생물학 - 물질대사와 세포분열

1. 물질대사

1) 효소

생물의 활동은 세포에서의 여러 가지 작용을 기본으로 이루어진다. 생물의 생명활동은 세포운동, 물질의 흡수와 배출 등에 의해 유지되고 있다.

세포는 물질의 합성, 분해, 전환 등의 화학반응을 끊임없이 일으키면서 생명을 유지하고 있다. 반응 전후에 자신은 변화하지 않고 반응을 촉진하는 물질인 촉매가 존재한다. 공업 분야에서 주로 금속촉매가 이용되지만, 세포의 경우 단백질이 변성됨으로 인해 촉매의 역할을 효소가 하게 되는데, 이것을 생촉매라고 한다. 효소는 단백질로 구성되어 있다. 대부분의 효소 이름은 촉매하는 반응 뒤에 -ase 접미사를 추가하여 부른다.

생체는 다양한 화학반응에 의해 생명활동이 유지되고 있다. 이 화학반응을 담당하는 것이 앞서 말한 생촉매, 즉 효소이다. 생체 내에서 다양한 물질이 화학반응에 의해 변화하는 것을 물질대사라고 한다.

몸의 구성성분을 만들어내는 반응경로를 동화작용이라고 한다. 또한 동화된 물질을 이산화탄소, 산소와 같은 단순한 형태로 분해하면서 에너지를 생산하는 반응경로를 이화작용이라고 한다.

이 과정에서 생성되는 에너지는 ATP 형태로 저장된다.

섭취한 음식물을 소화기관에서 소화효소로 분해하는 것은 소화작용이라고 한다. 섭취한 음식물이 소화효소에 의해 단순한 탄수화물, 아미노산, 지방산으로 분해되는 것이 소화작용이다. 즉 분해된 탄수화물을 세포에서 흡수하고, 흡수된 탄수화물을 분해하여 에너지를 얻는 과정은 이화작용이다. 또한 소화작용을 통해 분해된 아미노산과 에너지를 이용하여 효소와 근육 등 몸의 성분을 만드는 것은 동화작용이다.

2) 세포호흡

세포는 호흡이라는 화학반응을 통해 ATP를 합성하고 있다. 일반적으로 호흡은 허파에서 이루어지는 산소와 이산화탄소의 가스 교환을 말하는데, 이를 외호흡이라고 하며, 체내에서 이루어지는 혈액과 세포나 조직 사이의 가스교환은 내호흡이라고 한다. 세포가 산소를 흡수하고 유기물을 분해하여 ATP를 합성하는 과정을 세포호흡이라고 한다.

세포호흡은 산소가 존재하에 이루어지는 호기호흡과 산소가 없는 조건에서 이루어지는혐기호흡이 있다.

3) ATP(아데노신 삼인산, Adenosine triphosphate)

대부분의 생명활동의 경우 생체 내에서 화학반응을 일으키기 위한 에너지원은 ATP이다. 에너지를 발생시키는 ATP의 분해와 물질의 합성과정은 동시에 일어난다. 아데닌과 리보스가 만나 아데노신이 되는 건데, 인산기 1개가 붙으면 AMP, 인산기 2개가 붙으면 ADP, 인산기 3개가 붙으면 ATP이다.

보통 ATP로 저장되지만 필요시 ADP로 변환된다. 이때 에너지가 생성되는데 이 에너지가 생명활동에 쓰인다.

* 암세포의 빠른 당분해 속도는 화학요법 및 암 진단시 이용된다.

많은 종류의 암세포에서 포도당 흡수와 당분해는 정상 조직에서보다 약 10배나 빠르게 진행한다. 같은 양의 ATP를 만들기 위하여 암세포들은 정상 세포보다 많은 양의 포도당을 섭취해야 한다. 따라서 암세포에서의 빠른 당분해 현상은 항암치료에 응용된다. 당분해과정에 존재하는 효소들을 억제하면 ATP의 공급을 막아 암세포를 죽일 수 있기 때문이다. 포도당에서 6-인산 포도당으로 전환되는 과정을 촉매하는 육탄당인산화효소의 3개의 억제제들은 항암제로 응용되고 있다.

암 진단에 사용되는 방사능 양전자 방출 촬영장치인 PET에서 이용되는 포도당이 좋은 예이다.

 

2. 세포분열

1) 세포분열

세포는 분열이라는 과정을 통해 그 수가 증가한다. 다세포 생물의 몸을 구성하는 체새포는 체세포분열을 통해 조직을 수리하고, 죽은 세포와 손상된 세포를 대체하며 성장한다. 한편, 정자와 난자와 같은 생식세포는 감수분열에 의해 형성된다.

세포분열은 먼저 핵분열이 일어나 핵이 두 개로 나누어진 다음에 세포질이 두 개로 나누어지는 세포질분열이 일어난다. 이와 같은 세포는 분열을 반복하면서 증식한다.

사람의 정자와 난자는 23개의 염색체를 가지고 있으며, 체세포는 정자와 난자의 수정에 의해 만들어지므로 46개의 염색체를 갖게 된다.

체세포는 생식세포를 제외한 몸을 구성하는 모든 세포로 체세포 분열(무성생식)을 한다. 체세포는 분열을 통해 조직을 수리하거나 죽은 세포와 손상된 세포를 대체(복구)하며 성장한다. 생식세포는 생식에 관여하는세포로 남자는 정자, 여자는 난자이다. 감수분열(유성생식)을 통해 분열한다.

세포분열을 할 때는 세포주기를 거친다. 사이기와 분열기로 나누어진다. 사이기는 분열을 준비하는 과정으로 DNA를 복제한다. G1, S, G2로 나눌 수 있다. 분열기는 핵분열, 세포질분열이 일어나는 기간으로 전, 중, 후 말로 나눌 수 있다. 그런데 감수분열은 일차분열과 이차분열로 분열기를 두 번 거친다.

3. 유전물질

1) 염색체

세포가 분열할 때는 가는 실 모양의 염색질이 뭉쳐서 염색체를 형성한다. 분열을 준비하는 체세포의 염색체는 2개의 염색분체로 되어 있고, 동원체 부위의 부착되어 있다. 2배체 염색체 수를 가진 세포는 형태와 유전자의 배열이 동일한 상동염색체의 쌍으로 유전된다.

염색체는 개체의 형질을 결정하는 상염색체와 성을 결정하는 성염색체로 구분된다. 사람은 22쌍의 상염색체와 1쌍의 성염색체로 구성되어 있고, 여자는 XX, 남자는 XY의 성염색체를 갖는다.

왓슨과 크릭은 유전정보가 DNA에서 시작되어 RNA를 거쳐 최종적으로 단백질의 형태로 표현되는 유전정보의 흐름을 중심원리로 설명하였다. 

만일 염색체 구조에 이상이 있거나 염색체 수가 다르면 돌연변이가 나타난다. 예를 들어, 5번 염색체 이상으로 크리-듀-채트증후군이 있다. 21번 염색체가 하나 더 있어서 나타나는 다운증후군도 그 예시이다.

 

* 암세포의 세포분열

건강한 상태로 장기를 유지하기 위해서 세포는 끊임없이 분열한다. 그런데 DNA 손상과 같은 원인에의해 세포분열이 조절 및 통제가 되지 않으면 비정상적으로 분열하게 된다. 이렇게 해서 생긴 비정상적인 세포의 집단을 신생물 또는 종양이라고 한다.

 

요점정리

물질대사의 의미

물질대사의 종류

ATP

세포분열의 의미