본문내용
1. 생화학적 원리
1.1. 자유에너지와 표준 상태
자유에너지 변화(?G)와 표준조건에서의 자유에너지 변화(?G°)는 밀접한 관계가 있다. 표준상태는 화학반응을 비교하기 위해 사용되는 반응 조건에 대한 기준으로, 주로 온도 25℃, 압력 1기압, 용질의 경우 1몰의 농도로 정의된다. 이러한 표준상태에서의 자유에너지 변화(?G°)는 반응물과 생성물의 농도에 따라 결정되는 자유에너지 변화(?G)와 다음과 같은 관계가 성립한다.
?G = ?G° + RT`ln {[C] ^{c} [D] ^{d}} over {[A] ^{a} [B] ^{b}}
여기서 R은 기체상수, T는 절대온도이며, [A], [B], [C], [D]는 각각 반응물과 생성물의 농도를 나타낸다. 따라서 주어진 조건하에서의 자유에너지 변화(?G)는 표준조건에서의 자유에너지 변화(?G°)와 반응물과 생성물의 농도에 따라 결정된다. 반응이 평형상태일 때, 자유에너지 변화(?G)가 0이 되므로 이때의 농도 비는 평형상수 Keq와 관계가 있다. 즉, ?G°=-RT ln Keq가 성립하게 된다.
자유에너지 변화(?G)는 반응의 자발성과 가역성을 판단할 수 있는 지표이다. 자유에너지 변화가 음의 값(-?G)을 가지면 자발적인 반응이 일어나고, 양의 값(+?G)을 가지면 비자발적인 반응이 일어난다. 또한 양의 값과 음의 값이 같은 크기를 가지면 양방향 반응이 가역적으로 일어난다. 이러한 자유에너지 변화의 개념은 생명체의 대사 과정에서 에너지 출입과 관련하여 중요한 역할을 한다.
생화학적 실험에서는 표준 상태의 온도, 압력, 용질 농도 등이 맞지 않는 경우가 많아 변형된 표준 상태를 사용한다. 예를 들어 세포 내 pH가 중성(pH=7.0)이므로 수소이온 농도를 1×10??M로 정하는 등의 변형이 필요하다. 이때 변형된 표준 상태에서의 자유에너지는 ?G°'로 표시한다.
ATP의 가수분해 반응과 같은 많은 생화학 반응들은 이러한 변형된 표준 상태에서 자유에너지 변화가 음의 값을 가져 자발적으로 일어나는 것으로 알려져 있다. 이처럼 생명체의 대사 과정에서 일어나는 화학 반응들은 표준 상태와는 다른 조건에서 진행되므로, 이에 맞는 변형된 표준 상태의 자유에너지 개념을 적용하여 이해할 수 있다.
1.2. 대사의 본질
대사(metabolism)는 생명체 내에서 일어나는 모든 생화학 반응의 총체이다. 대사에는 크게 두 가지 과정이 있는데, 분해대사(catabolism)와 합성대사(anabolism)이다. 분해대사는 영양분이 분해되어 에너지를 제공하는 과정이며, 합성대사는 단순한 화합물로부터 복잡한 생체 고분자 화합물이 합성되는 과정이다. 이 두 과정은 상보적으로 작용하여 생명체가 생존할 수 있게 한다.
생명체는 주변 환경과 물질과 에너지를 끊임없이 교환하는 열린계이다. 이러한 열린계 속에서 생명체는 평형상태에 있지 않지만, 안정한 동적 평형상태를 유지한다. 이 동적 평형상태가 생명체가 열역학적으로 효율적으로 작동할 수 있게 해준다. 일리야 프리고진은 이러한 비평형 열역학에 대한 업적으로 1977년 노벨 화학상을 수상하였다.
생명체 내부에서 일어나는 대사과정은 열역학 법칙에 따르지만, 생명체 자체는 독특한 열역학적 계라고 볼 수 있다. 이는 생명체가 주변과 끊임없이 물질과 에너지를 교환하며, 평형상태가 아닌 동적 평형상태를 유지하기 때문이다. 이러한 생명체의 특성은 생명체가 외부로부터 에너지를 공급받아 자신의 구조와 기능을 유지할 수 있게 해준다.""
1.3. 산화와 환원의 역할
산화와 환원은 생물체 내에서 일어나는 대사활동의 핵심적인 과정이다. 산화-환원 반응은 전자의 이동을 수반하는 반응으로, 이를 통해 생물체는 에너지를 생산하고 다양한 생체 물질을 합성할 수 있다.
먼저, 산화란 물질이 전자를 잃는 과정으로, 전자를 잃은 물질은 산화되었다고 한다. 반대로 환원은 물질이 전자를 얻는 과정으로, 전자를 얻은 물질은 환원되었다고 말한다. 예를 들어 금속 Zn이 산화되어 Zn2+이온이 되면 전자를 잃게 되고, 반대로 Cu2+이온이 환원되어 금속 Cu가 되면 전자를 얻게 된다.
생체 내에서 일어나는 대표적인 산화-환원 반응은 글루코오스의 산화 과정이다. 글루코오스가 점진적으로 산화되면서 최종적으로 이산화탄소와 물로 분해되는데, 이 과정에서 다수의 전자가 전달된다. 이때 전자를 받아들이는 최종전자수용체는 산소(O2)이다. 즉, 산소는 전자를 받아들여 환원되는 역할을 한다. 이처럼 생물체 내에서 전자의 흐름은 여러 단계의 산화-환원 반응을 통해 이루어지며, 이를 통해 생물체는 에너지를 생산하고 각종 생체 물질을 합성할 수 있다.
또한 산화-환원 반응에는 보조효소들이 중요한 역할을 한다. 대표적인 보조효소인 NAD+와 NADH, FAD와 FADH2는 산화-환원 반응의 전자 수용체 및 공여체로 작용한다. 이러한 보조효소들은 산화 과정에서 전자를 받아들여 환원형태가 되고, 합성 과정에서는 전자를 공여하여 산화형태로 전환된다. 즉, 보조효소들은 산화-환원 반응을 촉진하고 연결하는 역할을 한다.
결과적으로 생물체 내 산화-환원 반응은 에너지 생산과 다양한 생체 물질의 합성에 필수적이며, 이 과정에서 보조효소들이 중요한 역할을 담당하고 있다고 볼 수 있다."
1.4. 보조효소와 산화-환원 반응
보조효소와 산화-환원 반응은 생명체의 대사과정에서 매우 중요한 역할을 담당한다. 보조효소는 반응에 참여하는 비단백질 물질이며, 반응이 끝나면 재생되어 다시 사용될 수 있다.
산화-환원 반응은 전자전달 반응으로, 한 반응물에서 다른 반응물로 전자가 이동하는 과정이다. 산화는 전자를 잃는 과정이며, 환원은 전자를 얻는 과정이다. 생체 내에서 일어나는 산화-환원 반응은 전자전달을 통해 이해할 수 있다.
대사과정에서 중요한 보조효소로는 NADH, NADPH, FAD 등이 있다. NADH와 NAD...
