물질대사, metabolism, 신진대사, 대사(代謝)
생물의 세포에서 생명을 유지하기 위해 일어나는 모든 물질의 변화로, 생체내 물질의 분해 · 합성과 같이 에너지를 소모하는 화학적 작용이다. 효소가 반응을 촉매하며, 대사를 통해 생물은 성장하고 번식하며, 구조를 유지하고 환경에 반응한다. 대사라는 단어는 소화와 세포 간에 물질 수송 등을 포함하여 생물체 내에서 일어나는 모든 화학 반응을 의미하기도 한다. 이 경우 세포 내에서 일어나는 반응의 일부를 중간 대사(영어: intermediary metabolism, intermediate metabolism)라 한다.
대사는 대개 두 부류로 나뉜다. 이화작용(catabolism)은 세포 호흡을 통하여 유기 분자를 분해하고 에너지를 얻는 반응이다. 동화작용(anabolism)은 에너지를 이용하여 단백질이나 핵산과 같은 세포의 구성 성분을 합성하는 반응이다.
대사의 화학 반응은 대사경로를 통해 이루어진다. 대사경로에서 한 화합물이 여러 단계의 반응을 거쳐 다른 화합물로 변화하고, 단계마다 다른 효소가 차례로 반응을 촉매한다. 효소는 에너지를 방출하면서 자발적으로 일어나는 반응을 에너지를 요구하는 반응과 짝지어 생명체가 필요로 하는 반응이 일어나게 한다. 효소는 반응이 좀더 빠르게 일어나도록 하는 촉매 역할을 한다. 또 세포 주위의 환경이나 세포에 오는 신호에 반응하기 위해 대사를 조절하는 역할도 한다.
생물의 대사 시스템에 따라 어떤 물질이 영양소인지 독인지가 정해진다. 예를 들어, 황화 수소는 몇몇 원핵생물에게는 양분이지만, 동물들에게는 독이다. 생물체의 대사 속도는 필요한 음식의 양과 음식을 얻는 방법에 영향을 미친다.
생물 종이 다를지라도 기본적인 대사경로와 그 구성 성분은 매우 유사하다. 시트르산 회로를 구성하는 중간체로 널리 알려진 카복실산들은 단세포 세균인 대장균에서부터 거대한 다세포 생물인 코끼리에 이르기까지 알려진 모든 생물에 존재한다. 대사경로는 진화 초기에 등장했으며, 그 효율성 때문에 계속해서 유지된 것으로 추정된다.
주요 생화학 분자
동물과 식물, 미생물의 구조는 대부분 아미노산, 탄수화물, 지질(종종 지방이라고 불림) 이렇게 세 가지 기본적인 분자로 이루어진다. 생명 유지에 필수적이며, 대사는 이 분자들을 만들어 세포와 조직의 구성 성분으로 쓰거나, 분해하여 에너지로 쓰는 화학 반응이다. 주요 생화학 분자는 결합하여 DNA나 단백질 같은 고분자가 된다.
| 분자 종류 | 단량체 이름 | 중합체 이름 | 중합체 예시 |
| 아미노산 | 아미노산 | 단백질 (폴리펩타이드라고도 함) | 섬유상 단백질과 구형 단백질 |
| 탄수화물 | 단당류 | 다당류 | 녹말, 글리코젠 및 셀룰로스 |
| 핵산 | 뉴클레오타이드 | 폴리뉴클레오타이드 | DNA 및 RNA |
아미노산과 단백질
단백질은 아미노산이 펩타이드 결합을 통해 결합한 선형 사슬로 이루어져 있다. 단백질 중 다수는 효소로 대사의 화학 반응을 촉매한다. 기타 단백질은 세포 형태를 유지하는 세포골격과 같이 구조나 기계적 기능을 담당한다. 단백질은 또한 세포 신호, 면역 반응, 세포 부착, 막을 통한 능동수송, 세포 주기에 주요 역할을 한다. 아미노산은 또한 일차적으로 에너지를 공급하는 포도당이 부족하거나 세포가 대사적 스트레스 상태일 때 시트르산 회로에 진입하는 탄소원을 제공하여 세포의 에너지 대사에 관여하기도 한다.
지질
지질은 생화학 분자들 중 가장 다양한 유형으로 나뉜다. 주요 역할로는 생체막 안팎을 구성하는 것과 에너지원으로서의 역할이 있다. 지질은 소수성이나 양친매성 물질로 정의되지만 벤젠이나 클로로폼과 같은 유기 용매에 녹는다. 지방은 지방산과 글리세롤을 포함하는 큰 화합물 무리이다. 글리세롤이 지방산 세 분자에 결합한 에스터를 트라이글리세라이드라 한다. 트라이글리세라이드 구조에서 조금씩 변형된 화합물이 존재한다. 스핑고지질의 스핑고신, 인지질의 인산염과 같은 친수성 기를 예로 들 수 있다. 그 밖에 스테로이드도 주요 지질 유형으로, 콜레스테롤이 여기에 속한다.
탄수화물
탄수화물은 하이드록시기가 많은 알데하이드나 케톤으로 사슬이나 고리 형태로 존재할 수 있다. 탄수화물은 생물계에서 가장 풍부한 분자이다. 기능도 다양해서 에너지를 저장하고 수송하는 역할(녹말, 글리코젠), 구조적 역할(식물의 셀룰로스, 동물의 키틴)을 한다. 기본적인 탄수화물 단위를 단당류라고 하며, 갈락토스, 과당, 그리고 가장 중요한 포도당이 있다. 단당류는 무한정에 가까운 다양한 방법으로 서로 결합하여 다당류를 형성할 수 있다.
