[생화학] 깁스 자유에너지 (Gibbs Free energy)

다양한 대사경로에 대한 논의를 하기 전, 우선 기본적인 열역학, 생화학적 틀을 잡아두는 것이 중요하다. 이번 글에서는 가장 먼저 열역학적 기초에 대한 논의를 해보도록 하자.

본 글에서 다루는 범위

생체 내 모든 반응은 에너지의 출입과 함께 이루어진다. 화학 반응에서의 에너지 변화는 다음의 세 가지 열역학적 양으로 정의된다.

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1) 깁스 자유에너지 (Gibbs Free energy, G) : 일정한 온도와 압력 하에서 일을 할 수 있는 에너지의 양

2) 엔탈피 (Enthalpy, H) : 반응계의 총 열량

3) 엔트로피 (Entropy, S) : 반응의 무질서도

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우선 엔트로피부터 살펴보자. 반응에서 생성물이 반응물보다 무질서해질 때, 즉 덜 복잡해질 때 이 반응은 엔트로피를 획득하는 반응이다. 덜 복잡해지는 반응은 쉽게 말해 고체가 녹아 액체가 되거나, 중합체가 분해되는 반응 등을 말한다.

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엔탈피는 열의 출입을 기술하는 값이다. 엔탈피의 변화량, ΔH는 계에서 에너지를 외부로 방출하는 반응, 즉 발열반응에서 음의 값을 가진다. 반대로 흡열반응에서는 양의 값을 가진다.

흡열반응과 발열반응에서의 엔탈피 변화

깁스 자유에너지는 에너지 출입을 기술하는 값이다. 엔탈피와 마찬가지로 에너지를 방출하는 반응에서 ΔG는 음의 값, 에너지를 흡수하는 반응에서 ΔG는 양의 값을 가진다. 이때, 에너지의 방출, 흡수는 반응의 자발성을 의미하는 척도이기도 하다. 즉, 에너지가 방출되는 반응은 자발적이다.

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이 세 열역학적 양은 다음의 식으로 성립된다.

 

$ΔG = ΔH - TΔS$

 

이 식을 이해하기 위해 다음의 두 자발적 반응의 경우를 생각해 보자.

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A. 얼음이 녹는 반응

얼음이 녹는 반응은 자발적이다.

물 분자는 고체에서 액체 상태가 되므로 반응의 엔트로피는 증가한다. 즉, ΔS > 0이다.

얼음은 녹을 때 주위의 열을 흡수한다. 즉, ΔH > 0이다.

때문에 얼음이 녹는 반응은 T가 클 때 ΔG가 음의 값을 갖는다. 즉, 온도가 높을 때 얼음이 녹는 반응은 자발적이다.

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B. 연료의 연소 반응

연료의 연소 반응은 자발적이다.

연료의 연소 반응에서 연료는 연소되므로 반응의 엔트로피는 증가한다. 즉, ΔS > 0이다.

연료는 연소될 때 주위로 열을 방출한다. 즉, ΔH < 0이다.

때문에 ΔG는 항상 음의 값을 갖는다. 즉, 연료의 연소 반응은 온도에 상관없이 자발적이다.

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정리하면, ΔG는 반응의 자발성을 나타내는 값이다. ΔG는 ΔH와 ΔS를 이용해 기술할 수 있다. 반응의 자발성을 따질 때는 계의 열 출입과 엔트로피 변화를 모두 고려해야 한다.

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그럼, 다음의 일반적인 반응을 생각해 보자.

 

$A → B$

 

반응물 A의 농도, [A]가 매우 클 때 이 반응은 당연히 자발적이다. 반대로, 생성물 B의 농도, [B]가 매우 클 때는 역반응이 자발적이다. A가 B로 바뀌는 이 반응은 어느 지점에서 평형을 유지하게 되는데, 이때는 겉보기 반응이 일어나지 않으므로 ΔG의 값이 0이 된다. 즉, ΔG는 반응물의 초기 농도에 의존적인 값이라는 뜻이다.

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따라서, ΔG에 영향을 주는 초기 농도, pH, 온도, 압력 등을 표준 상태로 놓았을 때의 ΔG 값을 ΔG°, '표준 자유에너지 변화'라 정의한다. 이 값은 각각의 반응마다 고유하게 존재하는 상수이다.

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ΔG°와 ΔG의 관계는 다음과 같다.

 

$ΔG = ΔG˚ + RTK_{eq}(K_{eq} : $반응의 평형상수$)$

 

대사 반응의 ΔG° 값이 양수이면 이는 열역학적으로 불리한, 즉, 일어나기 힘든 반응이다. 세포는 이를 해결하기 위해 크게 두 가지 방법을 이용한다.

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1) 반응물의 농도를 매우 크게 해 ΔG 값을 음수로 만든다. 이때, 반응이 일어나도 반응물과 생성물의 농도 비를 유지하기 위해 반응물과 생성물이 위치하는 장소를 나누어 구획화하는 작업이 필요하다.

2) ΔG° 값이 크게 음수인 반응과 짝짓는다. 대표적으로 ATP의 가수분해 반응이 있다.

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1)의 예는 뒤에서 배울 '대사경로의 조절' 부분에서 보다 자세히 다루도록 하고, 2)의 예를 살펴보자.

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뒤에서 배울 당분해 과정의 첫 단계는 다음과 같다.

 

$ $포도당$ + P_i \rightarrow 6-$인산 포도당$ + H_2O$

 

이 반응의 ΔG°는 13.8 KJ/mol, 양의 값이다. 즉, 위 반응은 자발적으로 진행되기 어려운 반응이다.

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따라서 생물체는 이 반응을 ATP의 가수분해 반응과 짝짓는다. ATP의 가수분해 반응은 다음과 같다.

 

$ ATP + H_2O \rightarrow ADP + P_i $

 

이 반응의 ΔG°는 -30.5 KJ/mol이다. 두 반응을 합친 전체 반응의 ΔG°는 -16.7 KJ/mol, 음의 값이므로 위 반응은 자발적으로 일어나게 된다.

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지금까지 대사경로를 위한 열역학적 기초, 그중에서도 깁스 자유에너지에 대해 자세히 알아보았다. 앞으로 표준 자유에너지 변화, ΔG°는 다양한 대사 과정에서 반응의 자발성을 이야기할 때 자주 만나게 될 것이다. ΔG° 값이 음수이면 자발적이라는 걸 꼭 기억해두자.