물질대사
1. 개요
物質代謝 metabolic process
생체의 화학적 반응의 총칭. 신진대사라고도 한다.
2. 내용
생물은 자신의 생명 활동을 이어가기 위해서 세포 내외부의 물질과 에너지 출입을 조절한다. 생물체는 몸 밖으로부터 섭취한 영양물질을 몸 안에서 분해하고, 합성하여 생체 성분이나 생명 활동에 쓰는 물질이나 에너지를 생성하고 필요하지 않은 물질을 몸 밖으로 내보낸다. 이렇게 세포 내의 물질과 에너지를 관리하는 것을 물질대사라고 한다.
복잡한 분자를 단순한 분자로 분해하는 과정을 이화작용경로라고 하며, 반대로 단순한 분자를 모아 복잡한 분자로 만드는 과정을 동화작용경로라 한다.
3. 에너지
에너지 문서 참고.
에너지는 일을 할 수 있는 능력, 즉 변화를 일으킬 수 있는 능력이다.
에너지는 열에너지, 운동에너지, 위치에너지 등 다양한 형태로 존재하며, 생물의 능력에 따라 한 에너지를 다른 에너지로 바꿀 수도 있다.
생물은 보통 화학에너지의 형태로 자신의 생명 활동에 필요한 에너지를 저장한다.
4. 열역학 법칙
열역학 문서 참고.
생물은 영구기관 같은 게 아니니, 당연히 열역학 법칙의 지배를 받는다. 따라서 생물에서 일어나는 에너지 변환에도 열역학 법칙이 적용된다.
4.1. 열역학 제1법칙
에너지 보존의 법칙.
식물이 광합성을 통해 포도당을 생산하지만, 식물은 태양에게서 받은 빛에너지를 화학에너지로 전환할 뿐이지 식물이 에너지 생산자인 것은 아니다.
4.2. 열역학 제2법칙
엔트로피 증가의 법칙.
어떤 물질대사가 자발적으로 일어나기 위해서는 우주 전체의 엔트로피가 증가되어야만 한다.
5. 반응의 자발성
5.1. 깁스 자유 에너지 변화
깁스 자유 에너지 변화는 어떤 화학 반응이 자발적으로 일어날 것인지 알 수 있는 함수이다. 이 함수는 다음과 같이 표현된다.
$$\Delta H$$는 반응에서 계의 엔탈피 변화를 나타내며, $$T$$는 절대 온도를, $$\Delta S$$는 반응에서 계의 엔트로피 변화를 나타낸다.$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S$$
$$\Delta G$$는 반응의 자발성을 나타내며 $$\Delta G<0$$이면 반응이 자발적으로 일어나며, $$\Delta G>0$$일 때는 반응이 비자발적으로 일어난다.
5.2. 평형
모든 화학반응은 평형을 향해 진행된다.
어떤 때에 화학반응이 정반응 쪽으로 치우쳐져 있다면, 정반응의 속도가 느려지고 역반응의 속도가 빨라져 평형에 도달하게 된다.
6. ATP의 기능
세포가 자신의 생명 활동을 유지하기 위해 3가지의 중요한 작업을 한다
- 화학적 작업
광합성과 같이 자발적으로 발생하지 않는 흡열 반응을 일으켜 자신에게 필요한 물질을 만들어 낸다.
- 수송 작업
자발적인 이동 방향을 거슬러서 물질을 막을 통해 이동시킨다.
- 기계적인 작업
근육의 움직임 및 섬모의 이동과 같은 일을 수행한다.
이러한 작업에는 에너지가 필요한데, ATP는 자신이 가진 고에너지 인산기 간의 결합에 저장한 화학에너지를 방출하며 필요한 에너지를 방출한다. 특히, ATP는 분해되면서 -'''47''' kcal/mol이나 되는 $$\Delta G$$를 방출하기 때문에 자발적으로 일어나지 않는 반응을 일어나게 한다.