Bioenergetics [열역학]

운동생리학을 공부하기에 앞서 우리는 ​Bioenergetics에 대한 이해가 필요하다.

Bioenergetics는 생화학을 통한 에너지 흐름과 관련된 생화학 및 세포 생물학 분야이다. 즉, 생체에너지학이라는 뜻이다. 이것은 살아있는 유기체의 에너지 변환 연구와 세포 호흡과 같은 수천 가지의 다른 세포 과정 연구와 에너지 생산 및 이용으로 이어지는 다른 많은 대사 및 효소 과정에 대한 연구를 포함하는 생물학적 연구의 활발한 영역이다. 아데노신 트리 포스페이트 (ATP) 분자와 같은 형태. 즉, 생체 에너지학의 목표는 생물체가 생물학적 작업을 수행하기 위해 어떻게 에너지를 획득하고 변환시키는지를 설명하는 것이다. 따라서, 대사 경로에 대한 연구를 하기위해서는 Bioenergetics는 필수적이다.

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생체에너지(Bioenergetics)

The study of energy transfers within living things

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생체에너지론(Law of Thermodynamics)

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열역학 제1법칙

- 에너지는 생성되거나 파괴될 수 없고 다른 유형으로 변화할 수 있다.

* 비생명체계 : 화학적 에너지"열 에너지(기름"가스버너"열)

* 생명체계: 화학적 에너지"역학적에너지(영양소"근육운동)

즉, 에너지가 생산되고, 소비되거나, 또는 신체에서 사용되는 것이 아니라, 다른 형태로 변하는 것이다.

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열역학 제2법칙

- 에너지 전이는 free energy(자유에너지)의 방출과 entrophy의 증가 방향으로 진행된다.

고질에너지에서 저질에너지로 흐르는 것을 얘기한다. 즉, 유용한 에너지에서 유용하지 않은 에너지로 흐르는데,

그 흐름의 끝은 열에너지이다.

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생체에너지론은 이러한 에너지변화가 일어나는 이유에 대해 이해하는 것을 가능하게 한다.

외우도록하자. 굉장히 중요하다.

 

 

 

Energy is used to produce the vast organic molecules, active transport, cell division, endocytosis, muscle contraction

* 세포내 화학적 반응은 enthalpy, entropy, free energy에 의해 영향을 받는다.

① Enthalpy (엔탈피) : 총 반응열(총 에너지 함량)

② Entropy (엔트로피) : 무질서도

③ Free energy (자유에너지) : 화학적 일을 할 수 있는 에너지

 

* 에너지 보존의 법칙 :

- 어떤 물리․화학적 변화에서도 우주에서의 에너지 총량은 일정하게 유지된다.

- 모든 자발적인 과정에서는 우주의 entropy가 증가한다.

* Metabolism :

- Chemical transformation that occur a cell or organism

- Enzyme catalyzed reaction that constitute metabolic pathways

- Catabolism (분해, 이화) : 큰분자를 분해 → 작은 분자 + 에너지생산

- Anabolism (합성, 동화) : 큰분자를 합성 → 전구체나 에너지를 요구

 

1. Bioenergetics and thermodynamics(생체에너지론과 열역학)

생물학적 에너지 전환은 열역학의 법칙을 따른다.

 

1) 자유에너지 (Free energy)

- 일정한 온도 압력하에서 일을 할 수 있는 양을 나타낸다.

Gibbs free energy (G) : can not be measured(측정될 수 없다)

△G (반응계에서 Gibbs 자유에너지 변화) : can be measured

ex) A B

△G = GB - GA

A 가 B로 전환됨으로써 이용할 수 있는 에너지의 최대량

* - △G : 발열반응 (exergonic reaction), 자발적인 반응

* + △G : 흡열반응 (endergonic reaction), 비자발적인 반응

 

① 자유에너지변화 → 열역학적 성질로 표현

△G = △H - T△S

△H : enthalpy change[일정한 압력하에서 열량의 변화]

△S : entropy change[무질서의 정도]

