사람의 물질대사 02에너지의 저장과 이용

◈ 에너지의 저장과 이용(생명 활동과 에너지2)

⑴ 에너지의 저장

① 생명 활동에 필요한 에너지의 양은 활동의 종류에 따라 다르므로 생명체는 세포 호흡으로 생성하는 에너지 중 일부를 ATP의 화학 에너지 형태로 저장하였다가 필요할 때마다 효율적으로 사용한다.

② 세포 호흡으로 생성한 에너지를 이용하여 ADP에 한 분자의 무기 인산을 결합해 ATP를 합성함으로써 에너지를 저장한다.

⑵ 에너지의 이용

① ATP는 아데닌과 리보스에 3개의 인산이 결합한 화합물이다.

② ATP의 2번째와 3번째 인산 사이의 결합이 끊어지면 ATP는 ADP와 한 분자의 무기 인산으로 분해되며, 그 과정에서 에너지가 방출된다.

∙ADP와 ATP

ADP: 아데노신이인산, ATP: 아데노신삼인산

③ ATP의 분해로 방출된 에너지는 열에너지, 기계적 에너지, 화학 에너지, 소리 에너지 등 적절한 형태로 전환되어 근육 운동, 물질의 합성과 수송, 정신 활동, 생장, 체온 유지, 자극의 전달 등 다양한 생명 활동에 이용된다.

④ 일부 생명체는 ATP를 이용하여 빛을 내거나 전기를 발생시키기도 한다.

예) 전기뱀장어, 반딧불이

※ ATP가 ADP로 가수 분해될 때 표준 조건에서는 ATP 1몰당 약 7.3kcal의 에너지가 발생하고, 세포의 조건에서는 약 13kcal의 에너지가 발생한다.

※ ATP에서 가장 끝에 붙어 있는 인산기는 인산결합을 끊고 떨어져 나갈 수 있는데, 이때 자유 에너지 변화는 7.3kcal/mol이고 일반적으로 생체 내에선 마그네슘 이온 농도 등의 영향을 받아 11~13kcal/mol의 자유에너지가 방출된다. 생물체는 이 에너지를 이용해 활동한다. 이 때문에 ATP를 에너지원이라고 말한다.

⑤ ATP는 크기가 작고 에너지를 저장하며 필요에 따라 분해되어 쉽게 에너지를 방출시킬 수 있어서 에너지 저장 물질로 알맞은 특성을 가진다.

• 에너지의 생성 과정에서 소화계, 호흡계, 순환계의 역할

⑴ 영양소의 소화, 흡수, 수송

① 음식물 속에는 세포 호흡으로 에너지를 낼 수 있는 탄수화물, 단백질, 지방과 같은 영양소가 들어 있지만, 이 영양소들은 분자의 크기가 크기 때문에 세포막을 통과하지 못하여 세포 안으로 흡수되지 못한다.

② 소화계는 음식물이 소화 기관을 따라 이동하는 동안 영양소를 흡수 가능한 작은 크기로 분해하며 최종 소화 산물을 소장의 융털 상피 세포에서 흡수한다.

영양소	소화와 흡수 과정
탄수화물	음식물 속 다당류나 이당류는 단당류로 최종 분해되어 소장의 융털 상피 세포로 흡수
단백질	아미노산으로 최종 분해되어 소장의 융털 상피 세포로 흡수
지방	1분자의 모노글리세리드와 2분자의 지방산으로 분해되고, 소장의 융털 상피 세포에서 지방으로 재합성된 후 흡수

③ 소장의 융털 상피 세포에서 흡수된 영양소는 순환계를 통해 온몸의 조직 세포로 운반된다.

• 모노글리세리드

1분자의 글리세롤에 1분자의 지방산이 결합한 물질이다. 중성 지방은 1분자의 글리세롤과 3분자의 지방산이 결합하고 있다.

– 포도당, 아미노산 등의 수용성 양분은 소장 융털의 모세 혈관으로 흡수되어 간으로 운반되고 심장을 거쳐 온몸으로 운반된다. 지방, 지용성 비타민 등의 지용성 양분은 소장 융털의 암죽관으로 흡수되어 가슴 림프관, 빗장밑 정맥, 심장을 거쳐 온몸으로 운반된다.

⑵ 산소의 흡수와 수송, 이산화 탄소의 배출

① 숨을 들이쉴 때 호흡계에서 흡수된 산소는 순환계를 통해 온몸의 조직 세포로 운반되어 영양소와 함께 세포 호흡 과정에 이용된다.

② 조직 세포에서 세포 호흡의 결과로 생성된 이산화 탄소는 조직 세포로부터 순환계를 통해 폐포로 운반되며, 숨을 내쉴 때 호흡계를 통해 몸 밖으로 배출된다.

③ 호흡계와 순환계, 순환계와 조직 세포 사이에서 일어나는 산소와 이산화 탄소의 교환은 기체의 분압 차에 의한 확산의 원리로 일어난다.

⑶ 소화계, 호흡계, 순환계가 협력하여 온몸의 조직 세포에 산소와 영양소를 효과적으로 전달하며, 조직 세포에서는 이를 이용하여 세포 호흡으로 생명 활동에 필요한 에너지를 생성한다.

