Chap 15. 생체계의 열역학
Chap 16. ATP와 고에너지 화합물
metabolism (물질代謝)
생체 내에서 일어나는 물질변화에 대한 광의의 용어로서
좁은 의미로는 에너지대사, 지방대사, 등으로 구분된다.
물질대사: 독립영양생물과 종속영양생물에 의한 순환이 이루어진다.
catabolic: 분해과정으로 탄화수소 화합물의 산화과정이 수반되며 에너지가 생성된다.
anabolic : 생합성 과정으로 환원과정이 수반되며 에너지가 소모된다.
1. 에너지
모든 생물학적 반응에는 에너지 전환이 포함된다. 산화과정에서 방출된 에너지와 환원과정에 이용되는 에너지는 동일한 형태의 것으로서 저장, 이용된다.
물질의 대사에서 방출되는 에너지는 생물체에서 기계적, 열, 빛, 전기, 화학적 에너지 등으로 전환된다. 에너지의 흐름은 일방향이다. 열과 엔트로피로 방출되는 에너지는 생물체에 의해 이용될 수 없다.
1-1. 화학반응의 열역학
(1) 계: 반응계와 외계를 포함하는 우주계
(Universe= reacting system + surrounding)
반응계는 닫힌계, 고립계, 개방계로 구분된다. 닫힌계 (closed system)에서는 물질과 에너지의 교환이 없으며, 고립계 (isolated system)에서는 에너지의 교환만이 일어난다. 생물은 개방계 (open system)에 해당되며 에너지와 물질의 교환이 일어난다.
(2) 열역학 제1법칙: 에너지 보존의 법칙
우주 내의 총 내부에너지는 일정하다. 어떤 물리화학적 변화에서든지 에너지의 형태는 바뀌지만 전체 에너지는 일정하게 유지된다. 문제는 에너지는 순환되지 않기 때문에 얼마나 높은 효율로 얻을 수 있으냐 하는 것이다.
수식으로 표현하면, 내부에너지의 변화 △E = EB-EA = q + w 이다 (그림 참조).
기계적인 일에만 국한한다면 △E = q로서 일정부피과정에서는 유용하다. 그러나 화학,생화학적 반응은 일정압력에서 행해지는 경우가 많으므로 이에 적합한 새로운 함수 H를 정의하게 된다. 부피의 변화가 거의 없을 경우 △H ≒ △E 라는 식이 얻어진다. 즉, 일정압력과정에서 △H는 이동되는 열과 같아진다. 따라서 내부에너지의 변화 (△E)는 반응열의 변화 (△H) 로서 쉽게 측정될 수 있다. H (enthalpy)는 반응계의 열량 (반응열)로서 반응물과 생성물의 화학결합의 수와 종류를 반영한다.
흡열반응에서 △H 〉0 이다. 생성물은 반응물보다 낮은 열량을 가진다.
발열반응에서 △H〈 0 이다. 생성물은 반응물보다 높은 열량을 가진다.
자발적으로 진행되는 대부분의 반응은 발열반응으로 △H의 감소가 일어난다. 그렇지만 (NH4)2SO4가 물에 녹는 경우와 같은 흡열반응의 경우도 반응이 진행된다. 이는 엔트로피의 증가에 의한 것으로 (증가하는 염의 엔트로피와 감소하는 물 분자의 엔트로피의 차에 의한 효과), 따라서 반응열로는 반응의 자발성을 논의할 수 없다는 것을 가리킨다.
(2) 열역학 제 2 법칙: 무질서의 법칙
계는 정돈된 상태로부터 무질서의 상태로 진행한다 (모든 반응은 무질서가 증가하는 방향으로 진행된다). 그럼에도 불구하고 고도의 질서를 가진 생물계가 열역학적으로 가능한 이유는 그 주변의 엔트로피 증가에 의해 가능하다 (즉, 보다 많은 무질서를 바탕으로 보다 적은 양의 질서를 구축). 따라서 무질서는 계와 주위의 합으로 판단된다.
계와 주위의 엔트로피 합이 영보다 크면 그 과정은 자발적으로 일어날 수 있다. (엔트로피: 계의 무질서의 척도)
△Suniv = △Ssys + △Ssur > 0
엔트로피의 정의: S = klnW (k, Boltzman constant; W, 내부에너지의 변화없이 계를 배열시킬 수 있는 방법의 수)이다. 따라서 어떤 화합물의 절대적인 엔트로피는 translational, vibrational, rotational parameter들이 알려져 있다면 통계역학적인 방법으로 계산될 수 있으나, 비교적 작은 분자의 경우에만 직접적인 계산이 가능하고 분자가 커지면 계산은 불가능 해진다.
