3. 물질대사: 이화작용, 동화작용

물질대사란 무엇인가?

이전 포스팅에서는 생물체를 구성하는 성분에 대해 알아보았습니다. 이번 포스팅에서는 생물체 내부에서 일어나는 화학 반응에 대해 작성해 보려고 합니다. 생물의 세포에서 생명을 유지하기 위해 일어나는 모든 화학 반응을 ‘물질대사’라고 합니다. 대사는 크게 이화작용과 동화작용으로 나눌 수 있습니다. 이화작용은 세포 호흡을 통해 유기 분자를 분해하고, 이 과정에서 에너지를 얻는 반응입니다. 동화작용은 에너지를 사용하여 세포의 구성 성분을 생산하는 반응입니다. 대부분의 살아있는 유기체의 주요 에너지원은 포도당과 지방산과 같은 영양소의 이화 분해를 통해 생성되는 아데노신삼인산(ATP)입니다. 물질대사 과정 중에 하나의 화합물이 여러 단계의 반응을 거쳐서 다른 화합물로 바뀌고, 과정마다 효소들이 관여합니다. 효소는 해당 반응이 더 빠르게 일어나도록 촉매 역할을 해주고 세포의 환경이나 받아들이는 신호에 반응하여 대사를 조절하는 역할도 합니다. 동화작용과 이화작용 사이의 균형은 유기체들의 생명 유지에 중요한 역할을 합니다.

 

1. 이화작용

이화작용은 큰 유기 분자를 분해하는 대사 과정으로 이때 얻은 에너지는 동화작용에 필요한 물질과 에너지를 생산할 수 있습니다. 대사의 에너지원으로 유기영양생물은 유기물을, 무기영양생물은 무기물을, 광영양생물은 태양광을 사용합니다. 대사는 생물마다 다르지만 모두 산화환원 반응에 의존합니다. 전자를 유기물, 물, 암모니아, 황화수소, 철 이온(Fe2+)과 같은 환원된 전자공여체에서 산소, 질산염, 황산염과 같은 전자수용체로 전달하는 과정에서 에너지가 생성됩니다. 동물의 경우 소화효소에 의해 단백질, 탄수화물, 지질 등 고분자 중합체가 더 작은 단위로 분해됩니다. 탄수화물의 분해 과정으로 얻어진 단당류(포도당이나 과당)는 해당과정을 통해 피루브산으로 전환되고, 이 과정에서 세포 에너지인 AT도 만들어집니다. 피루브산은 효소작용으로 인해 아세틸-CoA로 전환되게 되고, 아세틸-CoA는 시트르산 회로와 전자전달계를 통해서 물과 이산화탄소로 산화됩니다. 이 과정에서 방출되는 에너지는 일부 ATP로 전환되고, 또 다른 일부는 조효소 NAD+를 NADH로 환원하면서 에너지를 저장합니다. 지방이 가수분해되어 생성되는 지방산과 글리세롤, 단백질이 분해되어 생성되는 아미노산 중 일부도 시트르산 회로로 진입할 수 있습니다.

 

2. 산화적 인산화

세포가 필요한 ATP를 얻기 위해서는 산화적 인산화 반응이 일어나야 합니다. 진핵생물의 경우 미토콘드리아 막에 있는 전자전달계에서 이 과정이 일어납니다. 시트르산 회로를 거쳐 생산된 NADH는 수소와 고에너지의 전자를 가지고 있습니다. 이 고에너지의 전자가 전자전달계에서 산화환원반응을 거치며 가지고 있던 에너지를 방출합니다. 그리고 이 에너지는 양성자를 기질에서 막 사이에 있는 공간으로 이동시킵니다. 이 양성자들이 다시 내막 안쪽으로 들어오면서 수많은 에너지를 일으키고, 이 에너지는 ADP를 인산화하는 데 쓰여 최종적으로 ATP가 생성되게 됩니다.

 

3. 동화작용

동화작용은 이화작용을 통해 얻은 에너지로 복잡한 분자를 합성하는 대사 과정입니다. 이러한 복잡한 분자는 단순한 전구물질로부터 차례로 합성됩니다. 처음에는 단당류, 아미노산, 아이소프레노이드, 뉴클레오타이드와 같은 전구물질을 생산합니다. 그 후, ATP를 가수분해하거나 보조 인자인 NADH 등을 산화시켜 얻을 수 있는 화학에너지를 이용하여 전구물질을 활성 상태로 전환합니다. 활성이 생긴 전구물질들은 단백질, 다당류, 지질, 핵산 등 생체 분자들로 조립됩니다. 식물과 특정 세균에서는 탄소 고정 과정을 통해 이산화 탄소로부터 포도당, 단백질, 지질 및 셀룰로스, 녹말 등을 합성합니다. 이때 광합성을 통해 생성된 에너지를 이용합니다. 동화 작용 중에 ‘포도당 신생합성’ 과정이 있습니다. 포도당 신생합성은 다양한 유기체에서 발생하는 중요한 대사 경로입니다. 포도당신생합성은 전구체인 아미노산, 글리세롤, 젖산염 등에서 포도당을 생성하는 것입니다. 이렇게 생성된 포도당은 에너지가 필요한 조직의 해당과정에 투입되거나, 다른 단당류로 전환, 올리고당류로 결합할 수 있습니다. 또한 저혈당일 때 혈당 수준을 유지할 수 있게 만듭니다.

 

4. 항상성 유지

생물체에서 물질대사가 적절히 진행되기 위해서는 정해진 환경을 유지해야 합니다. 따라서 생물들은 항상성을 유지하기 위한 기작들을 가지고 있습니다. 모든 항상성 통제 기작은 변수를 조절하기 위하여 상호 의존적인 요소(수용기, 조절계, 효과기)로 이루어져 있습니다. 수용기는 환경의 변화를 감시 및 감지하는 장치입니다. 수용기가 변화를 감지하면 조절계는 어느 정도로 조절되어야 하는지 범위를 정하여 적절한 반응을 결정해서 효과기에 신호를 보냅니다. 신호를 받으면 효과기는 변화에 대해 실질적으로 반응을 하게 됩니다. 이러한 항상성 유지 기작으로 인해서 혈당이 조절되고, 체온이 유지되는 등 건강한 삶을 살아갈 수 있는 것입니다.