뉴클레오타이드
핵산인 DNA와 RNA는 뉴클레오타이드의 중합체이다. 각 뉴클레오타이드는 인산기와 리보스 당, 질소 염기로 이루어진다. 핵산은 유전 정보를 저장하는데 사용되며, 전사와 번역 과정을 통해서 유전 정보를 발현시키는 데에 필수적인 요소이다. 유전 정보는 DNA 수선 기작이 있어 보호되고, DNA 복제를 통해 분자 수를 증가시킨다. 바이러스는 HIV처럼 RNA 유전체를 가지면서 역전사를 통하여 바이러스 RNA 유전체로부터 DNA를 만드는 경우도 있다. 스플라이소좀이나 리보솜과 같은 리보자임에 있는 RNA는 화학 반응을 촉매하는 효소로 작용한다. 각각의 뉴클레오사이드는 핵염기에 리보스 당이 결합해서 만들어진다. 염기는 질소를 포함한 고리 구조로, 퓨린과 피리미딘으로 나뉜다. 뉴클레오타이드는 또한 대사에서 작용기 전이 반응에 참여하는 조효소로 작용하기도 한다.
조효소
대사는 거대한 화학 반응이지만 작용기의 전이와 관련된 몇 가지 기본적인 반응으로 크게 분류할 수 있다. 공통적인 화학 반응 덕분에 세포는 서로 다른 반응에 참여하는 작용기를 운반하는 대사 중간체의 수를 줄일 수 있다. 조효소는 이렇게 작용기를 운반하는 중간체이다. 작용기 전이 반응은 특정한 한 조효소에 의하여 진행되며, 효소는 그 조효소를 생산하고 소비한다. 따라서 조효소는 계속해서 만들어지고, 사용되며, 재활용된다.
주요 조효소 중 하나가 세포 공동의 에너지 통화라 할 수 있는 아데노신 삼인산(ATP)이다. ATP는 서로 다른 화학 반응 간에 화학 에너지를 전달하는데 사용된다. 세포에는 소량의 ATP만 존재하고, 에너지 요구량에 부합하기 위해 세포는 계속해서 ATP를 빠르게 재생성한다. ATP는 동화작용과 이화작용 사이에서 다리 역할을 한다. 이화작용은 분자를 분해하는 과정이고, 동화작용은 분자를 합성하는 과정이다. 이화작용을 통하여 ATP가 생산되고, 동화작용은 ATP를 소모한다. 그 밖에도 ATP는 인산화 반응에서 인산기를 운반하기도 한다.
비타민은 소량이 필요하지만 세포가 생산할 수 없는 유기 화합물이다. 사람의 영양 측면에서, 비타민은 체내에서 변화한 후 대개 조효소 기능을 한다. 예를 들어 수용성 비타민은 세포에서 이용될 때 인산화되거나 뉴클레오타이드와 결합한다. 비타민 B3(나이아신)의 유도체인 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드(NAD+)는 전자수용체 역할을 하는 중요한 조효소이다. 수백 가지 종류의 탈수소효소가 각자의 기질에서 전자를 제거하고 NAD+를 NADH로 환원시킨다. 환원된 조효소 형태인 NADH는 수많은 환원효소의 기질이 되어 환원 반응에 참여한다. NAD+와 NADP+는 세포 내에서 두 가지 연관된 형태인 NADH와 NADPH로 존재한다. NAD+/NADH 형은 이화작용에서, NADP+/NADPH는 동화작용에서 각각 더 중요하게 사용된다.
무기질과 보조 인자
무기 원소는 대사에서 중요한 역할을 한다. 나트륨과 칼륨은 풍부한 반면, 다른 원소들은 소량 존재하면서 기능한다. 포유류 무게의 99%는 탄소, 질소, 칼슘, 나트륨, 염소, 칼륨, 수소, 인, 산소, 그리고 황이 차지한다. 유기 화합물(단백질, 지질, 탄수화물)이 대부분의 탄소와 질소를 포함하며, 산소와 수소는 물로서 존재한다.
풍부한 무기 원소는 이온성 전해질 역할을 한다. 가장 중요한 이온은 나트륨과 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 염화 이온, 인산염과 유기 이온인 탄산수소염이다. 막 안팎의 이온 기울기는 정확하게 조절되어 삼투압과 수소 이온 농도를 유지시킨다. 신경과 근육 조직의 기능에 중요한 역할을 하는 활동전위는 세포외액과 세포기질 사이에서 전해질이 교환되면서 만들어진다. 전해질은 세포막에 있는 이온 통로를 통하여 세포에 드나든다. 예를 들어 근육 수축은 이온 통로와 T-소관(T-tubule)을 통한 칼슘, 나트륨, 칼륨의 이동에 의존한다.
헤모글로빈의 구조. 단백질 소단위는 빨간색과 파란색으로, 철을 함유하는 헴 고리는 초록색으로 나타내었다. PDB 1GZX.
전이 금속은 미량 원소로 존재하며, 아연이나 철은 미량 원소 중에도 비교적 많은 편이다. 금속 원소는 단백질의 보조 인자로 쓰이며, 카탈레이스같은 효소와 산소를 운반하는 단백질(예를 들어 헤모글로빈)의 활성에 필수적이다. 금속 보조 인자는 단백질의 특이적인 자리에 결합한다. 효소 보조 인자는 촉매 반응 중에 변형될 수 있지만, 촉매 반응이 끝나면 원래의 상태로 되돌아온다. 금속 미량 영양소는 특이적인 수송체에 의해 생물체 내로 흡수되고 사용하지 않을 때는 페리틴이나 메탈로티오네인(metallothionein)과 같은 저장 단백질과 결합한다.
이화작용
이화작용은 큰 분자를 분해하는 대사 과정으로 음식을 분해하고 산화하는 과정이 포함된다. 이화작용으로 동화작용에 필요한 물질을 공급하고 에너지를 얻는다. 이화작용의 정확한 특성은 생물마다 각기 다르며, 필요에 따라서는 생물을 에너지와 탄소를 얻는 원천에 따라 분류할 수 있다(아래 표 참고). 에너지원으로 유기영양생물(organotroph)은 유기물을, 무기영양생물(lithotroph)은 무기물을, 광영양생물(phototroph)은 태양광을 사용한다. 대사는 서로 다르지만 모두 산화환원 반응에 의존하며, 전자를 유기물, 물, 암모니아, 황화 수소, 철 이온(Fe2+)과 같은 환원된 전자공여체에서 산소, 질산염, 황산염과 같은 전자수용체로 전달한다. 동물의 경우 이 반응은 복잡한 유기물을 이산화 탄소와 물과 같은 간단한 분자로 분해하는 형태이다. 식물이나 남세균 등 광합성 생명체는 전자 전달 반응이 에너지를 방출하지 않고 태양광으로부터 에너지를 흡수해 저장하는 용도로 쓰인다.
