5장. 세포의 물질대사

5-1 에너지의 유입과 방출

*에너지 - 일을 할 수 있는 능력으로, 이를 이용하여 물질의 저장, 합성, 재배열 및 분해 등의 화학적 작용인 물질대사를 일으킨다. 열역학 제1법칙 즉 에너지 보존의 법칙에 의거하여 에너지는 한 고립계에서 생성되거나 소실되지 않으며, 그 총합은 일정하며, 전환될 뿐이다.

*물질대사 - 물질대사는 화학반응이므로 에너지의 출입이 동반되며, 효소가 수반된다. 단계적인 반응을 거쳐 진행된다. 

*세포는 한 형태에서 다른 형태로 분자를 전환할 때 에너지를 저장하고 회수한다. 광합성 세포에서 태양에너지는 ATP형성을 구동하며, 이후 ATP 에너지를 이용하여 포도당을 형성한다. 반대로 세포의 호흡을 통해 에너지를 방출하며 저 에너지 생성물을 형성한다.

*물질대사의 종류는 2가지 - 1)생합성(동화작용) - 작은 분자로부터 고분자 물질을 합성, 에너지 유입(흡열) (ex. 광합성,

단백질 합성) 2) 분해(이화 반응) - 고분자 물질이 작은 저분자 물질로 분해, 에너지 방출(발열) (ex. 호흡, 소화)

5-2 효소의 구성과 역할

*효소 - 촉매 분자로서 특정 반응속도에 영향을 주는 물질이다. 여기서 주의해야 할 점은 효소가 반응물의 에너지 자체를 낮추는 게 아니라 반응이 일어나기 위한 최소한의 내부 에너지인 활성화 에너지의 수준을 낮춰주어 반응속도가 빨라지는 것이다.

*효소의 구성 - 효소 = 주효소(단백질) + 보조인자

여기에서 주효소는 단백질로 구성되어있으며, 이것의 역할은 활성부위를 결정하고, 효소의 성질을 결정해준다. 주효소 어시스트인 보조인자는 1) 보결족 2) 조효소로 나뉘며 이들의 역할은 주효소가 효소로서 작동할 수 있게 보조의 역할을 해준다. 보조인자도 실제 반응에 참여하며 단백질로 이루어진 주효소보다 열에 강하다.

*효소의 특성 1) 기질 특이성 2)반응 전과 후의 양 변화 X 3) 환경적 요인에 영향을 많이 받음

1) 기질 특이성 - 효소가 특정 분자에 대해서만 특이적으로 결합하여 반응을 진행시키는 성질로 입체 구조가 딱 맞아야

                   반응을 한다. 쉽게 설명하자면 자물쇠에 맞는 열쇠가 꼽혀야 열리는 것과 같은 이치라 보면 된다.

2) 반응 전과 후의 양 변화 X - 기질과의 반응을 일으킨 후 분리되어 다른 기질과 반응하기에 양적인 변화는 없다.

3) 온도 - 온도는 분자운동의 척도로 온도의 상승은 곧 기질과 효소의 충돌 가능성을 높여준다. 이는 곧 기질의 내부 에너지를 상승시켜 반응이 수월하게 흐르게 한다. But, 온도가 지나치게 높아지면 단백질로 이루어진 주효소에 변성이 올 수 있기에, 적정온도인 (35~40) ºC로 유지되어야 한다.

 pH - 체내에 있는 대부분의 효소는 pH 6~8에서 가장 높은 활성을 보인다. pH가 너무 낮게 될 경우 주효소 즉 단백질

        을 지탱해주는 수소결합에 영향을 준다.

 

5-3 확산, 막 그리고 물질대사

*선택적 투과성 - 앞에서 배웠듯이 생물의 세포막은 인지질 이중층으로 이 세포막은 내 외부로의 물질의 출입을 조절해주는 역할을 한다. 선택적 투과성은 말 그대로 물질을 선택적으로 투과시키는 것이다.

º소수성 물질 - 인지질 사이로 확산되어 통과

º친수성 물질 - 수송단백질을 통해 통과(촉진 확산, 능동 수송)!!!! 여기서 Tip. 막 단백질을 통해 이동하는 양만큼은 아니지만, 농도가 증가하게 되면 인지질 층 사이로 통과할 수는 있다.

º고분자 물질 - 세포막 함입에 의한 내포, 외포 작용을 통해 이동한다.

 

*세포막을 통한 물질의 출입

 1) 확산 -  고농도-> 저농도   물질의 이동     E (x)  수동 수송

 2) 삼투압 - 저농도-> 고농도  수분의 이동    E (x)  수동 수송

 3)능동 수송 - 저농도-> 고농도  물질의 이동 E (0)  능동 수송

 4) 내포, 외포 - 막으로 포장해서 세균, 단백질 덩어리 등의 고분자 물질 이동  E (0) 

 

*확산 - E (x), 고농도에서 저농도로 물질이 이동하는 것으로 확산을 통해 양쪽의 농도 평형이 이루어진다.

          1) 단순 확산 : 세포막(인지질 이중층)을 통한 확산으로 기체(O2, CO2), 지용성 물질, 저분자물질

          2) 촉진 확산 : 막에 존재하는 수송단백질을 통해 이동. 이는 대체적으로 수용성 물질(포도당, 이온, 아미노산 등..)

          ->여기서 단순 확산이 촉진 확산에 비해 물질의 이동속도는 더 빠르다.

 

*삼투압 - E (x), 저농도에서 고농도로 물질이 아닌 물(수분)이 이동하는 현상으로 이는 반투막을 통해 양쪽 평형이 맞춰질 때까지 이동한다. (삼투압 P = C*R*T [농도*이상기체 상수=0.082*온도) 온도가 높아질수록 분자의 운동 E는 높아지기에 삼투압이 영향을 받는다만, 생물체에서는 온도가 일정하므로 무시해도 된다. 덧붙여 이상기체 상수인 R도 무시해도

된다. 삼투압은 농도에 영향을 받는데, 용매인 물에 녹는 용질이 이온화되거나 분해될 경우 용매 내의 농도가 짙어져

(입자수가 증가) 삼투압의 영향이 커진다.

 

*능동 수송 -  E (ATP) 소모, 저농도에서 고농도로 물질이 이동하는 현상으로 세포막에 존재하는 운반 단백질에 의해 일어난다. 저농도에서 고농도로 물질이 이동하는 이 과정에서 양쪽의 농도차는 크게 벌어진다. (ex. 소장에서 양분 흡수, 세뇨관 재흡수, 재분비, 뿌리털에서 무기염류 흡수 등.... 가장 대표적인 예이다.)

 

*내포, 외포 - 내포 (식세포 작용, 음 세포작용) : 내포 작용이 일어나면 외부의 세포막이 감소한다. 그 이유는 물질을 막으로 감싸서 내부로 전달하기에, 외포 : 외포 작용이 일어나면 외부의 세포막 증가한다. 막으로 감싸 져 있던 물질이 밖으로 배출함.