12. 에너지, 물질대사
화학반응은 원자들이 결합하거나 결합 상대를 바꾸기에 충분한 에너지를 가지고 있을 때 일어난다. 설탕이 포도당과 과당으로 가수분해되는 반응을 예로 들 수 있다.
| 설탕(C12H22O11) + H2O -> 포도당(C6H12O6) + 과당(C6H12O6) |
이 식에서 설탕과 물은 반응물이며 포도당과 과당은 생성물이다. 반응하는 동안에 설탕과 물의 공유결합 중 일부가 끊어지면서 새로운 결합이 형성되어 원래의 반응물보다 다른 화학적 성질을 가지는 생성물을 만들게 된다. 이러한 생명 계에서 나타나는 모든 화학반응을 우리는 물질대사라고 부른다. 물질대사 반응은 에너지의 변화를 수반한다. 이 식을 보면, 반응물인 설탕의 화학 결합에 들어 있는 에너지는 두 생성물인 포도당과 과당의 공유결합이 가진 에너지보다 더 크다. 물리학자들은 에너지를 일을 할 수 있는 능력이라고 정의하고, 일은 힘이 어떤 물체에 일정 거리 동안 작용할 때 생긴다. 한편, 생화학에서는 에너지를 변화를 일으킬 수 있는 능력이라고 보며 생화학 반응에서 에너지 변화는 대개 분자의 화학적 조성과 특성 변화와 연관되어 있다. 에너지는 화학, 전기, 빛, 열, 기계적 에너지 등과 같은 여러 형태로 이루어져 있다. 하지만 모든 형태의 에너지는 기본적으로 2종류로 나뉜다. 우선 위치에너지가 있다. 위치에너지는 상태 또는 위치의 에너지로써 저장된 에너지다. 화학 결합, 농도 기울기, 전하 불균형과 같은 다양한 형태로 저장될 수 있다. 다음으로 운동에너지가 있다. 운동에너지는 일을 하고 사물을 변하게 만드는 종류의 에너지이며 열은 분자의 운동을 일으키고 화학결합을 끊어낼 수 있는 것이 그 예이다. 위치에너지는 운동에너지로 전환될 수 있고, 그 반대로도 가능하며 에너지가 취하는 형태도 전환된다. 빛에너지는 눈을 통해 화학에너지로 전환되어 신경세포에서 전기에너지로 전환되어 뇌로 신호를 전달한다. 우리가 어떤 행동을 할 때 신경과 근육의 전기 및 화학에너지가 손, 발 등의 신체에 운동을 일으키는 운동에너지로 전환된다.
생명체에서 이러한 에너지의 변화는 보통 에너지가 화학결합으로 저장되거나 또는 화학결합을 통해 방출되는 화학적 변화로 일어난다. 동화반응은 동화 작용이라고도 부르며 간단한 분자들을 연결해서 더 복잡한 분자를 만든다. 동화반응은 에너지 투입이 필요하며, 에너지는 형성되는 화학결합에 포획된다. 포획된 에너지는 화학결합에 위치에너지로써 저장된다. 이화 반응은 이화 작용이라고도 부르며 동화반응과는 달리 크고 복잡한 분자를 간단한 분자로 분해하며 화학결합에 저장된 에너지를 방출한다. 설탕이 가수분해되면 에너지가 방출되어 새로운 화학결합에 다시 포획되거나 운동에너지로써 원자, 분자, 세포, 개체를 움직이는 데 사용될 수 있다.
| 설탕 + H2O -> 포도당 + 과당 + 에너지 |
이화 반응과 동화반응은 대개 연계되어 있다. 이화 반응에서 방출된 에너지는 동화반응을 일으키는, 즉 물질대사를 하는 데 사용한다. 위의 식과 같이, 설탕이 포도당과 과당으로 분해되면서 생긴 에너지가 트리글리세리드 합성과 같은 동화반응을 일으키는 데 사용할 수 있다. 이를 통해 우리는 에너지 요구 이상으로 음식을 섭취할 때 지방이 쌓이는 것을 예로 들 수 있다.
열역학 법칙은 에너지의 기본적인 물리학적 특성과 에너지가 물질과 상호작용을 하는 방식을 연구하면서 탄생하였다. 이 법칙은 우주의 모든 물질과 모든 에너지 변환에 적용되며 생명 계에 이 법칙을 적용한다면 생물과 세포가 어떻게 에너지를 얻고 변환시키며 생명을 유지하는지 이해할 수 있다.
- 열역학 제1 법칙: 에너지는 생성되거나 소멸하지 않는다
열역학 제1 법칙에 따르면 어떤 에너지 전환에서도 에너지는 창조되거나 소멸하지 않는다. 따라서 에너지의 전환 시 전환 전과 후의 전체 에너지양은 항상 같다. 탄수화물과 지질의 화학결합에 저장된 위치에너지는 ATP 형태의 위치에너지로 전환될 수 있다. 이 에너지는 근육수축과 같은 기계적인 일이나 단백질 합성과 같은 생화학적 일을 위한 운동에너지로 전환될 수 있다.
- 열역학 제2 법칙: 무질서는 증가하려는 경향이 있다.
에너지는 생성되거나 소멸하지 않지만, 열역학 제2 법칙은 에너지가 한 형태에서 다른 형태로 전환될 때, 그 에너지의 일부는 일하는 데 사용할 수 없다. 따라서 어떤 물리적인 과정이나 화학반응도 효율이 100%가 아니기 때문에, 방출되는 에너지의 일부는 무질서와 관련된 형태로 잃어버린다는 점이다. 무질서는 입자의 열운동에 기인한 일종의 무작위성으로 생각할 수 있다. 이 에너지의 값은 너무 작고 흩어져 있기 때문에 사용할 수 없다. 어떤 계에서 무질서의 척도를 우리는 엔트로피라고 부른다. 계에 질서를 부여하기 위해 에너지가 필요하며 만약, 에너지를 주지 않는다면 이 계는 무작위로 배열되고 결국 무질서해질 것이다.
| 총에너지(H) = 사용 가능 에너지(G) + 사용 불가능 에너지(TS) |
모든 에너지가 사용될 수는 없다. 모든 계에서 총에너지는 일을 할 수 있는 사용 가능 에너지와 무질서로 잃게 되는 사용 불가능 에너지를 포함하고 있다. 생물계의 경우 총에너지는 엔탈피라고 부르며 사용 가능한 에너지는 자유에너지라고 부른다. 자유에너지는 세포의 생장, 분열, 유지에 필요한 모든 화학반응에서 요구된다. 사용 불가 에너지는 엔트로피에 절대온도를 곱한 것으로 표시된다. G, H, S의 절댓값은 측정하지 못하지만, 일정한 온도에서 각각의 변화를 계산할 수 있으며 이러한 에너지의 변화를 칼로리나 줄로 측정할 수 있다. 에너지의 변화는 그리스 문자 델타로 표시되며 모든 화학반응에서 자유에너지 변화는 생성물과 반응물 사이의 자유에너지 차이와 같다.
| Δ G = G(생성물) – G(반응물) |
자유에너지의 변화는 양, 음의 값 모두 가능하며 즉, 생성물의 자유에너지가 반응물의 자유에너지보다 많을 수도 있고, 적을 수도 있다. 생성물이 반응물보다 자유에너지 값이 크다면, 반응에 에너지의 투입이 있어야 한다. Δ G가 음의 값이면 자유에너지가 방출되며, Δ G가 양의 값이면 자유에너지가 요구된다.
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