생체내의 약한 결합

생체내의 약한 결합(1~7kcal/mol)은 크게 4가지, 반데르발스, 소수성, 이온 결합이 있는데 이들은 생리 조건 속에서 결합과 분리가 가능해 생명 유지에 필수적이며 상호작용으로 분자들의 구조, 생물학적 기능을 결정하게 된다.

반데르발스는 2개의 원자 거리간의 비특이적 인력이며, 소수성은 Hydrophobic bonding으로 비극성기의 단백질 3차, 4차 구조의 안정화에 도움이 된다.

수소 결합은 강하며 양전하 수소(H)로 전하차로 결정되며 방향성을 갖는게 특징이다.

이온 결합은 금속과 비금속 결합간의 결합이며 단백질 접힘, folding에 영향을 준다.

공유 결합은 핵산, Nucleic acid, Nucleotide와 protein의 amino acid에서 covalent bond로 안정화시킨다.

생리 조건 속에서 결합과 분리에 중요한 점으로 Enzyme과 substrate가 있다.

효소는 고분자간의 상호작용에 중요한 역할을 하는데 macromolecule에서 대표적으로 protein, DNA, RNA가 있으며 이들의 결합이 너무 약하면 결합을 유지할 수 없으며 강하면 반응을 하지 않게 된다.

효소는 활성화 에너지를 줄여, 반응의 결합을 쉽게 중간 구조체로 만들어준다.

이렇게 결합 형성시 에너지 방출과 결합 분해시 에너지 흡수를 한다.

Keg=[AB]/{[A]*[B]}에서, A+B->AB+E<->AB+E->A+B 가 된다.

이 대표적 예시로 ATP+H2O->ADP+H3PO4로 +11~13kcal/mol을 가지게 된다.

이때, 자유 에너지 G(Gipps)로 dG(dG=-RT*lnKeg)가 0보다 작다면 자발적, 0보다 크다면 비자발적 반응을 가지게 된다.

만약에 G가 감소했다면, 열이나 엔트로피(무질서도)가 증가하며 열역학 제 2법칙에 따라 진행된다.

하지만, 생체 내에서의 DNA, protein, RNA는 어떻게 그 형태를 유지할 수 있을까? 의문을 가질 수 있다.

이는 단백질의 같은 경우 직접 반응을 하지 않고, 단량 전구체(precursor)가 ATP를 사용해 효소로 활성화된 전구체를 전환시키며 펩타이드 결합과 DNA의 경우 포스포다이에스테르 결합을 하게 된다.

DNA는 활성화 전구체가 포스포다이에스테르 결합때문에 더 중요한데 이는 Pyrophosphate로 인해 합성이 더 어렵기 때문이다.

추가로, 인간은 왜 공기에 떠다녀 얻기 쉬운 CO2 대신, 섭취하기 귀찮은 glucose를 사용할까?

CO2는 C-O 카르보닐 이중결합으로 ATP를 사용해 광합성때 전환시키는 반면, glucose는 약한 공유결합으로 소화와 분해가 쉬워 분해시 자유에너지가 크게 감소(방출)한다.

이때 인간은 공유결합을 깨기 위해서 Activation energy(활성화 에너지)를 사용하게 되며 이를 줄이기 위해 효소를 사용한다.

효소는 활성화 에너지 벽을 낮추며, 속도를 높이게 되지만, dG에 영향을 주지 않는다.

추가로 식물은 왜 포도당, glucose를 사용하지 않을까?

이는 포도당이 이미 많은 에너지를 가지고 있어서 식물서 저장하기 힘들기 때문이다.