[생화학] 12.1 : 생화학 반응의 열역학적 이해 - 1

 

 

이번 포스트부터는 생화학의 다양한 반응 각각에 살펴보기에 앞서, 우선 열역학적 관점에서 생화학 반응들을 이해해보도록 하자.

 

 

 

 

위 그림에도 나타나 있는 것처럼 heterotroph와 autotroph는 서로서로의 생존에 필요한 물질들을 circular하게 교환하고 있음. 실제로 태양빛으로부터 에너지를 얻은 autotroph가 산소와 organic product를 생산하면, 이를 heterotroph가 섭취하게 되고, 이후 heterotroph가 만들어낸 이산화탄소와 물이 다시 autotroph에 공급되게 됨.

 

 

 

 

한편 세포 내에서 일어나는 화학반응 전체를 일컬어 metabolism이라 함. metabolism에는 위 그림에 나타나 있는 anabolism과 catabolism이 포함되는데, catabolism의 산물로 생성되는 대표적인 물질이 ATP, NADH, NADPH, FADH2이며, 이 중 ATP를 제외한 나머지는 mitochondria에서 전자전달계를 통해 ATP 합성에 기여함.

 

 

 

이 때 중요한 것은, 순환이 되어야만 anabolism과 catabolism이 잘 일어날 수 있음. (실제로 catabolism의 결과 생성된 생성산물이 anabolism에서의 반응산물로 다시 들어감을 알 수 있음)

 

 

 

 

한편 위 그림과 같이 생체 내 metabolism 반응은 다양한 형태를 띄고 있음. 특히, 일반적으로 catabolism reaction은 주로 converging하는 형태로 관찰되고, anabolism reaction은 주로 diverging하는 형태로 관찰됨.

 

 

 

 

 

한편, enzyme은 catabolism, anabolism의 각 반응을 촉매해주게 됨. 이 때 일반적으로 이들 enzyme들이 metabolic regulation에서의 타겟으로 작용함.

 

그리고 특정 반응에 있어서 어떤 경우에는 한 효소가 정반응과 역반응을 다 촉진할수도, 다른 경우에는 한 효소가 한 방향의 반응만 촉진할수도 있음. 그 밖에, 세포 내 compartment들마다 reactants, enzyme, regulator의 농도가 다르게 유지되고 있으므로 이 덕분에 compartment에 따라 특이적인 효소반응이 일어날 수 있음. (대표적으로 fatty acid의 분해는 mitochondria에서, fatty acid의 합성은 cytosol에서 일어남)

 

 

다음으로 metabolism이 regulation될 수 있는 방법들에 대해 알아보자. 우선 첫 번째 방법은 substrate의 농도 자체를 달리해주는 것임. 일반적으로 substrate의 농도가 Km보다 작은 범위 내에서는 substrate의 농도에 따라서 반응속도가 많이 달라지게 됨. 그 밖에, metabolic intermediate들이나 coenzyme 등에 의한 allosteric regulation, growth factor들을 비롯한 여러 hormone들에 의한 조절등에 의한 조절 등도 매우 중요함. (hormone들에 의한 조절은 분단위로 일어날수도, 시간단위로 일어날수도 있음)

 

 

 

 

 

생물체 내에서 일어나는 유기화학 반응은 thermodynamic rule을 따름.

 

 

thermodynamics에서의 제 1법칙은 Energy 보존의 법칙임. 이 법칙에 따르면 우주 전체의 energy 총량은 일정하며, energy가 교환되는 것은 가능하지만 우주의 관점에서 새로 생성되거나 소멸되는 energy는 없음. 다음으로 제 2법칙은 우주의 entropy S(disorder, randomness)는 항상 증가한다는 법칙임. 이런 열역학 법칙들은 생명반응에도 그대로 적용됨.

 

 

 

 

실제로 위와 같이 우리가 관심을 가지는 system을 제외한 universe의 나머지 부분을 surrounding이라 함. 이 때 system과 완전히 떨어진 채로 isolate되어 존재하는 isolated system, 혹은 물질 교환을 하지 않는 closed system도 존재하는 반면, matter와 energy를 모두 surrounding과 교환하는 open system도 있음. living organism system은 대표적인 open system임. 이 때 living organism이 자신들의 질서를 더 증가시키면서도 열역학 제 2법칙을 만족하기 위해 결과적으로 surrounding의 S는 더 증가하게 됨.

 

 

다음 포스트에서 이어서 살펴보자.