[ 에너지와 물질대사]

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[ 에너지와 물질대사]

에너지평형과 대사조절

Chapter 10

(2)

물질대사(metabolism)는 생체의 화학적 반응의 총칭

 생체의 물질대사는 물질과 에너지를 변형시킨다.

물질대사의 기본 개념

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물질대사(metabolism)의 정의

물질대사의 기본 개념

• Metabolism: the sum total of the chemical reactions of biomolecules in an organism; It is the biochemical basis of life processes

• Catabolism: the breakdown of larger molecules into smaller ones; an oxidative process that releases energy

• Anabolism: the synthesis of larger molecules from smaller ones; a reductive process that requires energy

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이화작용(catabolism)과 동화작용(anabolism)

 이화작용 경로는 복잡한 분자를 보다 단순한 화합물로 분해시킴으로써 에너지를 생성(방출)한다. e.g 세포 호흡

 동화작용 경로는 보다 단순한 분자로부터 복잡한 분자로 합성하기 위해서 에너지를 소비(흡수)한다. e.g. 단백질 합성

물질대사의 기본 개념

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대사경로(metabolic pathway)

 하나의 대사경로는 특정 물질에서 시작해서 최종생성물에서 끝난다.

 각 단계는 특정한 효소에 의해서 촉매된다.

물질대사의 기본 개념

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에너지의 개념과 형태

 에너지는 변화를 일으키는 능력이다.

 에너지는 다양한 형태로 존재하며, 어떤 것은 작업을 수행할 수 있다.

 운동에너지는 움직임과 관계된 에너지이다.

 열에너지는 원자나 분자들의 무작위 운동과 관련된 운동에너지이다.

 열은 한 물체에서 다른 물체로 전달되는 열에너지이다.

 빛은 일을 수행할 수 있게 해줄 수 있는 또다른 형태의 에너지이다.

 위치에너지는 위치나 구조 때문에 물질이 갖게 되는 에너지이다.

 화학에너지는 어떤 화학반응에서 방출되는 위치에너지이다.

 에너지는 한 가지 형태에서 다른 형태로 변환된다.

에너지의 개념과 변환

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Animation: 에너지의 개념

에너지의 개념과 형태

에너지의 개념과 변환

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에너지 변환(열역학의 법칙)과 생물계

 열역학은 에너지 변환에 관한 학문이다.

 열린 계에서 에너지와 물질은 계와 그의 주변환경 간을 이동할 수 있다.

 고립된 계에서는 주변환경과 교환이 일어날 수 없다.

 생물은 열린 계이다.

에너지의 개념과 변환

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Laws of Thermodynamics apply to living organisms

에너지의 개념과 변환

 Living organisms cannot create energy from nothing

 Living organisms cannot destroy energy into nothing

 Living organism may transform energy from one form to another

 In the process of transforming energy, living organisms

must increase the entropy of the universe

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열역학의 제1법칙 (에너지 보존)

 열역학 제1법칙에 따르면 우주의 에너지는 불변한다.

 에너지는 이전되고 변형될 수는 있으나 창조되거나 소멸할 수는 없다.

에너지의 개념과 변환

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열역학의 제2법칙 (엔트로피의 증가)

 에너지 이전과 변환 과정 동안 에너지 중 일부는 열로 방출된다.

 열역학 제2법칙에 따르면, 이전되거나 변환되는 모든 에너지는 우주의 엔트로피를 증가시킨다.

 엔트로피는 무질서 혹은 무작위성의 척도이다.

에너지의 개념과 변환

자연계현상의 방향: 질서(낮은 엔트로피) → 무질서(높은 엔트로피)

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자유에너지 변화(∆ G ), 안정성, 평형

 살아있는 계의 자유에너지(Gibbs energy, G)는 살아있는 세포에서처럼 온도와 압력이 일정할 때 작업을 수행할 수 있는 에너지이다.

 생물학자들은 생명체의 화학적 반응들을 이해하게끔 해 주는 자유에너지의 변화를 측정한다.

 화학반응 중에서의 자유에너지 변화 (∆G)는 마지막 상태의 자유에너지와 최초 상태의 자유에너지의 차이를 나타낸다.

∆ G = G _{마지막 상태} – G _{최초 상태}

자유에너지와 물질대사

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자유에너지 변화(∆ G ), 안정성, 평형

 마이너스 ∆G를 갖는 반응만 자발적(spontaneous, energetically favorable)으로 일어난다.

 자발적인 과정은 일을 수행할 수 있도록 해준다.

 자유에너지는 더 안정한 상태로 변화하려는 경향, 즉 어떤 계의 불안정성 정도의 측정치이다.

 자발적인 변화 동안에 자유에너지는 감소하며 계의 안정성은 증가한다.

자유에너지와 물질대사

안정성, 작업능력, 자발적 변화의 자유에너지 관계

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에너지 평형(equilibrium)

 평형에서는 전진과 후진 반응이 같은 속도로 일어나며, 안정성이 최대인 상태이다.

 어떤 과정이 평형을 향하여 이동되고 있을 때만 그 과정은 자발적이고 일을 수행할 수 있다.

자유에너지와 물질대사

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자유에너지와 물질대사

 자유에너지의 개념을 생명체 과정의 화학에 적용할 수 있다.

 발열반응은 자유에너지의 방출을 계속하며 자발적이다; ∆G는 음의 값.

 ∆G의 크기는 그 반응이 수행할 수 있는 일의 최대량을 나타낸다.

자유에너지와 물질대사

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자유에너지와 물질대사

 흡열반응은 주변환경으로부터 자유에너지를 흡수하며 비자발적이다; ∆G는 양의 값

 ∆G 크기는 그 반응을 이끌어내는데 요구되는 에너지의 양이다.