이에 따라 새로운 함수인 자유에너지 개념이 Josiah W. Gibbs에 의해 도입되었다 (1878년).
△G = △H-T△S
상온의 평형상태에서 어떤 반응의 엔트로피 변화는 반응열의 변화를 절대온도로 나눈 값과 같다. △S = △H/T에서 △H-T△S = 0 따라서 새로운 함수 G를 도입하여, △G = △H-T△S △H ≒ △E 이므로 어떤 반응의 △G는 내부 에너지와 계의 엔트로피 변화에 따른다. 가령 ATP의 가수분해 경우 표준조건에서 자유에너지 값의 변화는 -7.7kcal/mol 인데 △H를 측정하면 -4 kcal/mol이 얻어진다. 이때 나머지 3.7 kcal/mol은 생성물에 증가된 무질서의 형태로 존재하는 것이다. |
△G = 0 (평형) 에너지 방출이 없음
△G〈 0 (에너지 방출반응: exergonic)
△G 〉0 (에너지 흡수반응: endergonic)
A. △G로서 반응의 자발성을 결정할 수 있다. 이때 절대값의 측정은 불가능하고, 변화값인 △G 로 측정된다.
B. 반응경로와는 무관하다 (가산적이다). 자유에너지의 변화는 常온, 常압에서 일어나는 반응에서 이론적으로 얻어질 수 있는 최대한의 유용한 일에 대한 정량적 측정값이다. 그러나 실제로 얻어지는 일의 양은 경로에 달려있기 때문에 아무리 자유에너지 값이 낮은 음의 값을 가진다 하더라도 전혀 얻어지지 않을 수도 있다 (가령 글루코오즈가 체내에서 산화과정을 밟을 때 얻어지는 에너지의 양은 실제 자유에너지 변화값의 1/3 정도).
C. 반응속도와는 무관하다.
1-2. 생물체에서 열역학의 중요성
열역학은 생물체에 있어 죽느냐 사느냐를 결정하는 중요한 문제이다: 생화학에 있어 열역학의 유용성은 무엇보다도 특정한 화학반응이 자발적으로 일어날 것인지를 예측하는 것이다. 간단한 예로 어떤 화합물이 생물체에게 에너지원으로 이용될 수 있겠는가 하는 것이다. 우리는 경험으로 유기물이 분자산소에 의해 산화되면 에너지를 방출한다는 것을 알고 있다. 예를 들어 나무나 석탄은 타면서 많은 열을 낸다. 비슷하게 생물체들은 탄수화물이나 지방, 단백질 등을 산화시키면서 에너지를 얻는다. 어떤 생물체들은 hydrocarbon들을 산화하고, 어떤 것들은 환원된 sulfur 나 iron을 산화시키기도 한다. 그러나 어떤 생물체도 분자질소를 산화시켜 살아갈 수는 없다. 그 이유는 무엇인가 ? 그 해답이 바로 열역학에 있다. 그 반응은 자발적으로 일어날 수 없는 것이다. 이러한 예는 모든 생명의 조절에 있어 열역학의 중요성을 보여주는 것이다. 모든 생물체들은 그들의 주변으로부터 화학에너지를 얻으며 살아가기 때문에 열역학은 비밀스러운 대상이 아니라 죽느냐 사느냐하는 심각한 대상인 것이다.
열역학은 반응의 자발성을 결정한다: 우리는 열역학이 어떤 반응이 "일어날 수 있는지"를 결정한다고 말한다. 왜냐하면 열역학은 그 반응이 한정된 시간 내에 일어난다가 아니라 그 반응이 가능한지 여부를 보여주기 때문이다. 열역학적으로 가능한 반응이 일어나는 속도는 그 반응의 세부적인 기작에 달려있다. 어떤 생화학적 반응이 신속히 일어나려면 적절한 효소가 필요한 것이다. 이와 같은 반응의 자발성과 속도와의 구분은 화학자보다는 특히 생화학자에게 중요하다. 왜냐하면 화학반응의 경우는 압력이나 온도, 반응물의 농도 등을 변화시킬 수 있기 때문이다. 반면에 생명체는 훨씬 제한된 상태에 있어서 거의 고정된 온도나 압력, 그리고 제한된 범위의 반응물에서만 기능을 할 수 있다.
