물질대사와 에너지 전환
본문포도당을 불에 태우면 한꺼번에 열과 빛을 내며 타 버린다. 그런데 우리 몸은 같은 포도당을 분해하면서도 불꽃 없이 조금씩 에너지를 꺼내 근육을 움직이고, 체온을 유지한다. 몸속에서 포도당의 에너지는 어떤 모습으로 바뀌어 쓰일까?
1.3.1물질대사
생명체 안에서 일어나는 모든 화학 반응을 물질대사라 한다. 작은 분자를 모아 큰 분자를 만드는 반응을 동화 작용이라 하며, 에너지가 흡수된다. 광합성과 단백질 합성이 그 예이다. 반대로 큰 분자를 작은 분자로 분해하는 반응을 이화 작용이라 하며, 에너지가 방출된다. 세포 호흡과 소화가 그 예이다.
물질대사는 체온 정도의 온도에서 일어나므로 반응을 빠르게 하는 효소가 꼭 필요하다. 효소는 반응을 여러 단계로 나누어, 한꺼번에 불타지 않고 에너지를 조금씩 꺼낼 수 있게 한다. 효소는 반응 전후에 변하지 않으므로 되풀이하여 쓰이고, 한 종류의 효소는 한 종류의 반응만 돕는다.1
1.3.2세포 호흡과 ATP
세포 호흡은 세포가 포도당 같은 영양소를 산소로 분해하여 에너지를 얻는 과정이며, 주로 미토콘드리아에서 일어난다.
\[\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \to 6\text{CO}_2 + 12\text{H}_2\text{O} + \text{에너지}\] 방출된 에너지의 일부는 ATP에 저장되고 나머지는 열로 방출된다.
ATP(아데노신 삼인산)는 아데노신에 인산기 3개가 붙은 분자이다. 끝의 인산기 하나가 떨어져 ADP가 될 때 에너지가 나오고, 이 에너지가 근육 수축, 물질 합성, 능동 수송, 신경 신호 전달에 쓰인다. 쓰고 난 ADP는 세포 호흡에서 다시 인산기를 붙여 ATP가 된다. 포도당이 큰 금액의 수표라면 ATP는 어디서나 쓰기 좋은 작은 동전과 같아서, ATP를 에너지 화폐라고 부른다.
1.3.3예제 풀이
포도당 1 mol이 세포 호흡으로 완전히 분해되면 약 2870 kJ의 에너지가 나온다. 이때 ATP가 32 mol 생성되고 ATP 1 mol이 ADP로 분해될 때 약 30.5 kJ이 나온다면, 포도당 에너지 가운데 ATP에 저장되는 비율은 얼마인가? 포도당 90 g을 분해하면 열로 나가는 에너지는 얼마인가?
ATP에 저장된 에너지는 \(32 \times 30.5 = 976\) kJ이다. 비율은 \(\dfrac{976}{2870} \approx 0.34\), 곧 약 34%이다.
포도당 90 g은 0.5 mol이므로 나오는 에너지는 1435 kJ이다. 그 34%인 약 488 kJ이 ATP에 저장되고, 나머지 약 947 kJ이 열로 나간다. 이 열은 버려지는 것만은 아니어서, 사람처럼 체온을 일정하게 유지하는 동물에게는 몸을 데우는 데 쓰인다.
자동차 엔진의 효율이 25% 정도인 것과 비교하면 세포 호흡은 꽤 효율적인 에너지 전환 장치이다. 아래 탐구 카드에서 세포 호흡과 ATP의 역할, 광합성과의 관계를 직접 따져 보자.
- 세포 호흡은 해당 과정, TCA 회로, 산화적 인산화의 여러 단계로 나뉘며, 각 단계를 서로 다른 효소가 맡는다. 단계마다 조금씩 나온 에너지가 ATP 합성에 쓰인다.
물질대사는 에너지를 흡수하는 동화 작용과 방출하는 이화 작용으로 나뉘며, 효소가 반응을 여러 단계로 나누어 에너지를 조금씩 꺼낸다. 세포 호흡에서 나온 에너지의 약 34%는 ATP에 저장되어 생명 활동에 쓰이고 나머지는 열이 된다. 그래서 처음 질문의 밥에 든 에너지는 ATP라는 에너지 화폐로 바뀌어 근육을 움직이고, 일부는 열이 되어 체온을 유지한다.