대사에 따른 생물 분류
| 에너지원 | 태양광 | 광- | 영양생물 | ||
| 이미 존재하는 분자 | 화학- | ||||
| 전자공여체 | 유기 화합물 | 유기- | |||
| 무기 화합물 | 무기- | ||||
| 탄소원 | 유기 화합물 | 종속- | |||
| 무기 화합물 | 독립- | ||||
동물에게 가장 흔한 이화작용은 크게 세 단계로 구분한다. 첫째는 단백질, 다당류, 지질 등의 큰 유기 분자를 세포 바깥에서 보다 작은 분자로 소화하는 것이다. 다음으로 이 작은 분자를 세포 내로 흡수하여 에너지를 일부 방출하는 더욱 작은 분자, 대개는 아세틸 조효소 A(아세틸-CoA)로 전환한다. 마지막으로 아세틸 조효소 A는 시트르산 회로와 전자전달계를 통해 물과 이산화탄소로 산화되고, 이 과정에서 방출되는 에너지의 일부는 조효소 NAD+를 NADH로 환원하면서 에너지를 저장한다.
소화
녹말, 셀룰로스, 단백질 등의 고분자는 세포 내로 빠르게 흡수될 수 없고, 세포 대사에 이용되기 전에 더 작은 단위로 분해되어야 한다. 일반적인 효소 몇몇이 이러한 중합체를 소화한다. 소화 효소에는 단백질을 아미노산으로 분해하는 단백질 가수분해 효소, 다당류를 단당류 같은 단순한 당으로 분해하는 글리코사이드 가수분해효소(글리코시데이스) 등이 있다.
미생물은 단순히 주변에 소화 효소를 분비하고, 동물만이 특수한 세포에서 장으로 효소를 분비한다. 세포 바깥에서 효소가 고분자를 분해하여 만들어낸 아미노산과 당은 능동수송 단백질을 통해 세포 내로 운반된다.
유기물에서 얻은 에너지
탄수화물 이화작용은 탄수화물을 더 작은 단위로 분해하는 과정이다. 탄수화물은 대개 단당류로 소화된 후에 세포로 유입된다. 세포로 들어온 단당류(포도당이나 과당)는 해당과정을 거치면서 피루브산으로 전환되고 ATP가 만들어진다. 피루브산은 몇몇 대사 회로의 중간체이지만 대부분의 경우 아세틸 조효소 A(아세틸-CoA)로 전환되어 시트르산 회로로 들어간다. 시트르산 회로에서 ATP가 더 많이 생산되기는 하지만, 이 회로에서 가장 중요한 생산물은 아세틸-CoA가 산화되면서 NAD+에서 생산된 NADH이다. 무산소 조건에서는 젖산 탈수소효소의 작용으로 해당과정을 통해 젖산이 생산되고, NADH는 해당과정에서 재사용되기 위해서 NAD+로 재산화된다. 포도당은 오탄당 인산 경로라는 다른 경로로 분해될 수도 있다. 오탄당 인산 경로는 조효소 NADPH를 환원하고, 핵산의 구성 성분인 리보스와 같은 오탄당을 생산하는 과정이다.
지방은 지방산과 글리세롤로 가수분해된다. 글리세롤은 해당과정으로 들어가고 지방산은 베타 산화 과정을 통하여 분해되어 아세틸-CoA를 방출하고, 시트르산 회로에 진입한다. 지방산이 산화되면 산소를 더 많이 가지고 있는 탄수화물보다 더 많은 에너지를 방출할 수 있다. 스테로이드 또한 베타 산화와 유사한 과정을 통해 몇몇 세균에 의해 분해되어 상당한 양의 아세틸-CoA, 프로피오닐-CoA, 피루브산으로 전환되고, 이들은 모두 세포가 에너지를 얻는 데에 쓸 수 있다. 결핵균(M. tuberculosis)은 탄소원으로 콜레스테롤만을 이용하여 증식할 수 있으며, 콜레스테롤 사용 경로와 관련된 유전자가 결핵균이 감염되는 생활사의 여러 단계에서 중요한 역할을 한다는 것이 확인되었다.
아미노산은 단백질이나 다른 생체분자를 합성하는데 이용되거나, 에너지원으로 사용되어 요소와 이산화 탄소로 산화된다. 아미노산의 산화 경로는 아미노기 전이효소에 의해 아미노기를 제거하면서 시작한다. 아미노기는 요소 회로로 들어가고, 아미노기가 제거된 탄소 골격은 케토산의 형태로 남는다. 이 케토산 중에 몇몇은 시트르산 회로의 중간체로, 예를 들어 글루탐산이 탈아미노화되면 α-케토글루타르산이 된다. 어떤 아미노산은 포도당신생합성 과정을 통해 포도당으로 전환될 수 있는데, 이를 당생성 아미노산이라 한다.
에너지 전환
산화적 인산화
산화적 인산화 과정에서 전자는 유기 분자에서 제거되어 산소로 옮겨지고 방출된 에너지는 ATP를 만드는데 쓰인다. 이 과정은 진핵생물의 경우 미토콘드리아 막에 있는 단백질 복합체들, 즉 전자전달계에서 일어난다. 원핵생물에서는 세포의 내막에 있는 단백질들에서 일어난다. 이 단백질 복합체들은 환원된 분자(즉, NADH)에서 산소로 전자가 전달되면서 방출되는 에너지를 이용하여 막 바깥으로 양성자를 퍼낸다(pump).