구분	O2 분압	CO2 분압	기체 교환
폐포	폐포＞순환계	폐포＜순환계	폐포 ⇆ 순환계
조직 세포	순환계＞조직 세포	순환계＜조직 세포	순환계 ⇆ 조직 세포

 

※ 세포 호흡에 필요한 영양소는 혈액의 혈장을 통해 운반되며, 산소는 극히 일부만 혈장에 녹아 운반되고, 대부분 적혈구의 헤모글로빈과 결합하여 운반된다. 이산화 탄소는 5% 정도는 혈장에 녹아 운반되고, 20% 정도는 헤모글로빈과 결합한 상태로 운반되며, 75% 정도는 적혈구 내의 탄산 무수화 효소의 작용으로 탄산(H₂CO₃)이 된다. 적혈구 내의 탄산(H₂CO₃)은 탄산수소 이온(HCO₃^–)과 수소 이온(H⁺)으로 해리되어 혈장으로 나와 폐포로 운반된다.

• 사람의 소화계

사람의 소화계는 입, 식도, 위, 소장, 대장 등으로 이어지는 긴 소화관과 침샘, 위샘, 간, 쓸개, 이자샘 등 소화액을 분비하는 소화샘으로 구성된다. 소화액에는 음식물 속 영양소를 작은 크기로 분해하는 소화 효소가 포함되어 있으며, 음식물이 소화관을 따라 이동하는 동안 소화 과정을 통해 탄수화물 속 다당류나 이당류는 단당류로, 단백질은 아미노산으로, 지방은 2분자의 지방산과 1분자의 모노글리세리드로 최종 분해하여 흡수한다. 소화·흡수되지 않은 물질은 몸 밖으로 배출된다.

• 영양소의 흡수와 이동

세포가 사용할 수 있는 작은 크기로 분해된 영양소는 소장의 융털에서 흡수된다. 소장 안쪽 벽의 수많은 돌기인 융털의 가운데에는 림프관의 일종인 암죽관이 있고, 암죽관 주위는 모세 혈관이 둘러싸고 있다.

– 수용성 영양소(포도당, 아미노산, 무기염류, 수용성 비타민(비타민 B군, C) 등)는 소장 융털의 모세 혈관으로 흡수된 후, 간문맥을 거쳐 간으로 운반되고, 간정맥, 하대 정맥, 심장을 거쳐 온몸으로 이동된다.

– 지방과 지용성 비타민(비타민 A, D, E, K) 등의 지용성 영양소는 암죽관으로 흡수된다. 이후, 림프관, 가슴 림프관, 빗장밑 정맥, 상대정맥, 심장을 거쳐 온몸으로 이동된다.

• 사람의 호흡계

– 사람의 호흡계는 기도와 폐로 구성된다. 공기가 이동하는 통로인 기도는 인두, 후두, 기관, 기관지, 세기관지로 이루어져 있으며, 기관지는 폐와 연결되어 있다. 폐 내에서 기관지는 세기관지로 나뉘며, 세기관지 끝에는 폐포가 있다. 폐는 3~4억개의 폐포로 구성되어 공기와 접하는 표면적이 넓으므로 기체 교환이 효율적으로 일어날 수 있다.

– 코와 입으로 들어 온 공기는 인두 → 후두 → 기관 → 기관지 → 세기관지를 거쳐 폐포로 이동하며, 폐포 내부의 공기와 폐포 표면에 분포하고 있는 모세 혈관의 혈액 사이에서 산소와 이산화 탄소의 교환이 일어난다.

– 호흡계를 통해 혈액으로 이동한 산소는 적혈구의 헤모글로빈과 결합하여 순환계를 통해 온몸의 조직 세포로 전달되고, 조직 세포에서 세포 호흡의 결과로 발생한 이산화 탄소는 순환계를 통해 폐로 전달되어 날숨으로 배출된다.

• 사람의 순환계

사람의 순환계는 심장, 혈액, 혈관으로 구성되며, 다른 기관계와 연결되어 있어 온몸의 조직 세포에 필요한 물질을 공급하고, 세포 호흡의 결과로 발생한 노폐물과 이산화 탄소를 호흡계와 배설계로 운반하여 배출하도록 한다. 이외에도 각종 물질의 운반 작용, 항상성 조절 작용, 방어 작용 등을 한다.

혈액은 적혈구, 백혈구, 혈소판 등으로 이루어져 있고, 혈관은 혈액이 지나가는 통로로 동맥, 모세 혈관, 정맥으로 이루어져 있다. 심장은 혈액 순환의 원동력을 제공하며, 혈액의 순환 경로에는 체순환과 폐순환이 있다.

노폐물의 배설과 기관계의 통합적 작용

노폐물의 배설

• 세포 호흡과 노폐물의 배설

⑴ 사람 몸의 기능이 정상적으로 유지되기 위해서는 세포 호흡의 결과로 발생한 노폐물을 적절히 몸 밖으로 내보내야 한다.

