[생명과학] 생명 활동과 에너지(ATP), 탄수화물의 종류

 

1. 세포의 생명 활동

모든 생물은 생명을 유지하기 위해 에너지가 끊임없이 필요하다. 이러한 과정을 물질대사라고 하는데, 물질대사가 일어날 때 에너지의 출입이 함께 발생한다.

 

1) 물질대사의 종류

물질대사는 동화작용과 이화 작용으로 나눌 수 있다.

 

(1) 동화 작용

저분자의 물질이 고분자의 물질로 합성되는 반응이다. 반응물인 저분자의 에너지는 상대적으로 낮고 생성물인 고분자의 에너지는 높아 합성 과정에서 그 차이만큼 에너지가 흡수된다. 즉, 흡열 반응이다.

 

(2) 이화 작용

고분자의 물질이 저분자의 물질로 분해되는 반응이다. 반응물인 고분자의 에너지가 상대적으로 높고 생성물인 저분자의 에너지는 낮아 분해 과정에서 그 차이만큼 에너지가 방출된다. 즉, 발열반응이다.

 

 

2. 에너지 전환과 이용

우리가 음식을 섭취하고 그것이 소화 작용을 통해 에너지로 전환되어 우리의 생명 활동에 쓰이는 과정은 모든 생명에게 적용된다. 에너지로 전환되어 저장되는 과정을 세포 호흡이라고 한다.

 

1) 세포 호흡

우리가 섭취한 음식물에는 화학 에너지 형태로 에너지가 저장되어있다. 이 화학 에너지는 세포 호흡을 통해 생명 활동에 쓸 수 있는 에너지로 전환된다. 세포 호흡은 주로 미토콘드리아에서 일어나며 일부는 세포질에서 진행되기도 한다.

 

포도당 + 산소 → 이산화탄소 + 물 + ATP + 열에너지

 

세포 호흡 과정을 간단히 도식화하면 위와 같다. 포도당과 같은 영양소는 조직 세포로 운반된 산소에 의해 산화되어 이산화탄소, 그리고 물로 최종 분해된다. 이러한 과정에서 에너지가 방출된다. 그 에너지의 일부분은 ATP로 저장되고 나머지는 열에너지로 전환되어 방출된다.

 

2) 에너지의 전환과 이용

ATP는 아데노신에 인산기 3개가 결합한 화합물로 생명 활동에 필요한 에너지를 저장하는 물질이다. 인산 안하이드라이드(Phosphoanhydride) 결합의 형태로 에너지를 저장하고 있다가 인산이 하나씩 떨어져 나갈 때 약 7.3kcal/mol의 에너지를 방출한다. 반대로 인산이 하나씩 결합할 때마다 에너지가 저장된다고 보면 된다.

ATP는 인산기 3개가 결합한 것이니, 인산이 하나 떨어져 나가 2개가 붙어있는 것은 ADP, 1개가 붙어있는 것은 AMP다.

 

고에너지가 방출되기 때문에 ATP에서 ADP가 되는 반응은 발열 반응이다. 떨어져 나간 무기 인산 Pi가 공명 현상을 일으키며, 인산기가 줄어든 만큼 그들 사이의 반발력이 줄어들면서 더욱더 안정화된다.

 

(1) ATP의 구조

위에서 언급했지만 ATP는 아데노신에 인산기 3개가 붙어있는 구조다. 조금 더 자세히 말하면 5탄당인 리보오스에 퓨린 염기 중 하나인 아데닌이 붙어있는데 이것이 아데노신이다. 그리고 아데노신에 인산기 3개가 붙어있는 것이 바로 ATP인 것이다.

그렇다면 아데닌이 아닌 다른 염기가 붙거나 리보오스가 아닌 디옥시리보오스가 붙어도 에너지를 저장할 수 있을까? 정답은 아니다. ATP는 오직 아데닌과 리보오스만 결합해야 생성될 수 있다.

 

 

*참고: 탄수화물

ATP의 구성요소인 리보오스는 5탄당이다. 이는 탄수화물의 하나인데 탄수화물은 탄소의 수화물이다. 보통 단맛을 내는 특징이 있으며 에너지원, 생체의 구성 성분으로 사용된다.

