생명과학 고3 생명활동과 에너지 심화

활성화 에너지

화학 반응이 시작되기 위해 필요한 최소 에너지로, 효소는 이를 낮춰 반응 속도를 높인다.

반응물이 반응을 시작하기 위해 반드시 넘어야 하는 에너지 장벽의 높이로, 효소는 이 장벽을 낮춰 반응 속도를 크게 높입니다.

산 너머 마을로 물건을 옮기는 상황과 같습니다. 목적지가 더 낮은 곳이라 해도(에너지가 방출되는 반응이라 해도) 일단 고개를 넘어야 갑니다. 효소는 산을 깎아 고개를 낮춰 주는 터널이지, 목적지의 높이를 바꾸는 것이 아닙니다.

쉽게 말하면

우리 몸속의 포도당은 산소와 만나면 에너지를 내놓으며 분해되는 반응, 즉 그냥 두어도 일어날 수 있는 반응입니다. 그런데 왜 설탕 그릇 속의 포도당은 저절로 타지 않을까요? 반응이 시작되려면 먼저 기존 결합이 끊어지고 원자들이 불안정한 중간 상태(전이 상태)를 지나야 하는데, 그 언덕을 넘을 만큼 큰 에너지를 가진 분자가 상온에서는 거의 없기 때문입니다. 이 언덕의 높이가 활성화 에너지입니다.

분자들의 에너지는 모두 같지 않고 넓게 퍼져 있습니다. 활성화 에너지보다 큰 에너지를 가진 소수의 분자만 반응할 수 있으므로, 장벽이 조금만 낮아져도 그 문턱을 넘는 분자 수는 크게 늘어납니다. 효소가 반응 속도를 수백만 배까지 올릴 수 있는 이유가 여기에 있습니다.

효소는 기질을 활성 부위에 붙들어 반응하기 좋은 방향으로 정렬시키고, 전이 상태를 안정화하여 장벽 자체를 낮춥니다. 온도를 올려도 반응은 빨라지지만, 그건 장벽을 낮춘 것이 아니라 분자에게 힘을 더 준 것입니다. 체온을 40도 넘게 올릴 수 없는 생명체는 대신 효소라는 방법을 택했습니다.

중요한 것은 효소가 반응의 방향이나 최종 에너지 차이는 전혀 바꾸지 못한다는 점입니다. 물질대사에서 흡열 반응이 필요하면 효소만으로는 부족하고, ATP처럼 에너지를 대 주는 짝이 반드시 있어야 합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

과산화 수소의 분해와 카탈레이스

$H_{2} O_{2}$ 는 물과 산소로 분해되는 것이 에너지적으로 유리하지만, 갈색 병에 담아 두면 오래 갑니다. 활성화 에너지가 높아서 느리기 때문입니다. 여기에 감자나 간 조각(카탈레이스가 들어 있음)을 넣으면 즉시 기포가 솟아오릅니다. 반응의 방향이 바뀐 게 아니라 장벽이 낮아진 것입니다.
예시 2

효소는 반응을 '가능하게' 만드는 것이 아니다

효소가 있든 없든 일어날 수 없는 반응은 여전히 일어나지 않습니다. 효소는 원래 일어날 수 있으나 너무 느린 반응을 쓸 만한 속도로 만드는 장치입니다. 그래서 효소는 정반응과 역반응의 속도를 똑같은 비율로 높이며, 평형에 더 빨리 도달하게 할 뿐 평형의 위치는 옮기지 못합니다.
예시 3

체온에서만 살아남는 화학

공장에서 암모니아를 합성하려면 수백 도의 고온과 높은 압력이 필요하지만, 콩과 식물의 뿌리혹박테리아는 상온·상압에서 같은 일을 합니다. 열로 장벽을 넘는 대신 효소로 장벽을 낮췄기 때문입니다. 생명체의 화학이 미지근한 온도에서 가능한 비결이 바로 이것입니다.