생체에너지학 <세포구조>

생체에너지학의 기본 설명

인체에서는 매분마다 수천 개의 화학작용이 일어나는데 이러한 반응작용을 대사작용(metabolism)이라고 합니다. 화학적 반응을 포함하는 대사작용에는 분자를 합성하는 동화작용(anabolic reaction)과 분자들을 분해하는 이화작용(catabolic reaction)이 있습니다.

 

모든 세포들은 에너지가 필요하며 탄수화물, 지방, 단백질 등과 같은 음식물을 분해시켜 생물학적으로 이용 가능한 에너지 형태로 전환하는 화학적 경로를 갖고 있습니다. 이러한 과정을 연구하는 것이 생체에너지학(bioenergetics)입니다. 사람이 달리고 뛰고 수영하기 위해서는 골격근 세포들이 음식 영양분에서 에너지를 끊임없이 공급받아야 합니다. 실제적으로 음식물에 포함되어 있는 에너지를 생물학적 에너지로 전화시키지 못한다면 지구력 활돌의 운동수행은 제한적일 것입니다. 이에 대한 사례를 설명하면 다음과 같습니다. 근수축을 계속적으로 유지하려면 근세포들은 지속적인 에너지원을 가지고 있어야 합니다. 따라서 사용 가능한 에너지가 충분하지 않으면 근육수축이 불가능하여 움직임이 중단됩니다.

 

세포구조

 세포는 17세기 영국인 과학자 훅(Robert Hooke)에 의해 발견되었으며, 지난 300년에 걸친 현미경의 발달은 세포구조와 기능을 이해하는 데 도움을 주었습니다. 생체에너지학을 이해하기 위해서는 세포의 구조와 기능을 올바르게 인식하는 것이 중요합니다. 인체의 95%를 구성하는 기본적인 화학적 물질 네 가지는 산소(65%), 탄소(18%), 수소(10%), 질소(3%)입니다. 추가적인 요소인 나트륨, 철, 아연, 칼륨, 마그네슘, 염소, 칼슘 등의 양은 적으며 이와 같이 다양한 요소들은 분자 또는 화합물을 형성하기 위해 화학적 결함으로 서로 연결되어 있습니다. 탄소를 함유하는 화합물을 유기화합물이라 하고 탄소를 함유하지 않은 화합물을 무기화합물이라 일컫습니다. 예를 물어 물은 탄소가 결여되어 있기 때문에 무기화합물인 반면에 단백질, 지방, 탄수화물은 탄소를 함유하고 있기 때문에 유기화합물입니다.

 

인체의 근본적인 기능적 단위인 세포는 많은 양의 화합물을 합성할 수 있는 공장을 갖고 있어 정상적인 세포기능을 수행합니다. 모든 세포들은 정확하게 같은 기능을 수행하지도 않으며 서로 똑같지 않다는 점을 주의해야 합니다. 그렇지만 일반적으로 세포구조는 세 가지 주요 부분으로 나눌 수 있습니다.

1. 세포막 : 원형질막이라 불리는 세포막(cell membrane)은 외부환경으로부터 세포를 구분하는 반투과성 장벽입니다. 세포막의 가장 중요한 두 가지 기능을 세포의 구성요소를 둘러싸는 것과 세포 내 외부로 다양한 기질통과를 조절하는 것입니다.
2. 핵 : 핵(nucleus)은 크고 둥근 모양으로 세포 내에 위치하고 있으며 세포의 유전적 요소를 가지고 있습니다. 유전자들은 이중가닥 DNA(deoxyribonucleic acid) 요소로 구성되어 있으며 이는 유전부호를 위한 기본이 됩니다. 간단히 말해서 유전자는 단백질 합성을 조절하여 세포 구성성분과 세포활동을 조절합니다. 분자생물학(molecular bioligy)은 유전자들의 구성성분과 조절작용을 연구하는 분야로 대부분의 세포는 오직 하나의 핵만 가지고 있지만 골격근 세포는 근섬유를 따라 많은 핵을 가지고 있다는 것을 명심해야 합니다.
3. 세포질 : 근세포에서는 근형질(sarcoplasm)이라 합니다. 세포질(cytoplasm)의 핵과 세포막 사이에 있는 세포의 액체 부분입니다. 세포질 내에는 여러 가지 세포기관이 있는데 이들은 세포의 특별한 기능과 관계가 있습니다. 미토콘드리아(mitochondrion)와 같은 세포기관은 세포의 발전소라고 불리며, 음식물을 유용한 세포에너지로 이용하기 위한 산화적 과정에 관계합니다. 세포질에는 해당작용을 위해 포도당 분해를 조절하는 효소가 있습니다. 게다가 근육세포에서 수축 단백질(근섬유 단백질이라고도 함)은 세포질의 많은 부분을 차지합니다.