1-3. 단백질의 접힘과 열역학 (교과서 171 페이지 참조)
단백질은 풀리면서 극성과 비극성 아미노산 곁사슬들이 용액에 노출된다.
1. 항상 -T△Schain > 0 이다. 왜냐하면 풀린 상태에서는 접힌 상태보다 덜 정돈되어 있으므로 △Schain 은 음수값이기 때문이다.
2. 항상 -T△Ssolvent < 0 이다. 왜냐하면 물분자에 질서를 강요하기 때문이다.
비극성과 극성 곁사슬로 구분하여 보면,
비극성 기에서는 △G < 0
△Hchain = △Hf - △Hu > 0 : fold 상태에서의 약한 반데르발스 힘보다 unfold 상태에서 용액과의 상호작용이 더 크다. 왜냐하면 펼쳐진 상태에서는 물과의 상호작용이 크기 때문이다.
△Hsol = △Hf - △Hu < 0 : 접혀짐으로써 물분자간의 상호작용이 증가하기 때문. 그렇지만 서로 상쇄되기 때문에 전체적인 △H의 효과는 작다.
△Ssolvent > 0 : 비극성 기들은 펼쳐진 상태에서 물분자들에 질서를 강요하기 때문이다.
극성기에서 △G 는 거의 0에 가깝다.
△Hchain > 0
△Hsol < 0
△Ssolvent > 0 : 극성분자 주변에서도 물분자들은 어느 정도 질서를 강요받는다.
따라서 단백질 구조의 안정성에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 바로 비극성기에 대한 △Schain 라는 것이 명확하다.
2. 표준상태와 표준자유에너지 변화
표준상태 (표준조건 하에서의 상태): 생리적인 조건은 모두 다르기 때문에 상대적인 비교를 위해 표준조건을 설정
pure solids, pure liquids, 1 기압의 gas
각 성분의 초기농도가 1 M, pH 7.0, 상온 (25℃)
화학과 물리학에서 사용하는 표준상태와 생화학에서 사용하는 표준상태와의 차이가 있다.
생물체는 pH 7.0과 상온 상태에 있으며, 물에 존재한다.
따라서 Keq와 Keq'에는 차이가 있다. Keq'에는 [H+]와 [H2O]가 포함되어 있다.
A + B 반응이 평형에 도달하면 aA + bB ↔ cC + dD
△G = △Go' + RT 
△Go : 표준자유에너지 변화, 반응물의 본질
△Go' : pH 7에서의 표준자유에너지 변화
R: gas constant, 8.31 J/mol K
RT
: 반응물의 농도
평형상태에서 △G = 0 이므로
0 = △Go' + RT 
1 M, 1 atm 의 표준상태에서
평형상수
△Go' = - RT 
=
-2.303 RT 
= -2.303 x 1.98 x 10-3 x 298 x 
평형상태에서 반응물과 생성물의 농도를 알면 평형상수 Keq'의 계산이 가능하고 따라서 △Go'의 계산도 가능해진다.
Keq' = 10-△Go'/2.303RT = 10-△Go/1.36
Keq' |
△Go' |
10-4 |
5.46 |
10-1 |
1.36 |
1 |
0 |
10 |
-1.36 |
Keq' = 0.0475 이고, A의 초기농도는 2 X 10-4 M, B의 초기농도는 3 X 10-6 M 인 A → B 반응의 △G 는 ?
△Go' = -2.303 RT 
=
-2.303 RT 
= 1.8 kcal/mol
△G = 1.8 + 2.303 RT 
= 1.8 - 2.5
= - 0.7 kcal/mol
*반응에 있어서 자발성의 기준은 △Go' 가 아니라 △G 이다.
화학적으로 짝지워진 일련의 반응들에 대한 전체 자유에너지 변화는 개개의 단계들의 자유에너지 변화의 합과 같다.
따라서 표준조건하에서 전체의 합이 음의 값을 가지면 연결된 반응들은 자발적으로 진행될 수 있다.
