⑨ 물질대사

베이징 올림픽에서 마지막 투혼을 불 태운 이봉주 선수. 그가 바람을 가르며 결승선을 향해 달려가는 동안 몸에선 어떤 일들이 일어났을까.

먼저 운동 중인 근육세포에선 에너지를 얻기 위해 포도당이 이산화탄소와 물로 분해되는 물질의 변화가 일어난다. 또 신경계에선 신경전달물질이 생성되고 간에선 요소를 생성한다. 그리고 적혈구에선 헤모글로빈을 만들기도 한다. 이처럼 우리 몸은 끊임없이 물질들을 쪼개고 붙이는 과정을 반복하는데 이런 물질들의 화학변화를 ‘물질대사’라고 한다. 화학공장처럼 우리 몸에서 일어나는 물질대사에 대해 알아보자.

■붙여지고 쪼개지고

근육 세포는 에너지를 얻기 위해서 포도당을 분해한다. 그리고 포도당이 사용된 후에는 지방을 분해한다. 포도당과 지방을 다 쓴 세포는 단백질을 분해해 에너지를 공급하기도 한다. 이처럼 근육 세포에서 영양소를 분해할 때 큰 분자가 쪼개져 작은 분자로 변하는데 이런 반응을 ‘이화작용’이라고 한다.

반대로 몸짱이 되기 위해 근력 운동을 하면 근육이 발달하기 위해 여러 아미노산들이 합쳐져 커다란 단백질로 합성되는데 이는 ‘동화작용’이다.

동화작용과 이화작용으로 이뤄지는 물질대사는 세포나 생명체의 유지에도 중요하지만 생태계 전체 평형을 유지하는데도 매우 중요하다.

광합성을 통해 무기물은 유기물로 합성되고(동화작용) 세포호흡을 통해 유기물은 다시 무기물로 분해돼(이화작용) 물질순환이 일어난다.

에너지 흐름에서도 마찬가지다. 지구로 들어온 태양에너지는 식물의 광합성을 통해 양분 속에 저장되고 이 에너지는 생물들의 호흡을 통해 생활에너지로 사용되거나 밖으로 빠져나간다. 물질대사가 지구의 에너지 균형에도 한몫 하고 있음이다.

■세포도 호흡한다

물질대사 중 우리 몸을 움직이는데 중요한 역할을 하는 것이 바로 ‘세포 호흡’이다. 마라토너의 경우 근육이 수축·이완하는 힘으로 팔다리 운동을 일으켜 뛰어간다. 이 때 포도당이라는 연료를 세포 호흡을 통해 분해해 근육을 수축시키는 과정을 거친다. 또 발생한 이산화탄소가 날숨을 통해 배출된다. 자동차를 예로 들면 세포 호흡은 연료를 기계적 에너지로 바꿔주는 엔진의 폭발이고 날숨은 배기가스라고 생각해보면 이해가 쉽다.

세포 호흡 과정에서 포도당에 저장된 에너지는 40%만 사용되고 나머지는 열에너지로 손실된다. 자동차가 25% 정도의 에너지 효율을 보이는 것과 비교하면 세포 호흡은 효율이 높은 편이다.

세포 호흡의 또 다른 특징은 에너지를 한 번에 방출하지 않는다는 점이다. 세포 호흡 과정에서 포도당이 한 번에 산화되면 세포의 온도가 너무 높아지는 문제가 생기기 때문이다. 그래서 우리 몸은 포도당을 조금씩 잘라 방출하는데 이 소량의 에너지는 ATP라는 물질에 저장해둔다. 격렬한 운동을 하면 몸이 데워지는데 이는 바로 세포 호흡을 활발하게 했다는 증거다.

■물질대사는 효소가 조절한다

물질대사의 속도는 누가 조절할까. 정답은 ‘효소’. 효소는 물질대사라는 화학 변화에서 활성화에너지를 낮추어 반응을 잘 일어나게 해주는 역할을 한다. 때문에 ‘생체 촉매’라고도 하고 유기물로 이뤄져 ‘유기 촉매’라고도 한다. 간에서 술을 해독하는 알코올 분해 효소나 독성이 강한 과산화수소를 물과 산소로 분해하는 카탈라아제가 다 효소의 일종이다. 또 아밀라아제, 펩신, 리파아제 등과 같은 소화 효소도 있다.

세포는 단백질이나 지질 같은 약한 물질로 지탱되기 때문에 많은 에너지를 한꺼번에 사용할 수 없다. 이런 문제점을 해결해주는 것도 바로 효소의 역할이다. 요소를 만드는 공장을 예로 들면 공장에선 수백도 이상 열을 가열해야 하지만 간세포에선 40도도 안되는 온도에서 효소의 작용으로 요소가 합성된다. 세포 내의 물질 변화가 체온 범위 내서 일어나는 것은 바로 효소가 있기 때문이라는 것이다.

특이한 점은 이같은 효소는 오직 한 가지 물질과 결합한다는 것. 아밀라아제는 녹말과 결합하지만 단백질이나 지방과는 결합하지 못하며 리파아제는 지방과만 결합한다. 이는 효소의 주 성분이 단백질이라 효소마다 독특한 구조를 갖고 있어서다. 효소와 반응 물질이 마치 열쇠와 자물쇠처럼 모양이 딱 맞아야 반응하는 것이다.

/[e-mail] 이재원기자·공동기획=한국과학창의재단