7.1: 물질대사란 무엇인가?
개요
물질대사(metabolism)는 분자를 형성하는 반응(동화작용; anabolism)과 분자를 분해하는 반응(이화작용; catabolism)을 포함한 세포 내의 모든 화학 활동을 뜻합니다. 동화작용은 에너지가 있어야 하는 반면, 이화작용은 에너지를 제공합니다. 따라서 물질대사는 세포가 다양한 (그리고 종종 효소의 도움을 받는) 화학 반응을 통해 에너지를 변환하는 방법을 설명합니다.
물질대사는 유기체에서 일어나는 모든 화학 반응의 합입니다
물질대사는 세포에서 에너지를 관리하고 다음과 같은 세 가지 주요기능을 합니다:
- 다양한 세포기능을 실행하기 위해 음식을 에너지로 변환하고,
- 세포 구성요소를 만들기 위한 에너지를 생산하고
- 노폐물을 제거합니다.
에너지를 생산하려면 음식에서 나온 고분자(macromolecule)를 이화경로(catabolic pathway)를 통해 작은 분자로 분해해야합니다. 이렇게 분해된 분자들은 동화경로(anabolic pathway)를 통해 작은 구성요소에서 큰 분자를 만들기 위한 에너지를 제공합니다. 즉, 식품에 저장된 에너지(즉 원자 간의 결합에 저장된 화학 에너지(chemical energy))는 세포 반응에 사용되는 운동에너지(kinetic energy)로 변환할 수 있습니다. 효소는 화학 반응에 필요한 에너지의 양을 줄여 화학 반응 속도를 높이기 때문에 대사 경로(metabolic pathway)에 필수적인 도구입니다.
이화경로는 분자를 분해하여 에너지를 방출합니다
이화작용은 고분자를 어떤 목적으로든 분해하는 것을 말합니다. 여기에는 ATP로 전달되는 에너지를 방출하는 과정인 음식 분자의 분해도 포함됩니다. 단백질 소화은 이화작용의 한 예입니다. 우리가 먹는 단백질을 몸이 이용하기 위해서는 큰 단백질 분자에서 작은 폴리펩타이드로 분해되어야 하고, 그리고 각각의 아미노산으로 분해되어야 합니다.
과잉 아미노산은 배출을 위해 질소를 함유한 암모니아로 분해됩니다. 암모니아는 높은 독성이 있으므로 유기체가 처리할 수 있는 안전한 형태로 변환되어야 합니다. 인간의 경우 암모니아는 소변의 형태로 몸에서 배출되기 전에 이산화탄소와 결합하여 요소(urea)로 변환됩니다. 다른 유기체는 다른 종류의 질소 폐기물을 사용합니다 (예: 조류와 파충류의 요산(uric acid)). 요산은 요소보다 몸에서 방출되는 물이 훨씬 적기 때문에 특정 조건에 적응하게 만들 수 있습니다.
동화경로는 복합 분자를 합성합니다
동화경로는 에너지(ATP의 형태로)를 사용하여 작은 구성 분자에서 큰 분자를 구축합니다. 예를 들어 단백질 동화작용은 아미노산을 조합하여 폴리펩타이드(polypeptide)를 형성할 수 있습니다. 이렇게 합성된 폴리펩타이드는 3차원 단백질 구조로 접힙니다. 과잉 아미노산은 중성지방(triglyceride; 트라이글리세라이드)을 만드는 데 사용되어 지방으로 저장되거나 포도당으로 변환되어 ATP를 만드는 데 사용됩니다. 따라서 동화경로와 이화경로 모두 에너지 균형을 유지하기 위해 필요합니다.
동화작용의 덜 알려지진 예는 씨앗 응축된 타닌(tannin)의 생성입니다. 동물이 먹을 수 있는 씨앗이 어두운색의 응축된 타닌에 코팅되어 있으면 씨앗은 소화되지 않아 식물 관점에선 씨앗을 보호할 수 있습니다. 식물은 폴리펩타이드 생성에 사용된 것과 동일한 탈수 반응(dehydration reaction)을 이용하여 안토시아닌(anthocyanin) 분자를 연결시켜 타닌을 생성합니다.