A → B + C △Go'= +5 kcal/mol
B→ D △Go'= -8 kcal/mol
----------------------------------------------
A → C + D △Go'= -3 kcal/mol
열역학적으로 불리한 반응이 그것과 연결된 열역학적으로 좋은 반응에 의해 추진될 수 있다 (공통적인 중간산물인 B에 의해 연결되어 있다). 이것을 에너지 연결 (energy coupling)이라 한다. 생체 내에서 이러한 에너지 연결에는 세가지 형태가 이용된다.
by ATP: 자유에너지의 전달자
by conformational changes
by the flow of ions across membranes
이중에서도 ATP는 생체계에서 일어나는 에너지 교환에 있어서 중추적인 역할을 한다.
열역학적으로 불리한 화학반응의 진행은 다음 두가지 방법에 의해 이루어진다.
(1) driven by the subsequent reaction
k1 k2
A → B → C
k1 = 0.1 = [B]/[A]
k2 = 100 = [C]/[B]
전체 반응 k1 k2 = [B]/[A] x [C]/[B]
= [C]/[A] = 0.1 x 100 = 10
(2) driven by ATP
ATP 가수분해는 연결된 반응들의 평형을 108 의 곱으로 증가시킨다.
다음과 같은 과정을 가정해보자.
A → B : △Go'= + 4 kcal/mol
25 ℃에서 Keq' = [B]eq /[A]eq
= 10 -△Go'/1.36 = 1.15 x 10-3
A에 대한 B의 몰비가 1.15 x 10-3 과 같거나 더 클 때 A는 자발적으로 B로 전환될 수 없다. 그러나 [B]/[A] > 1.15 x 10-3 일 때 ATP와 짝지워지면
A + ATP + H2O → B + ADP + pi + H+
△Go' = -7.3 + 4 = -3.3 Kcal/mol
Keq' =
([B]eq/[A]eq) x ([ADP]eq [pi]eq/[ATP]eq) = 
= 2.67 x 102
세포 내의 [ATP]/([ADP][pi])의 비는 500 이므로
즉, 1.34 x 105/ 1.15 x 10-3 = 108
2. ATP : 에너지 전달자
ATP는 adenine, ribose, triphosphate unit로 구성되며 보통 Mg++ , Mn++와의 complex로 존재
ATP는 energy rich molecule: 삼인산기가 두개의 무수 인산결합을 이루고 있기 때문에 고에너지 분자로 작용한다. 이 무수인산 결합이 가수분해되면서 각각 - 7.3 kcal/mol 의 △Go'를 방출한다. 실제로는 단순한 가수분해에 의한 에너지 방출이 아니라 그룹 전이에 의한 에너지 공급이다. 따라서 고에너지 인산화합물 또는 고인산기 전달 전위를 가진다고 말하는 것이 정확하다. 다만 근육수축에서 ATP의 작용은 단순히 가수분해에 의한 것이다.
ATP + H2O → ADP + pi + H+
ATP + H2O → AMP + ppi + H+
이들 ATP, ADP, AMP 들은 adenylate kinase에 의해 상호전환이 이루어진다. 이 효소는 ATP + AMP → 2 ADP 반응을 촉매한다. 가수분해에 따른 △Go'값은 이온농도와 Mg++, Ca++의 농도에 따라 약간씩 다르다.
2-1. ATP가 자유에너지의 매개체 역할을 하는 이유
(1) interconvertable (ATP-ADP cycle); 전형적인 세포에서 ATP 분자는 생성된지 1분 이내에 소비된다. 즉, ATP는 매우 신속하게 전환이 이루어진다. ATP는 자유에너지의 long-term storage가 아니라 immediate donor로 사용된다 (하루 2500 kcal의 에너지를 소모한다고 가정하면 2500/7.3 = 350 mol의 ATP 생성이 필요하다. 그러나 실제 생체 내 존재하는 양은 0.1 mol에 지나지 않는다).
(2) intermediate group-transfer potential
(3) ATP has high energy bonds; ATP는 구조적으로 높은 인산기 전달 전위를 가진다. 세가지의 이유가 있다.
첫째, electrostatic repulsion(정전기적 반발)이 ADP에서 훨씬 약하다.(pH와 Mg++ 농도와도 관련)
둘째, 용해도는 ADP와 pi가 훨씬 좋다: pH가 증가하면서 음전하가 증가하여 ATP의 정전기적 긴장은 증가한다.
세째, resonance stabilization(공명안정화); ADP와 Pi는 ATP보다 훨씬 좋은 공명안정화를 누린다.