사에서 방출되는 에너지는 생물체에서 기계적, 열, 빛, 전기, 화학적 에너지 등으로 전환된다. 그래서 에너지의 흐름은 일 방향이다. 열과 엔트로피로 방출되는 에너지는 생물체에 의해 이용될 수 없다. 이런 생화학적 현상을 열과 역학적 일의 기본적인 관계를 바탕으로 열 현상을 비롯해서 자연계에서의 에너지 흐름을 통일적으로 다루는 물리학의 한 분야를 열역학(Thermodynamics)이라 한다

 

 

1. 생체 열역학(Bioenergetics and Thermodynamics)

화학적 변화나 물리적 변화에서 에너지 변화를 다루는 분야가 열역학이며 생화학에서 에너지 변화를 이해하려면 기초적인 열역학의 개념을 파악하여야 한다. 세포에서는 영양소가 산화될 때 유리되는 에너지를 ATP 형태의 화학에너지로 전환, 저장하였다가 여러 가지 일에 사용한다.

 

즉 생체에서는 한 형태의 에너지가 다른 형태의 에너지로 전환되고 있다. 생체 안에서의 에너지 전환도 열역학적 법칙을 따르게 된다. 열역학은 반응이 어떤 방향으로 일어날 것인가를 예측하게 하고 반응에 동반되는 에너지 변화를 정량적으로 다룰 수 있게 하므로 매우 유용하다. 열역학은 기본적으로 제 1법칙과 제 2법칙으로 설명한다.

열역학현상에 대해 설명하여 보면 어떤 새로운 독립된 현상이 아니라 단지 무수히 많은 구성 입자들로 이루어진 계에서 이들 입자들이 제멋대로 무질서하게 움직이는 운동에너지가 바로 열에너지이고 이들이 우리에게는 뜨겁고 차다는 온도로 느껴짐을 알았다. 그러므로 열역학현상에 대해서도 원칙적으로 뉴턴의 역학 법칙들이 적용될 수가 있다. 다시 말하면 무수히 많은 입자 하나 하나에 (실제로 그 수가 아보가드로 수 6.02× 1023개이다) 뉴턴 방정식을 적용하여 이들을 모두 푸는 방법을 시도할 수도 있다. 원칙적으로 그렇게 하면 될 것 같기도 하다.

그러나 실제로 그러한 계산을 하는 것은 불가능하다. 실제로 입자의 수가 대 여섯 개 만 되더라도 대 여섯개 정도의 뉴턴 방정식을 연립으로 푸는 일도 간단하지 않다. 대신 열역학현상을 효과적으로 다루는 방법이 열역학 법칙으로 정리되어 있다. 열역학 법칙은 제0법칙, 제1법칙, 제2법칙 등 모두 세 가지가 열역학 법칙은 열적평형과 열적평형에서 온도의 역할에 관한 법칙이다.

 

두 물체 또는 두 계가 열적평형을 이룬다면 이 두 물체중 한 물체에서 다른 물체로 열이 이동하지 않는 것을 의미한다. 열역학 제0법칙은 두 물체 A 와 B 가 열적평형을 이루는 것을 관찰하고 또 원래의 물체 A 와 물체 C 가 열적평형을 이룬 것을 관찰하였다면 물체 B와 C는 열적평형을 이루는지 아닌지 실험해 보지 않더라도 열적평형을 이루는 것이 틀림 없다고 말한다

 

 

2. 고에너지 화합물(The High-Energy Biomolecules)

고에너지 화합물이란 정전기적 반발력을 갖는 관능기와 결합한 화합물로 큰 자유에너지(ΔG^o')를 보유하고 있다. 이 화합물이 분해할 때 화합물이 가진 큰 자유에너지는 외부로 방출되고 그 자신의 자유에너지는 크게 감소하며 이온화, 이성화 또는 공명 등에 의해 보다 안정한 화합물이 된다. 이와 같이 분해시에 외부로 상당히 큰 에너지를 방출할 수 있는 화합물을 고에너지 화합물이라 한다. 거의 대부분의 고에너지 화합물은 인산화합물이며 일부 인산화합물의 가수분해에 의한ΔG^o'는 Table 2에서와 같이 -15㎉∼2㎉에 분포하는데 ATP는 중간정도의 값을 가진다. 표에서 ATP 윗쪽에 있는 것들은 ADP를 인산화하여 ATP를 만들고 아래쪽에 있는 것들은 ATP에 의한 인산화 생성물들이다.

 

 

 

 

[생화학]생체 에너지론(Bioenergetics) 레포트