T : absolute temp. (절대온도) : 273 + 실제온도

 

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② 표준자유에너지변화 → 평형상수(Keq)로 측정할 수 있다

△G = △G'° + RTlnK'eq

△G'° : 표준자유에너지 변화

{25℃, 1atm, [A], [B] = 1mol, pH=7}

R : gas 상수 (1.987cal/mol.K)

T : 절대온도

[A],[B] : mol 농도

평형상태에서(at equilibrium), △G = 0

0 = △G'° + RT ln K'eq

△G'° = - RT ln K'eq

R : 1.987 cal/mol, at 25℃, T=298

ln : 2.303 log Keq

△G'° = -(1.987)(298) log Keq = -1363 logKeq

 

③ 실제적인 자유에너지 변화는 반응물과 생성물의 농도에 의존한다.

④ 화학반응이 진행하는 방향과 범위는 엔탈피와 엔트로피에 의하여 결정

⑤ 표준자유에너지 변화는 부가적이다.

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2. Phosphate group transfers and ATP(인산기 전달과 ATP)

 

* ATP, high-energy phosphate compound (고에너지 인산화합물)

 

1) Free-energy change for ATP hydrolysis is large and negative

① ATP + H2O → ADP + Pi

△G'° = -7,300 cal/mol (30.5kJ/mol)

② Glucose + Pi → Glucose-6-ⓟ + H2O

△G'° = + 3,300 cal/mol (13.8kJ/mol)

① + ② ATP + Glucose = Glucose-6-ⓟ + ADP

△G′° = (13.8kJ/mol) + (-30.5kJ/mol) = -16.7kJ/mol

③ AMP + H2O → Adenosine + Pi △G'° = -3,400 cal

④ ATP + H2O → AMP + Pi-Pi + 2H+ △G'° = -10,900 cal

◎ ATP hydrolysis : △G의 값이 living cell에서 매우 다르다.(why)

- 농도가 1.0M 이하이며, ATP, ADP, Pi 농도가 동일하지 않다

- Mg는 ATP, ADP 와 결합

 

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2) Other phosphorylated compounds and thioesters also have large free energies of hydrolysis

① 1,3 bisphosphoglycerate + H2O → 3-phosphoglycerate + Pi + H+

△G'° = -49.3kJ/mol

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② Phosphoenolpyruvate + H2O → Pyruvate + Pi (enol form) ------

△G'° = -6,800 cal

--- (Tautomerization) ----→ Pyuvate (keto form)

△G'° = -8,000 cal

Total △G'° = -61.9kJ/mol

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③ Phosphocreatine + H2O → creatine + Pi

△G'° = -43.0kJ/mol

* Creatine - 공명구조 가능 (stable)

* Phosphagen - 인산을 저장하는 역할

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④ Acetyl CoA + H2O → CH3COOH + CoASH + H+

△G'° = -31.4kJ/mol

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* 고에너지 인산화합물 : △G'°-25kJ/mol 이상

* ATP는 단순한 가수분해가 아닌 기 전달반응에 의해 에너지를 공급한다.

* ATP는 인산기, 파이로인산기, 아데닐릴기 등을 제공한다.

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3. 생물학적 산화-환원반응(Biological oxidation-reduction reactions)

* 산화-환원 반응은 전자가 공여체에서 수용체로 이동하는 반응이다.

* 대사에서 전자전달반응(electron transfer reaction)과 Phosphate group의 전달반응은 중요한 과정이다.

1) 전자의 흐름은 생물학적 작용을 할 수 있다.

2) 산화-환원 반응은 반쪽반응으로 설명될 수 있다.

