생체에너지학 Part.2 <산화-환원반응>

산화-환원반응

원자나 분자로부터 전자를 제거하는 과정이 산화(oxidation)이고, 원자나 분자에 전자를 추가하는 과정은 환원(reduction)입니다. 이러한 산화와 환원은 항상 연결반응을 합니다. 왜냐면 분자는 그것이 전자를 다른 원자에 기부하지 않으면 산화될 수 없기 때문입니다. 전자를 기부하는 원자나 분자는 환원제(reducing agent)이고, 전자를 받아들이는 것은 산화제(oxidizing agent)입니다. 원자 또는 분자는 사화제와 환원제 모두의 역할을 수행할 수 있습니다. 예를 들어 분자가 둘의 역할을 수행할 때 그들은 하나의 반응에서 전자를 얻을 수 있고, 다음에는 산화-환원반응을 일으키기 위해 이러한 전자를 또 다른 분자에 건네줄 수 있습니다. 그래서 연결 산화 환원반응은 위쪽의 양동이에서 넘친 전자라는 물이 아래쪽 양동이로 자연스럽게 흘러내리는 상황과 유사합니다.

 

산화라는 용어가 반응에서 산소의 활동을 의미하지는 않습니다. 이 용어는 산소가 전자를 받으려는 경향이 있어 산화제로 작용한다는 사실에서 유래되었습니다. 이러한 산소의 중요한 특성은 유용한 형태의 에너지를 생산하기 위해 세포에 의해서 쓰이는데 이 부분은 추후에 포스팅할 '전자전달체계'에서 자세하게 설명해 드리겠습니다.

 

세포에서의 산화 환원반응이 자유 전자보다는 수소 원자의 이동과 관계 되어 있다는 사실은 중요합니다. 이러한 사실은 수소 원자가 하나의 전자 그리고 핵 안에서 하나의 양성자를 갖고 있기 때문입니다. 그러므로 수소 원자를 잃은 원자나 분자는 전자를 잃고 산화되며 수소 또는 전자를 얻는 것은 환원 됩니다. 많은 생물학적 산화 환원반응에서 전자 한 쌍은 분자들 사이에서 자유 전자 또는 수소 원자 한쌍으로 전달됩니다.

 

2개의 분자 즉, NAD(nicotinamide adenine dinucleotide)와 FAD(flavin adenine dinucleotide)는 수소 또는 전자의 이동에서 중요한 역할을 합니다. NAD+는 나이신에서 얻어지는 반면에, FAD는 리보플라빈에서 나옵니다. NAD+는 산화된 형태이며 환원된 형태는 NADH로 표기합니다. 이롸 비슷하게 FAD는 산화된 형태이며 환원된 형태는 FADH라는 약어로 표기합니다. FADH는 또한 두 번째 수소를 받아 FADH2가 됩니다. 그러므로 FADH와 FADH2는 같은 반응을 겪기 때문에 같은 분자로 생각될 수 있습니다. 

효소

인체 내에서 일어나는 세포의 화학반응 속도는 효소(enzyme)라 불리는 폭매에 의해 조절됩니다. 효소들은 세포 내의 대사작용 경로를 조절하는 데 중요한 역할을 하는 단백질입니다. 효소들은 반응을 일으키지 않으며, 반응이 일어나면 단순히 반응비율이나 속도를 조절하고 반응의 특성이나 결과는 변형시키지 않습니다.

 

화학반응들은 반응물질들이 반응하기 위한 충분한 에너지를 갖고 있을 때 발생합니다. 이렇게 화학적 반응을 일으키기 위해 요구되는 에너지를 활성화에너지(energy og activation)라고 합니다. 

 

효소가 활설화에너지를 낮출 수 있는 능력은 효소의 독특한 구조적 특징에 기인합니다. 일반적으로 효소는 3차원적인 형태를 가진 큰 단백질 분자이며, 각각의 효소 형태는 특이한 융기와 구를 가지고 있는데 이 부위를 활성부위라 부릅니다. 이러한 활성부위는 특이한 형태를 갖고 있으며 기질이라 하는 특정한 반응분자에 적합한 효소가 결합하게 합니다. 효소가 특정 한 기질 분자와 어떻게 결합하는지는 열쇠와 자물쇠의 역할과 유사합니다. 효소의 활성부위는 각각의 기질 형태에 따라 다르며, 효소와 기질의 두 분자가 결합하여 효소-기질 복합체를 형성합니다. 효소의 활성부위가 기질에 결합하기에 항상 완벽하지는 않다는 것을 주목해야 합니다. 그럼에도 불구하고, 정확한 기질이 효소의 활성부위에 결합되면, 활성부위의 모양이 기질과 효소 간 완벽하게 결합할 수 있게 변합니다. 이관절을 효소-기질 상호작용의 유도적합모델이라고 불립니다. 이러한 기질 복합체가 형성되면 반응을 위한 활성화에너지가 낮아져서 반응이 쉽게 이루어져 효소와 산출물로 분리 됩니다. 효소가 촉매오서의 역할을 할 수 있는 능력은 일정하지 않으며 몇 가지 요인들에 의하여 변형됩니다.