ATP 합성효소(ATP synthase)의 기작. ATP는 빨간색, ADP와 인산기는 분홍색, 회전하는 기둥 소단위는 검은색으로 나타냄
미토콘드리아 기질에서 막 사이 공간으로 양성자를 퍼내면 미토콘드리아 내막을 경계로 안팎으로 양성자의 농도 차가 생겨서 전기화학적 기울기를 형성한다. 이 힘에 의하여 양성자는 ATP 합성효소를 통하여 다시 미토콘드리아로 돌아간다. 양성자 흐름에 따라 ATP 합성효소의 기둥 소단위체(γ 소단위체)가 회전하고, ATP 합성효소 활성 자리의 구조가 변화하여 ADP을 ATP으로 인산화한다.
무기 화합물로부터의 에너지
화학무기영양생물(chemolithotroph)은 원핵생물의 일종으로 무기 화합물을 산화하여 에너지를 얻는다. 여기 속하는 생물은 수소, 환원형 황 화합물(황화물, 황화 수소, 티오황산염), 철 이온(Fe II), 암모니아 등의 환원력을 이용할 수 있으며, 이들 화합물을 산화하고 산소나 아질산염을 전자수용체로 이용하여 에너지를 얻는다. 무기 화합물에서 에너지를 얻는 미생물의 대사는 이산화 탄소에서 아세트산을 생산하거나(acetogenesis), 질화 작용(nitrification), 탈질소 작용(denitrification) 등 전세계적인 생물지구화학적 순환에 중요한 역할을 하며, 토양비옥도에 필수적인 요소이다.
빛에서 얻는 에너지
식물, 남세균, 녹색유황세균류와 몇몇 원생생물은 태양광에서 에너지를 얻는다. 이 과정은 종종 광합성의 일부로서 이산화 탄소를 유기 화합물로 전환하는 과정을 동반한다. 자색 세균과 녹색황세균이 태양광을 에너지원으로 쓸 수 있듯이 원핵생물은 에너지 포착과 탄소 고정을 각각 따로 시행할 수 있으며, 동시에 대사 방향을 탄소 고정이나 유기 화합물의 발효로 전환할 수 있다.
태양광을 에너지로 저장하는 생물 역시 양성자 농도 기울기를 이용하여 에너지를 저장하므로 원리상 산화적 인산화와 유사하다. 양성자 농도 기울기에 의한 힘이 ATP 합성을 유도한다. 전자전달계를 돌리기 위한 전자는 광합성 반응 중심 또는 로돕신이라는 빛을 모으는 단백질로부터 온다. 반응 중심은 그곳에 존재하는 광합성 색소의 종류에 따라 두 부류로 나뉜다. 광합성 세균은 대개 한 종류의 반응 중심을 가지고, 식물과 남세균은 두 종류를 모두 가진다.
식물과 조류, 남세균은 광계 II에서 빛 에너지를 받아 물에서 전자를 제거하고 부산물로 산소를 방출한다. 전자는 사이토크롬 b6f 복합체로 전달되고, 그 에너지로 엽록체의 틸라코이드 막 안쪽으로 양성자를 퍼낸다. 양성자는 다시 막을 가로질러 확산되면서 ATP 합성효소를 작동시킨다. 전자는 광계 I으로 전달되어 조효소 NADP+를 환원시켜 NADPH가 캘빈 회로에서 사용되게 하거나, ATP 생성을 계속하기 위해 재활용된다.
동화작용
동화작용은 이화작용에서 방출된 에너지로 복잡한 분자를 합성하는데 이용하는 대사 과정이다. 일반적으로 세포의 구조를 이루는 복잡한 분자는 작고 단순한 전구물질로부터 차례로 합성된다. 동화작용은 기본적으로 세 단계를 거친다. 처음에는 아미노산, 단당류, 아이소프레노이드, 뉴클레오타이드와 같은 전구물질을 생산하고, 그 다음에는 ATP에 저장된 에너지를 이용하여 전구물질을 활성이 있는 형태로 바꾼다. 마지막으로 이 전구물질들을 조립하여 단백질, 다당류, 지질, 핵산 등의 복잡한 분자들을 생산한다.
생물에 따라 스스로 세포 내에서 만들 수 있는 분자들의 종류가 각기 다르다. 식물과 같은 자가영양생물은 이산화 탄소나 물처럼 간단한 분자에서 다당류나 단백질을 합성할 수 있다. 반면에 종속영양생물은 보다 복잡한 물질을 합성하기 위한 전구물질들, 예컨대 단당류나 아미노산을 필요로 한다. 생물은 궁극적인 에너지원에 따라 더 세분화된다. 광합성독립영양생물(photoautotroph)과 광합성종속영양생물(photoheterotroph)은 빛에서 에너지를 얻고, 화학독립영양생물(chemoautotroph)과 화학종속영양생물(chemoheterotroph)은 무기 산화 반응을 통하여 에너지를 얻는다.
탄소 고정
광합성은 햇빛과 이산화 탄소(CO2)를 이용하여 탄수화물을 합성하는 과정이다. 식물과 남세균, 조류는 광합성을 통해 물을 분해하고 산소를 부산물로 생산한다. 이 과정은 광합성 반응 중심에서 생산된 ATP와 NADPH를 사용하여 CO2를 3-포스포글리세르산으로 전환하고, 3-포스포글리세르산은 이후 포도당으로 전환된다. 탄소 고정 반응은 캘빈 회로의 일부로 루비스코(RuBisCO)라는 효소가 참여한다. 식물에서는 C3 탄소 고정, C4 탄소 고정, 그리고 CAM 광합성 이렇게 세 종류의 광합성이 일어나며, 이들은 CO2가 캘빈 회로에 들어가는 방법에 따라 구분된다. C3 식물은 CO2를 직접적으로 고정하고, C4 식물과 CAM 식물은 CO2를 먼저 다른 화합물의 일부로 포함시킨다. 이는 강렬한 햇빛과 건조한 환경에 적응하기 위한 방편이다.
광합성 원핵생물의 경우 탄소 고정 기작이 좀 더 다양하다. 캘빈 회로, 역방향 시트르산 회로(reversed citric acid cycle), 혹은 아세틸-CoA의 카복실화를 통해 이산화 탄소를 고정한다. 화학독립영양(chemoautotroph) 원핵생물 또한 캘빈 회로를 통해 이산화 탄소를 고정하지만, 반응을 진행하기 위한 에너지는 무기 화합물에서 얻는다.