⑵ 노폐물의 종류와 배설 경로

노폐물의 배설 경로

기관계의 통합적 작용

생명 활동이 지소적으로 이루어지기 위해서는 소화계, 순환계, 호흡계, 배설계의 상호 작용이 원활하게 일어나야 한다.

(1) 순환계와 다른 기관계의 상호작용: 순환계는 각 기관계를 연결하는 중요한 역할을 한다.

-소화계와 순환계: 음식물에 들어 있는 영양소를 소화하여 흡수한 후 온몸의 조직 세포로 운반한다.

-호흡계와 순환계: 폐에서 산소를 흡수한 후 조직 세포로 운반하고, 조직 세포의 세포 호흡 결고 발생한 이산화 탄소를 폐로 운반한다.

-배설계와 순환계: 조직 세포의 세포 호흡 결과 생성된 노폐물을 콩팥에서 노폐물을 걸러내 몸 밖으로 내보낸다.

(2) 각 기관계의 통합적 작용: 소환계, 호흡계, 순환계, 배설계는 각각 고유의 기능을 수행하면서 서로 협력하여 에너지 생성에 필요한 영양소와 산소를 세포에 공급하고 노폐물을 몸밖으로 내보내는 기능을 함으로써 생명 활동이 원활하게 이루어지도록 한다.

• 세포 호흡과 노폐물의 배설에 관여하는 기관계의 통합적 작용

– 세포 호흡을 통한 에너지의 생성과 노폐물의 배설은 서로 다른 기능을 가진 소화계, 호흡계, 순환계, 배설계가 상호 협력하여 통합적으로 작용한 결과이다. 이 중 어느 한 기관계라도 그 기능에 이상이 생기면 생명 활동에 필요한 에너지가 정상적으로 생성되지 못해 생명을 유지하기 어려워진다.

• 유레이스

유레이스(urease)는 요소를 암모니아와 이산화 탄소로 가수 분해하는 반응을 촉매하는 효소이며, 반응식은 다음과 같다.

(NH2)2CO＋H2O → CO2＋2NH3

유레이스는 수많은 세균과 곰팡이, 조류, 콩을 비롯한 식물과 일부 무척추 동물, 토양에서도 발견되며, 요소를 분해하여 염기성 물질인 암모니아를 생성하므로 pH를 증가시키는 경향이 있다.

• 제임스 배첼러 섬너

제임스 배첼러 섬너(Sumner, J. B., 1887~1955)는 미국의 생화학자로 1914년에 하버드 대학교 의과대학에서 박사 학위를 취득하였다. 뉴욕의 코넬대학교 의과대학 교수로 재직하였으며, 1947년에는 코넬 효소 화학 연구소 소장이 되었다.

1926년 섬너는 작두콩의 아세톤 추출액으로부터 유레이스를 발견하였으며, 유레이스가 결정화된 형태를 연구하여 이 효소가 단백질임을 보여주었다. 섬너의 연구 결과는 순수한 단백질이 효소로서 기능할 수 있다는 최초의 증거가 되었으며, 생화학 연구의 중요한 기초를 마련하였다. 이러한 업적을 인정받아 1946년 섬너는 노벨 화학상을 수상하였다.

• 간에서 암모니아의 요소로의 전환

– 단백질의 세포 호흡 결과 발생한 암모니아는 간에서 오르니틴 회로(요소 회로)를 거쳐 독성이 덜한 요소로 전환된다.

– 간세포 속으로 들어온 암모니아는 이산화 탄소와 함께 오르니틴과 결합하여 시트룰린이 되고, 시트룰린은 암모니아와 결합하여 아르지닌으로 전환된다. 암모니아가 아르지닌으로 전환되는 과정에는 ATP가 필요하며, 아르지닌이 아르지네이스의 촉매 작용으로 오르니틴으로 분해되면서 요소가 생성된다. 간에서 생성된 요소는 콩팥에서 오줌의 형태로 배설된다.

• 사람의 배설계

사람의 배설계는 콩팥, 오줌관, 방광, 요도 등으로 구성되며, 노폐물을 오줌의 형태로 배설한다. 콩팥은 강낭콩 모양을 띠며, 등 쪽의 횡격막 아래에 좌우 1개씩 위치한다. 네프론은 콩팥의 구조적, 기능적 기본 단위이다.

• 오줌의 생성 과정

콩팥의 네프론에서 여과, 재흡수, 분비의 과정을 거쳐 오줌이 생성되며, 콩팥 동맥의 혈액 속 노폐물을 걸러내 몸 밖으로 내보낸다.

과정	내용
여과	콩팥 동맥을 통해 사구체로 들어온 혈액 일부가 높은 압력에 의해 보먼주머니로 빠져나가는 과정
재흡수	원뇨가 세뇨관을 따라 지나가는 동안 원뇨 속의 일부 물질이 세뇨관을 둘러싸고 있는 모세 혈관으로 다시 흡수되는 과정
분비	사구체에서 여과되지 않고 모세 혈관에 남아 있던 노폐물이 세뇨관으로 이동하는 과정

 

참고자료: 지학사 생명과학1 교과서, EBS 수능특강 생명과학1