 

1. 단당류

단당류는 더 이상 작은 화합물로 분해되지 않는 당류를 일컫는다.

 

(1) 5탄당: 5개의 탄소로 구성

-리보오스: RNA의 구성 성분으로 2'-C에 하이드록시기(OH)가 연결되어있다. 

-디옥시리보오스: DNA의 구성 성분으로 2'-C에 하이드록시기 대신 수소가 연결되어있다.

 

(2) 6탄당: 6개의 탄소로 구성

-포도당(Glucose): 알도오스가 포함되어있다.

-과당(Fructose): 케토오스가 포함되어있다.

-갈락토오스(Galactose): 알도오스가 포함되어있다.

 

2. 이당류

이당류는 단당류 사이에 글리코시드 결합이 형성되어 연결된 구조다.

 

(1) 엿당(Maltose)

엿당은 포도당 2개가 탈수축합된 구조다. 각 포도당의 1번 OH와 4번 OH가 연결되는 과정에서 H2O가 빠져나가는데 이를 탈수축합이라 한다.

 

(2) 젖당(Lactose)

젖당은 갈락토오스와 포도당이 탈수축합된 구조다.

 

(3) 설탕(Sucrose)

설탕은 포도당과 과당이 탈수축합된 구조다. 결합 과정에서 5탄당이 자유롭게 열릴 수 있는 부분끼리 결합되기 때문에 설탕은 열리지 못하는 비환원당이 된다.

 

cf. 환원당: 다른 물질을 환원시키면서 자신은 산화될 수 있는 당. 자유롭게 열고 닫히는 부분이 있어 추가적인 반응이 가능해 환원시킨다.

 

 

3. 다당류

다당류는 글리코시드 결합에 의해 결합에 의해 연결된 고분자의 탄수화물이다.

 

(1) 아밀로오스

식물 세포가 에너지를 비축할 수 있는 물질이다. 두 포도당 사이의 결합으로 생성되며 선형의 다당류가 둥글게 말린 구조를 이룬다.

 

(2) 셀룰로오스

식물 세포의 세포벽 성분이다. 두 포도당 사이의 결합으로 생성되며 선형의 다당류들이 서로 나란히 배열되어 벽 모양의 구조를 이룬다.

 

(3) 키틴

두 N-아세틸글루코사민이 결합되어 생성된다. 곤충의 외골격이나 균류의 세포벽 등을 이룬다.

 

(4) 프로테오글리칸

단백질과 GAG라고 불리는 이당류 연속체가 결합한 구조다. 분비되는 형태와 막을 관통하는 형태 두 가지가 있다.

 

-분비형: 결합조직 세포들이 프로테오글리칸을 분비하면서 세포외기질(ECM)의 구성요소가 된다.

GAG의 당들 사이에 음전하가 나타나면서 반발력이 생기고, NaCl과 같은 염이 결합하면서 생기는 삼투압에 의해 물 분자가 들어오게 된다. 그러면서 부풀게 되고 탄성을 갖는 결합조직이 형성된다.

 

-막 관통형: 각종 물질이나 세포를 인식, 부착할 수 있다. 

 

(5) 글리코칼릭스

프로테오글리칸, 당단백질, 당지질 등에 의해 세포막 바깥쪽에 형성된 당의 층이다. 세포 표면을 보호하기도 하고 주변 물질을 인식 및 부착, 세포 신호를 전달하기도 한다. 마찬가지로 당이 띠는 음전하에 염이 결합하면서 물 분자가 들어온다. 이는 세포 표면을 미끄럽게 해서 세포끼리 달라붙지 않게 한다.

 

(6) 펩티도글리칸

N-아세틸글루코사민과 N-아세틸뮤람산이 결합한 구조다. 진정세균의 세포벽을 형성하면서 저장액 환경에서 세포가 터지는 것을 방지한다. 고세균의 경우, 슈도펩티도글리칸이 세포벽을 형성한다.