탄수화물과 글리칸
단순한 유기산은 포도당과 같은 단당류로 전환될 수 있고, 그 후에 녹말 같은 다당류로 합성된다. 피루브산, 젖산, 글리세롤, 3-포스포글리세르산 및 아미노산 등에서 포도당을 생성하는 것을 포도당신생합성이라고 한다. 포도당신생합성은 해당과정과 많은 부분에서 겹치는 중간체들을 통해 피루브산을 포도당 6-인산으로 전환한다. 그러나 포도당신생합성 경로에 참여하는 효소들 중에는 해당과정에 참여하지 않는 효소가 있으므로 포도당신생합성은 단순히 해당과정의 역반응은 아니다. 이로 인하여 포도당을 생성하고 분해하는 것이 각기 따로 조절될 수 있으며, 두 대사 경로가 에너지만 소모하는 무익 회로(futile cycle)로 동시에 작동하는 것을 방지한다.
에너지를 저장하는 일반적인 분자는 지방이지만, 척추동물의 경우 지방산은 포도당신생합성을 통하여 포도당으로 전환될 수 없다. 이는 식물과 달리 동물에게는 아세틸-CoA를 피루브산으로 전환하는데 필요한 효소 기구가 없기 때문이다. 따라서 장기간 기아 상태에서 척추동물은 지방산을 대사하지 못하는 조직(예를 들어 뇌)이 포도당 대신에 사용할 케톤체를 생산해야 한다. 식물과 세균 등 다른 생물은 시트르산 회로에서 탈카복실화 반응을 우회하여, 아세틸-CoA를 옥살아세트산으로 변환하고 포도당 생산에 이용될 수 있게 하는 글리옥실산 회로를 이용하여 이 문제를 해결한다.
다당류와 글리칸은 유리딘 이인산 글루코스(UDP-glucose)와 같은 반응성 당인산을 중합되고 있는 다당류의 하이드록시기에 순차적으로 부가하는 글리코실전이효소(glycosyltransferase)에 의해 생성된다. 기질 고리 구조에 있는 하이드록시기라면 당이 중합될 수 있기 때문에 다당류는 사슬 구조와 가지친 형태 모두가 될 수 있다. 생성된 다당류는 그 자체로 구조적 기능이나 대사적 기능을 하거나, 올리고당전이효소(oligosaccharyltransferase)에 의해 지질이나 단백질에 결합할 수도 있다.
지방산, 아이소프레노이드 및 스테로이드
단순화된 스테로이드 합성 경로. IPP는 아이소펜테닐 피로인산, DMAPP는 다이메틸알릴 피로인산, GPP는 제라닐 피로인산을 의미한다.
지방산은 아세틸-CoA 단위체를 중합하고 환원하는 지방산 생성효소(fatty acid synthase)에 의해 만들어진다. 지방산의 아실 사슬은 아실기를 더하고 알코올로 환원한 후, 알켄으로 탈수소화하고 다시 알케인으로 환원하는 일련의 반응에 의해 신장된다. 지방산 생합성에 관여하는 효소는 두 그룹으로 나뉜다. 동물과 균류는 여러 기능을 가진 제1형 단백질 하나에 의해 지방산을 합성하고, 식물의 색소체와 세균은 제2형 단백질이 합성 경로의 각 단계에 관여한다.
테르펜과 아이소프레노이드는 카로티노이드를 포함하는 지질의 큰 부류로 식물에서 생산되는 천연물 중 가장 큰 집단이다. 이 화합물은 반응성 전구체인 아이소펜테닐 피로인산과 다이메틸알릴 피로인산에서 받은 아이소프렌 단위체의 중합과 변형을 통해 생산된다. 이러한 전구체들은 서로 다른 경로로 합성된다. 동물과 고균은 아세틸-CoA에서 시작해서 메발론산 경로를 통해 전구체를 합성하고, 식물과 세균은 피루브산과 글리세르알데하이드 3-인산을 이용하여 합성한다. 활성화된 아이소프렌 공여체를 이용하는 주요 반응 중 하나가 스테로이드 생합성 경로이다. 스테로이드 합성 경로에서 아이소프렌 단위체는 결합하여 스쿠알렌이 되고, 고리를 형성하여 라노스테롤이 된다. 라노스테롤은 콜레스테롤과 에르고스테롤 등 다른 스테로이드로 전환된다.
단백질
생물에 따라 20가지의 아미노산을 합성할 수 있는 능력에 차이가 있다. 대부분의 세균과 식물은 20가지 전부를 합성할 수 있지만, 포유류는 오직 열한 가지의 비필수 아미노산만을 합성할 수 있고 나머지 아홉 가지의 필수 아미노산은 음식물에서 얻어야 한다. 마이코플라스마(Mycoplasma pneumoniae)과 같이 단순한 기생충은 모든 아미노산을 합성할 수 없고 숙주로부터 직접 아미노산을 탈취한다. 모든 아미노산은 해당과정, 시트르산 회로, 혹은 오탄당 인산 경로의 중간생성물로부터 합성된다. 질소는 글루탐산과 글루타민에서 공급된다. 아미노산은 적절한 α-케토산의 형성에 의존하여 합성되고, α-케토산은 아미노기 전달반응에 의하여 아미노산이 된다.
아미노산은 펩타이드 결합에 의해 사슬형으로 연결되고 단백질이 된다. 각각의 단백질은 특이적인 아미노산 서열로 이루어지며, 이를 일차 구조라 한다. 아미노산은 다양한 서열로 결합하여 셀 수 없이 다양한 단백질을 형성한다. 단백질이 형성될 때 아미노산은 에스터 결합으로 운반 RNA(tRNA)에 붙어서 활성화된다. 이 아미노아실-tRNA 전구체는 ATP를 이용하는 아미노아실 tRNA 합성효소에 의해 생산된다. 아미노아실-tRNA는 리보솜의 기질이 되고, 리보솜은 전령 RNA에 있는 서열 정보에 따라 아미노산을 신장하는 단백질 사슬에 결합시킨다.
