II. 에너지론, 효소 및 산화환원 3.3 미생물의 에너지 종류 3.4 생물에너지론 3.5 촉매작용과 효소 3.6 전자공여체와 전자수용체 3.7 고에너지 화합물

3.3 미생물의 에너지 종류 대사 (Metabolism) 세포 내에서 일어나는 모든 화학 반응의 총 합 이화 (catabolism) 에너지-방출 대사 반응 미생물은 에너지에 따른 종류로 구분된다 화학유기영양생물 (Chemorganotrophs) - with Oxygen: 호기성미생물(aerobes) - without oxygen: 혐기성미생물(anaerobes) - 둘 다: 통성 호기성미생물(facultative aerobes) 화학무기영양생물 (Chemolithotrophs) - 세균과 고세균의 원핵생물에서만 있음 광영양생물 (Phototrophs) - 산소성 광합성(oxygenic photosynthesis): 산소 발생 - 무산소성 광합성(anoxygenic photosynthesis): 산소 미발생 종속영양생물 (Heterotrophs): 유기영양생물체 독립영양생물 (Autotrophs): 화학무기생물체, 광영양생물체

3.4 생물에너지론 에너지(energy)는 열 에너지의 측정값인 킬로주울 (kJ)의 단위로 정의됨 어떤 화학 반응에서도 일부 에너지는 열로서 방출됨 자유 에너지 (free energy)(G): 일을 할 수 있도록 방출되는 에너지 반응 중에 자유 에너지의 변화는 ΔG0′로 표현됨 음성(negative) ΔG0′ 를 갖는 반응은 자유 에너지를 방출함 (발열반응, exergonic) 양성(positive) ΔG0′ 를 갖는 반응은 자유 에너지를 요구함 (흡열반응, endergonic) 반응의 자유에너지 수율을 계산하기 위해서는 형성 자유에너지(free energy of formation)를 아는 것이 필요함 (Gf0; 원소들로부터 주어진 분자의 생성 과정에 방출 또는 요구되는 에너지)

3.4 생물에너지론 다음 반응에서 A + B C + D, ΔG0′ 이 항상 실제 자유에너지 변화의 좋은 추정치는 아님 ΔG0′ = Gf0 [C+D] - Gf0[A+B] ΔG0′ 이 항상 실제 자유에너지 변화의 좋은 추정치는 아님 ΔG: 실제 조건에서 일어나는 자유에너지 ΔG = ΔG0′ + RT in K R와T는 물리적 상수이며 K는 문제가 되는 반응의 평형상수임

3.5 촉매작용과 효소 자유에너지 계산은 반응 속도(rate) 에 대한 정보를 제공하지 않음 활성화 에너지 (Activation energy): 화학반응의 모든 분자들이 반응 상태로 되는데 요구되는 에너지 촉매작용은 보통 활성화 에너지 장 벽을 넘는데 요구됨 촉매 (Catalyst): 반응의 활성화 에너지를 낮추고 반응 속도를 증가시키는 물질 생물에너지론이나 반응의 평형에 영 향을 주지 않음

3.5 촉매작용과 효소 효소 (Enzymes) 생물학적 촉매 대게 단백질 (몇몇은 RNAs) 매우 특이적 일반적으로 기질(substrate)보다 큼 보통 약한 결합에 의존 예: 수소 결합, 반데르바알스 힘, 소수성 상호작용 활성 부위 (Active site): 기질에 결합하는 효소의 부위 화학 반응 속도를 자연발생적 속도보다 108 to 1020 배 증가시킴 효소 촉매: E + S E — S E + P (그림 3.7) 촉매는 다음에 의존함 기질 결합 활성부위에서 촉매적으로 활성인 아미노산에 대한 기질의 위치

Lysozyme의 촉매 그림 3.7 The catalytic cycle of an enzyme. 그림 3.7

3.5 촉매작용과 효소 많은 효소들이 촉매작용에 참여하는 작은 비단백질 분자를 가지고 있으나, 이들은 기질은 아님 많은 효소들이 촉매작용에 참여하는 작은 비단백질 분자를 가지고 있으나, 이들은 기질은 아님 보결분자단 (Prosthetic groups) 효소에 강하게 결합 보통 공유결합에 의해 영구적으로 결합 (예, 시토크롬의 heme group) 조효소 (Coenzymes) 효소에 느슨하게 결합 대부분은 비타민 유도체 (예, NAD+/NADH)

3.6 전자공여체와 전자수용체 산화(oxidation)–환원(reduction) (redox) 반응의 에너지는 고에너지 화합물의 합성에 사용됨 (예, ATP) 산화환원 반응은 짝을 이루어 일어남 (두개의 반쪽 반응; 그림 3.8) 전자공여체 (Electron donor): 산화환원 반응에서 산화되는 물질 전자수용체 (Electron acceptor): 산화환원 반응에서 환원되는 물질

3.6 전자공여체와 전자수용체 환원 전위 (Reduction potential) (E0′): 전자를 주려는 경향 볼트 (V)로 표현 기질은 다른 상황에서 전자공여체이거나 전자수용체 가 될 수 있음 (산화환원 쌍) 더 음성 E0′ 을 갖는 산화환원 쌍의 환원되는 기질이 더 양성 E0′ 을 갖는 산화환원 쌍의 산화되는 기질에 전자를 줌

3.6 전자공여체와 전자수용체 산화환원 탑 (redox tower)은 가능한 환원전 위의 범위를 표현함 (그 림 3.9) 산화환원 탑의 꼭대기의 환원되는 기질은 전자를 공여함 산화환원 탑의 맨아래의 산화되는 기질은 전자를 수용함 전자가 더 멀리 “떨어지 면 (drop)” 방출되는 에 너지의 양도 더 큼

3.6 전자공여체와 전자수용체 산화환원 반응은 보통 중간 산물 (carriers) 간 의 반응을 관련시킴 전자 운반체 (Electron carriers)는 두 종류로 나뉨 보결분자단 (효소에 부 착) 조효소 (확산 가능) 예: NAD+, NADP (그림 3.10)

그림 3.10 The oxidation–reduction coenzyme nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+).

3.6 전자공여체와 전자수용체 NAD+와 NADH는 소모되지 않고 산화환원 반응을 촉진한다; 재순환됨 (그림 3.11)

3.7 고에너지 화합물과 에너지 저장 산화환원 반응에서 방출되는 화학 에너지는 주로 어떤 인산화 화합물에 저장됨 (그림 3.12) ATP; 주 에너지 통화량 Phosphoenolpyruvate Glucose 6-phosphate 화학 에너지는 coenzyme A에도 저장됨

3.7 고에너지 화합물과 에너지 저장 장기적인 에너지 저장은 ATP를 생성하는데 산화될 수 있는 불 용성 중합체와 관련이 있음 원핵생물에서의 예 글리코겐 (Glycogen) Poly-β-hydroxybutyrate와 기타 polyhydroxyalkanoates 황 원소(황무기영양체) 진핵생물에서의 예 전분 지질 (단순 지방)