12. 에너지, 물질대사(2)
화학반응이 엔트로피를 증가시키면, 생성물은 반응물보다 더 무질서하고 무작위적으로 된다. 단백질이 아미노산으로 가수분해되는 것과 같이 반응물보다 생성물이 더 많으면, 생성물은 이동을 위한 상당한 자유도를 갖게 된다. 아미노산 용액의 무질서는 단백질 용액에 비해 더 큰데, 단백질에서는 펩타이드 결합과 다른 힘으로 자유 운동이 억제된다. 따라서 가수분해 시 엔트로피의 변화는 양의 값이 된다. 반대로 생성물의 수가 반응물보다 운동이 더 제한된다면 Δ S는 음의 값을 가진다. 열역학 제2 법칙에 따르면 무질서는 증가하려는 경향을 가진다. 약간의 에너지는 항상 무작위적인 열운동으로 잃게 된다. 화학적 변화, 물리적 변화 및 생물학적 과정은 모두 엔트로피를 증가시키는 경향이 있으며 이는 왜 일부 반응이 한쪽으로만 진행되는지 알려준다. 여기서 질서의 구축은 무질서의 생성과 연계되어 있다. 예를 들어 사람의 몸 1kg(뼈 이외의 조직)을 만들기 위해 약 10kg의 고도로 정돈된 음식의 이화작용이 필요하며 그 결과 이들은 CO2, H2O 등 기타 단순한 분자로 전환된다. 이 과정을 통해 사람의 몸 1kg의 큰 분자에 저장되는 질서의 양(총에너지, 엔탈피)보다 훨씬 더 많은 무질서(더 많은 에너지가 작은 분자에서 엔트로피로 잃어버림)를 생성한다. 또한 생명은 질서를 유지하기 위하여 지속적인 에너지의 투입이 필요하다. 이 에너지가 없다면, 생물계의 복잡한 구조는 붕괴할 것이며, 에너지가 질서의 생성과 유지를 위해 사용되어 생물계에서 열역학 제2 법칙과의 충돌은 없다. 동화반응은 간단한 분자들을 연결하여 더 복잡한 분자를 만들게 되면서 세포 내 복잡성을 증가시키는 경향이 있는 반면에, 이화 반응은 복잡한 분자를 간단한 분자로 분해하기 때문에 복잡성을 감소시키는 경향이 있다. 원칙적으로 화학반응은 가역적이므로, 정방향과 역방향 모두 일어날 수 있다. 질량작용 법칙에 따르면, 물질의 질량 차이를 통해서 정반응과 역반응이 일어난다. 정반응과 역반응이 같은 속도로 일어나는 물질 A와 B의 농도가 존재한다면 이 농도에서 개별 분자들이 여전히 생성되고 분해되지만 계 전체로 보면 어떤 순 변화도 관찰되지 않는다. 정반응과 역반응 사이의 이 균형을 화학평형으로 부르면 화학평형은 순 변화가 없는 상태이며, Δ G=0인 상태이다. 모든 화학반응은 어느 정도까지는 진행되지만 항상 완료되지는 않는다. 각 반응은 고유한 평행점이 존재하고 이는 반응물과 생성물의 상대적인 자유 에너지양과 관련이 있다. 평형 원리를 이해하기 위해 대부분의 세포에서 일어나며 실험실에서도 일으킬 수 있는 포도당 1-인산과 포도당 6-인산의 상호 전환을 예로 들면 고리의 탄소 원자 한 곳에서 다른 곳으로 인산기가 재배열된다.
| 포도당 1-인산 ⇔ 포도당 6-인산 |
포도당 1-인산의 농도가 0.02M인 수용액에서 이 용액은 일정한 환경조건을 계속 유지하고 있다. 반응이 평형을 향해 진행되면서 생성물인 포도당 6-인산의 농도는 0M에서 0.019M으로 상승하는 반면, 반응물인 포도당 1-인산의 농도는 0.02M에서 0.019M로 감소하며 이 지점에서 평형에 도달한다. 평형에서 포도당 6-인산이 포도당 1-인산으로 되는 역반응은 정반응과 같은 속도로 진행된다. 그러면 평형에서 이 반응의 생성물 대 반응물의 비율은 19:1이 되고 따라서 정반응은 95% 완료된 것이다. 모든 반응에 대해 자유에너지의 변화는 그 반응의 평형점과 직접적으로 연관된다. 평형점의 위착 반응 완료 쪽에 가까울수록 더 많은 자유에너지가 방출된다. 자유에너지 감소반응에서 Δ G는 음의 값이다. Δ G의 전체 값은 또한 반응물과 생성물의 초기 농도와 온도와 압력, 용액의 pH 등 기타 조건에 따라 결정된다. 생화학에서는 25도, 1기압, 용질 1M 농도, pH 7인 표준 실험조건을 이용하여 Δ G을 계산한다. 어떤 반응에 대해 Δ G가 큰 양의 값이라는 것은 이 반응은 오른쪽으로(A-> B) 진행되지 않는다. B의 초기 농도가 A보다 높으면 이 반응은 왼쪽으로(A<- B) 진행되고, 평형에서는 거의 모든 B가 A로 전환된다. 0에 가까운 Δ G값은 쉽게 일어나는 가역반응의 특징으로, 반응물과 생성물은 거의 같은 자유에너지를 가진다.
세포는 아데노신 3 인산(ATP)을 이용하여 화학적 일을 하는데 필요한 자유에너지를 포획하고 전달한다. ATP는 일종의 에너지 화폐처럼 이용한다. 물건을 살 때 노동력으로 그 값을 제공하는 것보다. 돈을 내고 물건을 사는 것이 더 효율적인 것처럼, 세포도 서로 다른 반응과 세포 내 과정들 사이의 에너지 전달에 화폐를 사용한다. 그래서 자유에너지 감소반응에서 방출되는 자유에너지의 일부는 아데노신 2 인산(ADP)과 무기 인산으로부터 형성되는 ATP에 포획된다. 그 후에 ATP는 세포에서 가수분해되어 자유에너지를 방출함으로써 자유에너지 증가반응을 일으킬 수 있다. ATP는 세포에서 에너지 화폐의 용도 외에도 다른 중요한 역할을 한다. ATP는 핵산의 조립 단위로 전환될 수 있다. ATP의 구조는 다른 뉴클레오사이드 3 인산과 비슷하지만 두 가지 점에서 특히 세포에 유용하다. 먼저 ATP는 ADP와 Pi로 가수분해될 때 비교적 많은 양의 에너지를 방출한다. 다음으로 ATP는 인산기를 제공함으로써 수많은 다른 분자를 인산화시킬 수 있으며, 이때 분자는 ATP에 저장된 에너지의 일부를 얻는다.
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