뉴클레오타이드 합성과 회수
뉴클레오타이드는 아미노산, 이산화 탄소, 폼산으로부터 만들어지는데 이러한 대사에는 막대한 에너지가 소모된다. 따라서 대부분의 생물들은 이미 만들어져 있는 뉴클레오타이드를 효과적으로 회수하는 체계를 발달시켰다. 퓨린은 뉴클레오사이드(리보스에 결합한 염기) 형태로 합성된다. 아데닌과 구아닌은 뉴클레오사이드 전구체인 이노신 일인산에서 합성되며, 아미노산 글라이신, 글루타민, 아스파르트산 및 조효소 테트라하이드로엽산에서 전이된 폼산에서 원자를 이용한다. 피리미딘은 글루타민과 아스파르트산에서 형성된 오로트산으로부터 합성된다.
생체이물 및 산화환원 대사
모든 생물은 영양분으로 사용할 수 없는 화합물에 지속적으로 노출되고, 대사적 기능이 없는 이물질이 세포 내에 축적되면 해로울 수 있다. 이렇게 유해성을 가진 물질을 생체이물이라 한다. 합성 약물, 자연 독소, 항생제 같은 생체이물은 생체이물을 대사하는 효소에 의하여 해독된다. 사람의 해독 효소에는 사이토크롬 P450 산화효소, UDP-글루쿠로노실전이효소(glucuronosyltransferase), 글루타티온 S-전이효소 등이 있다. 이 효소계는 생체이물을 산화하고(1기), 생체이물 분자에 수용성 작용기를 부가한 후(2기), 세포 밖으로 퍼내거나 다세포 생물의 경우 계속해서 대사 과정을 거쳐 배출시킨다(3기). 생태학에서 이 반응은 특히 미생물의 오염 물질 생분해와 오염된 땅과 기름 유출에 대한 생물적 환경정화에 중요한 역할을 한다. 미생물의 반응은 많은 부분 다세포 생물의 반응과 유사하지만, 미생물은 특유의 엄청난 다양성으로 다세포 생물에 비하여 훨씬 많은 종류의 생체이물을 처리하며, 유기염소 화합물과 같이 잔류성 유기 오염 물질까지도 처리할 수 있다.
한편 호기성 생물에게는 산화적 스트레스 문제가 있다. 산화적 인산화와 이황 결합 등의 과정은 과산화수소 같은 활성산소를 생성한다. 유해 산화제는 글루타티온 같은 항산화 대사체나 카탈레이스 혹은 과산화효소 등에 의해 제거된다.
생물의 열역학
열과 일의 전달에 대한 열역학 법칙은 생물에게도 예외가 아니다. 열역학 제2법칙에 따르면 어떤 닫힌계에서 전체 엔트로피(무질서도)의 총량은 증가하는 경향이 있다. 생물은 놀라운 복잡성으로 이 법칙에 모순되는 것 같지만, 생물은 주변 환경과 물질과 에너지를 교환하는 열린계로 존재한다. 따라서 살아있는 계는 평형 상태가 아니며, 환경의 엔트로피를 높이면서 고도의 복잡성을 유지하는 흩어지기계(dissipative system)이다. 세포는 이화작용의 자발적 과정과 동화작용의 비자발적 과정을 짝지어 대사가 일어나도록 한다. 열역학적 용어로, 대사는 무질서를 창조하면서 질서를 유지한다.
조절과 통제
생물이 있는 환경은 계속해서 변하기 때문에 대사는 세포 내의 일정한 조건, 즉 항상성을 유지하기 위해 섬세하게 조절되어야 한다.대사 조절은 또한 생물이 신호에 반응하고 환경과 적절히 상호작용할 수 있도록 한다. 어떻게 대사 경로가 통제되는지 이해하는데에는 아래의 밀접하게 연결된 두 개념이 중요한 역할을 한다.
대사 경로에서 효소를 조절(regulation)한다는 것은 어떻게 효소가 신호에 반응하여 활성이 증가하고 감소하는지를 의미한다.
효소가 발휘하는 통제(control)란 활성이 변화한 효소가 전체 대사 경로의 속도(혹은 흐름)에 미치는 영향을 의미한다.
예를 들어 어떤 효소의 활성이 크게 변화하더라도(매우 잘 조절됨) 이 변화로 인하여 대사 경로의 흐름에 큰 변화가 없다면, 이 효소는 해당 대사 경로의 통제에 관여하지 않는다.
포도당 흡수와 대사에 미치는 인슐린의 영향. 인슐린이 수용체에 결합하면(1), 단백질 활성화 연쇄반응(3-6)이 개시된다(2). Glut-4 수송체가 원형질 막으로 이동하고 포도당이 유입된다(3). 글리코겐이 합성되고(4), 해당이 일어나며(5), 지방산 합성이 시작된다(6).
대사 조절에는 다양한 단계가 있다. 내인성 조절은 대사 회로가 기질이나 산물의 수준에 따라 스스로를 조절하는 것이다. 예를 들어 산물이 양이 감소하면 그것을 보상하기 위해 그 경로로의 흐름이 증가한다. 이런 경우에는 종종 다른 자리 입체성 조절로 효소의 활성을 조절한다. 외인성 통제는 다세포 생물의 세포가 다른 세포로부터 온 신호에 반응하여 대사를 변경할 때 나타난다. 이 때 신호는 대개 호르몬이나 성장 인자 형태로, 세포 표면에 있는 특수한 수용체에 의해 감지된다. 신호는 단백질 인산화 연쇄 반응을 거쳐 이차 신호 전달계에 의해 세포 내로 전달된다.