자유에너지와 물질대사

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Energetics of Biochemical Reactions

자유에너지와 물질대사

 Hydrolysis reactions tend to be strongly favorable (spontaneous) ∆G° < 0

 Isomerization reactions have smaller free-energy changes

 Isomerization between enantiomers: ∆G° = 0

 Complete oxidation of reduced compounds is strongly favorable

 Recall that being thermodynamically favorable is not

the same as being kinetically rapid

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에너지 평형과 물질대사

 수력발전계로 살아있는 시스템에서의 화학적 반응들을 유추해 볼 수 있다.

 고립된 계에서의 반응들은 결국은 평형에 도달되며 작업을 할 수 없게 된다.

자유에너지와 물질대사

 세포들은 평형에 있지 않다; 세포들은 물질들이 계속 이동하게 하는 열린 계이다.

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에너지 평형과 물질대사

 세포 내의 이화작용경로는 일련의 반응들에서 자유에너지를 방출한다.

 각 반응의 생성물은 다음 반응의 반응물이며, 계가 평형에 도달하지 못하도록 한다.

자유에너지와 물질대사

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Role of ATP as Energy Currency (통화, 화폐)

생체에너지 : ATP (adenosine triphosphate)

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ATP(adenosine triphosphate)는 발열반응과 흡열반응을 연계

 작업을 하기 위해서 세포는 발열과정을 이용하여 흡열과정을 추진하게 하는 에너지 연계로 에너지 자원들을 관리한다.

 세포 내의 대부분의 에너지 연계는 ATP에 의해서 중재된다.

 ATP는 리보오스(당), 아데닌(질소성 염기)과 3개의 인산기를 갖는다.

ATP 구조의 stick model

생체에너지 : ATP (adenosine triphosphate)

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ATP의 가수분해와 에너지 방출

 ATP 인산기들 간의 결합은 가수분해로 말단 인산이 끊어지면서 에너지가 방출된다.

 이러한 에너지 방출은 더 낮은 자유에너지 상태로의 화학적 변화에서 나온다

 ATP 가수분해는 3개의 음전하 인산기의 반발력때문에 많은 에너지를 방출한다.

 ATP의 3인산 꼬리는 압축된 스프링과 화학적으로 동등하다.

생체에너지 : ATP (adenosine triphosphate)

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ATP의 가수분해를 이용한 에너지 연계

 ATP 가수분해는 세 가지 유형의 세포 작업 (화학적, 수송, 기계적)을 수행하게 한다.

 세포는 ATP 가수분해에서 방출되는 에너지를 흡열반응이 일어나게 하는데 사용될 수 있다.

 생성물과 같은 다른 분자에 인산기를 전달하는 인산화에 의해서 ATP는 흡열과정이 일어나게 한다.

 이때 인산기의 수령자는 인산화된 중간대사산물이라고 한다.

 전체적으로 볼 때, 연계된 과정들은 발열반응이다.

생체에너지 : ATP (adenosine triphosphate)

ATP에 의한 화학적 작업

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ATP의 재생

 ATP는 ADP에 인산을 첨가해서 재생될 수 있는 갱신 가능한 자원이다.

 ADP를 인산화시키는데 필요한 에너지는 세포 내의 이화작용으로부터 나온다.

 ATP 회로는 이화작용에서 동화작용 경로로 전환하는 동안에 에너지를 전해주는 회전문이다.

생체에너지 : ATP (adenosine triphosphate)

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자유에너지 변화(

^∆G

)와 활성화 에너지

 어떤 화학반응을 시작하기 위해 초기에 투입되는 에너지를 활성화 자유에너지 혹은 활성화 에너지 (E_A) 라고 한다.

 활성화 에너지는 대개 반응 분자들이 주변으로부터 받아들이는 열에너지 형태로서 공급된다.

활성화 에너지와 효소

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 열에 의존하는 대신 생물은 반응 속도를 높이기 위해 촉매 작용을 수행한다.

 생촉매 효소는 자유에너지 변화 (∆G)에 영향을 주지 않고, 활성화 에너지 장벽을 낮춤으로써 대사반응을 촉진한다(반응속도 증가).

활성화 에너지 장벽과 효소(enzymes)

활성화 에너지와 효소

Animation: 효소에 의한 반응속도 증가

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효소의 특성(기질특이성, substrate specificity)

 효소는 촉매하는 반응에 매우 특이적이다.

 효소가 작용하는 반응물은 효소의 기질이라 부른다.

 효소는 그 기질과 효소-기질 복합체를 형성한다.

 활성 부위는 기질에 붙는 효소의 부위이다.

 효소의 특이성은 활성 부위의 모양과 기질의 모양 간의 조화된 적합에서 나온다.

효소와 기질의 유도적합 모델

효소의 특성과 대사조절

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효소의 특성(반응조건과 보조인자)

 각 효소는 반응 속도가 최대가 되는 최적의 온도와 pH를 갖는다.

효소의 특성과 대사조절

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효소의 특성(반응조건과 보조인자)

 보조인자들은 이온형태의 금속이온과 같은 무기물이거나 혹은 유기물이다.

 유기물 보조인자를 조효소라 부르며 대부분의 비타민은 조효소이다.

효소의 특성과 대사조절

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효소활성의 조절: 물질대사의 통제

 세포는 특정한 효소를 암호화하는 유전자를 켜고 끄거나, 혹은 효소의 활성을 조절함으로써 물질대사를 통제한다.

 다른자리 입체성 조절(allosteric regulation): 각 효소는 활성 형태와 불활성 형태가 있다.

효소 유전자발현 조절 효소활성 조절

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