생물학적 에너지 전환

지구의 모든 에너지는 태양에서 나옵니다. 식물은 태양의 빛에너지를 화학작용에 이용해 탄수화물, 지방, 단백질을 생성합니다. 인간을 포함한 동물들은 식물과 다른 동물들을 섭취하여 세포활동에 필요한 에너지를 얻습니다.

 

에너지는 전기적, 기계적, 화학적 형태와 같이 다양한 형태로 존재하며 모든 형태의 에너지는 상호교환적입니다. 예를 들어 근세포는 탄수화물, 지방, 단백질로부터 얻은 에너지를 화학에너지로 전환하여 신체를 움직입니다. 화학에너지를 역학적 에너지로 전환시키는 생체에너지 과정은 연속적인 화학작용에 의해 조절됩니다. 따라서 특별한 화학작용을 논의하기 전에 세포의 화학적 반응에 대한 개념은 아래와 같습니다.

■ 세포의 화학반응

인체 내의 에너지 이동은 다양한 분자의 화학적 결합 내에 존재하는 잠재적 에너지 방출을 통해 일어납니다. 화학적 결합은 비교적 많은 양의 잠재적 에너지를 함유하고 있어 종종 '고에너지 결합'이라고 합니다. 앞에서 언급했듯이 생체에너지학은 음식물을 생물학적으로 유용한 에너지 형태로 전환하는 과정이며, 이는 일련의 화학적 작용의 결과로 발생합니다. 이러한 반응이 일어나기 전 반응물질에 필요한 에너지를 에너지 소비반응이라 합니다. 그러나 반응에 필요한 에너지가 보충되면 최초의 작용물질보다 더욱 많은 자유에너지를 생산합니다.

 

화학적 과정의 결과로 에너지를 방출하는 반응을 에너지 생산반응이라 합니다. 참고사항으로 에너지 소비와 흡열은 서로 혼용하여 같은 의미로 사용되기도 합니다. 에너지 생산반응으로 방출된 총 에너지양은 연소와 같은 단순반응이나 세포의 산화작용과 같이 여러 단계에 걸쳐 생산되는 에너지양과 같습니다.

 

연결반응 : 세포 내부에서 일어나는 여러 가지 화학적 반응을 연결반응이라 하며, 이는 하나의 반응에서 유리된 자유에너지가 다음 반응을 추진하기 위해 사용되는 연결작용입니다. 에너지 생산반응에 의해 방출된 에너지는 세포에서 반응을 요구하는 에너지를 위해 사용됩니다. 따라서 이것은 2개의 기어가 서로 맞물려서 에너지 생산바퀴가 에너지 소비바퀴를 움직이는 것과 같습니다. 다시 말해서 에너지 생산반응은 에너지 소비반응을 위한 연결반응이라 할 수 있습니다.

 

요약

• 대사작용은 인체에서 발생하는 모든 세포작용을 의미하며 이는 분자의 합성과 분해를 포함한다.
• 세포구조는 1. 세포막, 2. 핵, 3.세포질(근육에서는 근형질이라고 불림)로 구성되어 있다.
• 세포막은 세포 내부와 세포외액 사이에 있는 보호적인 장벽의 역할을 한다.
• 핵 속에 있는 유전자는 세포내의 단백질 합성을 조절한다.
• 세포질은 세포의 액체 부분으로 수많은 세포기관을 갖고 있다.
• 더해질 에너지가 필요한 반응은 에너지 소비반응이라고 불리는 반면, 에너지를 발산하는 반응은 에너지 생성반응이라고 불린다.
• 하나의 반응에서 유리된 자유에너지가 다음 반응을 추진하기 위해 사용되는 반응들을 연결반응이라고 한다.

 

다음편에는 생체에너지학 2편으로 산화-환원반응에 대해 설명하겠습니다.