외인성 조절의 예로 잘 알려진 것이 인슐린 호르몬에 의한 포도당 대사의 조절이다. 인슐린은 혈당량의 증가에 따라 생산된다. 인슐린이 수용체에 결합하면 단백질 인산화효소 연쇄반응을 활성화하여 세포로 하여금 포도당을 흡수하여 지방산이나 글리코겐 등 저장형 분자로 전환하게 한다. 포도당의 대사는 글리코겐을 분해하는 인산가수분해효소와 합성하는 글리코겐 합성효소의 활성에 따라 통제된다. 이 두 효소는 인산화를 통해 상호조절된다. 즉, 글리코겐 분해효소는 인산화되면 활성화되고, 합성효소는 저해된다. 인슐린은 단백질 인산분해효소를 활성화하고, 따라서 글리코겐 분해 및 합성효소의 인산화 정도를 감소시켜 글리코겐이 합성되도록 유도한다.
진화
위에서 기술한 해당과정, 시트르산 회로와 같은 주요 대사 경로들은 모든 생물 도메인에 존재하며 모든 생물의 공통 조상에도 있었다. 공통 조상 세포는 원핵세포였으며 아마도 광범위한 아미노산, 뉴클레오타이드, 탄수화물, 지질 대사를 갖춘 메테인 세균이었을 것이다. 진화를 거치면서 오래된 대사 경로를 계속 유지한 것은 그 대사가 특정한 대사적 난제를 해결하는 최적의 방법이기 때문일 것이다. 해당과정과 시트르산 회로의 경우 최소의 단계로 매우 효율적인 최종 산물을 생산한다. 비부호 DNA 단편에 영향을 미치는 돌연변이는 대사 효율에만 영향을 미칠 것이다. 효소를 이용한 대사 중 가장 먼저 등장한 것은 퓨린 뉴클레오타이드 대사의 일부이고, 이전의 대사 경로는 고대 RNA 세계의 일부였을 것이다.
새로운 대사 경로가 진화한 기작을 설명하기 위한 모델이 여럿 존재한다. 원형의 대사 경로에 이전부터 존재하던 효소가 새로운 반응 경로에 통합될 뿐만 아니라 새로운 효소가 차례로 더해지고 복제되어 전체 경로가 분지하였다는 모델이 있다. 각 기작의 상대적인 중요도는 정확하지 않으나, 유전체 연구를 통하여 대사 경로의 효소가 공동의 조상을 가진다는 것이 밝혀졌으며 따라서 이미 존재하던 경로에서 차례로 새로운 기능을 가진 경로로 진화했을 것으로 추정하고 있다. 대사 네트워크의 단백질 구조의 진화를 추적하는 연구에서 나온 대안적인 모델에 따르면, 효소는 서로 다른 대사 경로에서 유사한 기능을 수행하기 위해 널리 동원되었을 것이다. 그 결과 효소의 진화적 모자이크가 나타나는 것이다 세 번째 가능성은 대사의 일정 부분이 특정 단위(module)로서 서로 다른 경로에서 재활용되고 여러 분자에 대해 유사한 기능을 한다는 것이다.
진화를 통해 새로운 대사 경로가 생겨나는 것과 마찬가지로 대사 기능을 잃을 수 있다. 예를 들어 몇몇 기생충은 생존에 필수적이지 않은 대사 과정이 퇴화하고 숙주로부터 아미노산, 뉴클레오타이드, 탄수화물을 얻게 되었다. 세포내 공생하는 생물에서 이와 유사한 대사 능력 감소를 찾아볼 수 있다.
연구 및 조작
애기장대(Arabidopsis thaliana) 시트르산 회로의 대사 네트워크. 효소와 대사산물은 붉은 사각형으로, 그 사이의 상호작용은 검은 선으로 나타냄
전통적으로 물질대사는 환원주의적 관점에서 단일 대사 경로에 초점을 맞춘 연구 대상이었다. 특히 귀중한 연구 도구인 방사성 추적자를 사용하여 전구물질에서 최종 산물까지 경로를 생물 전체나 조직, 세포 수준에서 규명할 수 있다. 화학 반응을 촉진하는 효소를 정제하여 저해제에 대한 반응과 속도를 조사한다. 동시에 세포나 조직 안에 있는 작은 분자를 밝혀내고, 이 분자들의 총체적 집합을 대사체라 한다. 이러한 연구를 통하여 단순한 대사 경로의 구조와 기능에 대한 이해를 높일 수 있지만, 완전한 세포의 대사와 같은 더 복잡한 계에 적용하기에는 무리가 있다.
수천 가지의 효소가 공존하는 세포 내 대사 네트워크의 복잡성이란 것이 어떤 개념인지는 불과 43개의 단백질과 40개의 대사산물 사이의 상호작용을 나타낸 오른쪽의 그림에서 볼 수 있다. 유전체 서열에는 최대 45,000개에 이르는 유전자 목록이 있다. 이제는 유전체 자료를 이용하여 전체 생화학 반응의 네트워크를 재구성하고, 그 행동을 설명하고 예측하는 전체적인 수학적 모델을 산출하는 것이 가능하다. 특히 전통적인 방법으로 얻은 대사 경로와 대사산물 자료를 단백체학과 DNA 마이크로어레이 연구에서 얻은 유전자 발현 자료에 통합할 때 수학적 모델이 유용하다. 이러한 기술을 통하여 사람의 대사에 대한 모델이 정립되고, 의약품 개발이나 생화학 연구에 유용하게 쓰일 수 있게 되었다. 사람의 대사 모델은 같은 단백질이나 대사산물을 공유하는 질병을 분류하기 위한 네트워크 분석에 이용되고 있다.
세균의 대사 네트워크는 나비 넥타이 조직의 좋은 예이다. 나비 넥타이 구조는 광범위한 영양물질을 받아들여 상대적으로 적은 중간체를 통해 다양한 산물과 복잡한 고분자를 생산할 수 있는 구조이다.