 

세포의 효소들은 특정 질병을 진단하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 예를 들어 세포조직이 병에 걸렸을 때 죽은 세포는 파괴되어 효소를 혈액에 방출합니다. 대부분 살아 있는 세포의 효소들은 혈액으로 방출되지 않기 때문에 혈액에서 발견할 수 있는 효소는 의학적 문제를 진단하는 데 매우 중요한 단서를 제공합니다.

 

■ 효소의 분류

생화학이 발전하기 시작한 초기에는 새로운 효소의 명칭은 발견한 과학자의 이름을 사용하였기 때문에 효소 명칭을 보고 그 효소가 어떤 작용을 할 것인지를 예측하기는 어렵습니다. 따라서 생화학 학회에서는 이러한 혼돈을 예방하고자 효소가 작용하는 화학적 반응형태에 따라 효소들을 체계적으로 분류 했습니다. 이러한 분류체계에 따라 효소들은 체계적인 이름과 숫자로 나타낼 수 있으며 이해하기 쉬운 명칭을 사용할 수 있게 되었습니다. 몇몇 아주 오래전에 발견된 효소의 이름을 제외하고(예: 펩신, 트립신, 레닝) 모든 효소의 이름은 끝에 '-ase'로 끝나게 되는데 이것은 이 효소가 어떤 작용을 하는지와 촉매반응을 나타내는 것입니다. 예를 들어, 인산화효소는 인산기를 활성화하여 한 분자의 구성요소를 다른 분자로 이동하는 것을 촉진시키며, 탈수소효소는 자신의 기질로부터 수소 원자들을 제거하는 역할을 하게 됩니다. 산화효소는 산소 분자를 수반하며 산화-환원반응의 촉매 역할을 하는 역할을 담당하며, 이성질화효소는 같은 분자공식의 분자이지만 다른 구조공식을 가지는 분자로 구조적 이성질체의 형성을 위해 기질 분자 내의 원자를 재배열합니다.

 

■ 효소의 활성에 미치는 요인들

기질이 생산물질로 변환되는 비율로 측정하는 효소활성은 몇 가지 요인에 의해 영향을 받습니다. 이 중 가장 중요한 두 가지 요인은 용액의 온도와 수소 이온 농고(pH)입니다.

 

각각의 효소는 활동에 적합한 적정 온도들을 가지고 있으며, 보편적으로 평균 체온인 37도 보다 높으면 대부분의 효소활성이 증가합니다. 따라서 운동 시 근육활동에 의해 체온이 증가하므로 효소활성이 증대되며, 이는 에너지를 생산하는 데 필요한 반응속도를 향상시켜 생체에너지인 ATP 생산을 증가시킵니다. 이와 더불어 신체의 pH도 효소활성에 매우 중요한 영향을 미칩니다. pH와 효소활성과의 관계는 온도와 효소활성과 매우 유사하며, 이는 각각의 효소들이 최적의 pH 수준을 가지고 있음을 나타냅니다. 예를 들어 고강도운동 시 골격근은 신체의 pH를 감소시켜 생체에너지 효소들의 최상의 pH 상태를 변화시키며, 이는 골격근 수축에 필요한 ATP 생산을 감소시킵니다. 

 

요약

• 산화는 전자를 원자나 분자로부터 제거하는 과정이다.
• 환원은 원자나 분자에 전자를 더하는 것이다.
• 산화-환원반응은 항상 연결된다, 왜냐하면 분자는 자신의 전자를 다른 원자에 주지 않는 한 산화될 수 없기 때문이다.
• 화학반은에 촉매역할을 하는 효소들은 반응속도를 조절한다.
• 효소들의 활성에 반응하는 다양한 형태에 따라 여러 가지의 효소로 분류한다.
• 효소활서에 영향을 미치는 두 가지 중요한 요인은 온도와 pH이며, 각각의 효소들은 활성하는 데 필요한 최저의 온도와 pH 수준을 가지고 있다.

다음 시간에는 운동을 위한 에너지원에 대해 포스팅 하겠습니다.

감사합니다.