 

* Half reaction (반쪽반응):

- 전자의 공여체 (수용체)를 나타내지 않은 반응으로 산화환원반응 설명

ex) Fe2+ + Cu2+ ↔ Fe3+ + Cu+

ⅰ) Fe2+ ↔ Fe3+ + e- (산화) - 전자공여체

ⅱ) Cu2+ + e- ↔ Cu+ (환원) - 전자수용체

 

* 산화제 (Oxidizing agent) : 전자수용체 (electron-accepting)

환원제 (Reducing agent) : 전자공여체 (electron-donating)

3) 생물학적 산화는 가끔 탈수소화반응과 관계가 있다 ex) dehydrogenase

4) 환원전위는 전자에 대한 친화성의 척도다

4) 표준 환원 전위는 자유에너지 변화를 측정하게 한다.

- 산화 환원 반응에서 자유에너지 변화를 표준환원전위 (standard reduction

potential(E'°) : 측정단위는 볼트이다) 로부터 측정이 가능하다.

* △G'°= -nF△E'°

△G'°: 표준자유에너지 변화

n : 이동하는 전자수

F : Faraday 상수 (23,062cal/V․mole)

△E'° : 표준상태에서 전자공여체와 수용체 사이에 발생하는 환원전위변화

* 수소의 표준환원전위 : E'° = - 0.42 volt (1기압, pH = 7.0, 25℃)

← more ㊉potential : good oxdizing agent (electron acceptor)

← more ㊀potential : good reducing agent (electron donor)

* △E'° = (E'° of half reaction containing the oxdizing agent) -

(E'o of half reaction containing the reducing agent)

ex) Acetaldehyde + NADH + H+ → ethanol + NAD+

산화제 환원제

[half reaction]

ⅰ) acetaldehyde + 2H+ + 2e- → ethanol (E'° = -0.197 V) → 환원

ⅱ) NAD+ + 2H+ + 2e- → NADH + H+ (E'° = -0.320 V)

[△E'° = (-0.197 V) - (-0.320 V) = 0.123 V]

ⅲ) △G'° = -nF△E'° = -2(96.5kJ/V.mol)(0.123V)

= -23.7kJ/mol

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* 전자는 more positive E를 가진 반쪽전지로 흐르는 경향이 있다.

 

5) 세포내에서 Glucose가 CO2로 되는 산화는 특별한 전자 운반체를 요구한다

① A few type of cofactors and proteins serve as universal electron carriers

- 세포내 효소들은 수백개의 다른 기질로부터 여러 형태의 일반적인 전자운반 체를 통하여 산화반응을 촉진한다.

- 수용성 보효소(NAD+, NADP+, FMN, FAD)는 대사에서 많은 전자전달반응의 가역적 산화환원반응을 보조한다.

- FAD+, FMN : Flavoprotein에 강하게 결합하는 보결원자단이다.

- 철-황단백질, cytochrome은 가역적으로 산화환원반응을 하는 단백질로 보결 원자단을 가진다.

 

② NADH and NADPH act with dehydrogenases as soluble electron carrier

(NADH와 NADPH는 가용성 전자운반체로서 dehydrogenase와 함께 작용한다)

 

③ Niacin(nicotinic acid) : 트립토판으로부터 합성

- 니아신의 결핍은 NAD(P)의존 dehydrogenase에 영향을 주어 심각한 펠라그라 증세를 보인다.

- 펠라그라 3D 증세 : 피부염, 설사, 치매

 

◎ 산화환원 반응을 촉매할 때 electron doner 및 acceptor가 없으면 enzyme가 작용하지 못함 이 역할을 하는 것이 산화환원 조효소 (redox coenzyme)

ex) NAD, FAD

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◎ 열역학법칙

1. 열역학 제1법칙(the first law of thermodynamics) :

우주의 총에너지 양은 일정하다. 에너지는 창조되거나 파괴될 수 없지만 한 형태에서 다른 형태로 전환될 수는 있다

2. 열역학 제 2법칙(the second law of thermodynamics) :

우주의 무질서는 항상 증가한다. 모든 화학적․물리적 작용은 무질서가 증가할 때만 자발적으로 일어난다.

3. 열역학 제 3법칙(the third law of thermodynamics) :

완전한 고체결정의 온도가 절대영도(0 K)에 접근하면 무질서는 거의 영에 접근하게 된다