대사 공학은 주요한 대사 정보 응용 기술이다. 효모, 식물 및 세균은 생명공학기술에 유용하게 유전적으로 변형되어 항생제나 의약품 혹은 1,3-프로판디올(1,3-propanediol), 시킴산 같은 산업용 화합물 생산에 이용된다. 유전자 변형은 대개 생산하는데 드는 에너지 양을 줄이고, 생산량을 증대시키며, 폐기물을 감소시키는 것을 목적으로 한다.[
역사
물질대사라는 용어는 변화 혹은 전복(顚覆, overthrow)을 뜻하는 그리스어: Μεταβολισμός 에서 유래하였다.[ 1260년 이븐 알나피스(Ibn al-Nafis는 저서에서 "인체와 각 부분은 지속적인 소멸과 생성 상태에 있으며, 따라서 불가피하게 영구적인 변화를 겪는다"고 서술하면서 물질대사의 개념을 처음으로 문서화하였다. 물질대사에 대한 과학적 연구의 역사는 몇 세기에 걸쳐 나타난다. 동물 전체를 연구하던 초기 시기에서 개인의 대사 반응을 연구하는 현대의 생화학으로 발전하였다. 사람의 대사에 대한 첫 통제 실험은 1614년 출판된 산토리오 산토리오의 저서 Ars de statica medicina에서 나타난다. 그는 일상에서 각종 활동을 하는 동안 스스로 무게 변화를 측정하고, 섭취한 음식 무게의 대부분은 잃는다는 것을 발견하였다. 그는 이것을 "인식할 수 없는 호흡"이라 불렀다.
초기에 물질대사 기작은 밝혀지지 않았고 어떤 힘이 살아있는 조직에 생기를 불어넣는다고 생각하였다. 19세기에 효모에 의하여 설탕이 알코올로 발효되는 것을 관찰한 루이 파스퇴르는 발효가 효모 세포 안에 있는 물질이 발효를 촉매 작용한다고 결론지었다. 그는 "알코올성 발효는 효모 세포의 죽음이나 부패가 아니라 삶과 연관된 활동이다"고 기술하였다. 이 발견과 1828년 프리드리히 뵐러의 요소의 화학적 합성에 대한 논문은 전적으로 무기 전구체만으로 유기 화합물 합성을 논한 중요한 발견이다. 이로써 세포에서 발견된 유기 화합물이나 화학 반응이 일반적인 화학 반응의 원리와 다를 것이 없음이 증명되었다.
에두아르트 부흐너가 20세기 초 효소를 발견함에 따라 세포의 생물학적 연구에서 물질대사의 화학 반응을 분리하여 연구할 수 있게 되었으며, 이것이 생화학의 시초가 되었다. 생화학의 지식은 20세기 초에 급격하게 증가하였다. 가장 많은 연구를 한 근대 생화학자 중 한 명은 크레브스(독일어: Hans Adolf Krebs)로, 물질대사 연구에 큰 기여를 하였다.[ 그는 요소 회로를 발견하였고, 후에 한스 콘버그(Hans Kornberg)와 함께 시트르산 회로와 글리옥실산 회로를 발견하였다. 현대 생화학은 크로마토그래피, X선 회절을 이용한 분광학, NMR 분광법, 방사성 동위원소 표지, 전자 현미경, 분자 역학 시뮬레이션 등 새로운 기술의 발달에 힘입어 크게 발전하였다. 이러한 기술들을 통해 세포에 있는 분자 및 물질대사 경로들을 발견하고 상세히 분석할 수 있게 되었다.
생명의 6대 필수 원소
탄소와 수소, 산소, 질소, 황, 인을 말한다. 원소 기호를 합쳐서 ‘촌스프’(CHONSP)라고도 부른다.왜 이 6가지가 생명체의 필수 원소에 속할까? 생명체의 세포 구성과 생명 활동에는 포도당과 지방산, 아미노산, 핵산이라는 네가지 물질이 그 중심에 있다. 이 물질에는 모두 탄소와 수소, 산소가 공통적으로 필요하다. 포도당과 지방은 이 세가지 원소의 화합물이다. 단백질 기본 단위인 아미노산에는 질소와 황(일부 아미노산)이, 유전자 기본 단위인 핵산(DNA, RNA)에는 질소와 인이 더 추가된다. 인은 또 모든 생명체가 에너지를 저장하고 운반하는 데 사용하는 분자인 ATP(아데노신3인산)의 핵심 원소이기도 하다.요약하면 탄소와 수소, 산소 3가지는 생명체의 최소공약원소이며 여기에 질소와 황, 인까지 합치면 생명체의 최소공배 원소라고 할 수 있다.
물론 6대 생명 원소의 존재가 곧바로 생명체의 탄생과 번성을 보증하는 것은 아니다. 이 원소들이 서로 어울려 다양한 유기화합물을 형성할 수 있어야 하고, 생명 활동에 필요한 화학반응을 일으키는 효소를 구성하는 구리, 철, 망간, 니켈 같은 전이원소들도 있어야 한다. 따라서 6대 원소의 존재는 최소 기본 요건은 갖췄다는 뜻이다.
생명활동에 필요한 원소
주영양소와 부영양소는 체내에서 포도당 등 기본적인 구조의 화합물 또는 분자 단위로 흡수되며, 이들은 더욱 잘개 쪼개져 활용된다. 영양소가 보충하는 원소는 크게 다음과 같다.
주요 원소
수소: 물(H2O)과 유기화합물(탄화수소)로 섭취한다.
탄소: 유기화합물(탄화수소)로 섭취한다.
질소: 단백질로 섭취한다.
산소: 물(H2O)과 호흡(O2)으로 섭취한다.
나트륨: 소금(염화나트륨)으로 섭취한다.
인
황
염소: 소금(염화나트륨)으로 섭취한다.
칼륨: 채소로 섭취한다.
칼슘
미량 원소
마그네슘
바나듐
크로뮴
망가니즈
철
코발트
니켈
구리
아연
셀레늄
몰리브데넘
아이오딘
텅스텐
브로민
세슘
붕소
리튬
실리콘
위의 원소는 유기화학의 6대 원소이며, 유기화학을 구성함으로써 가장 많이 등장하는 원소이기도 합니다. 이들은 오래 전에 우주의 별에서 생성되었고, 초신성 폭발이 일어났을때(수소는 빅뱅때, 나머지는 핵융합), 이 원소들은 우주로 퍼져나갔고 또한 지구로 왔습니다.
CHNOPS는 탄소, 수소, 질소, 산소, 인, 황을 의미하며, 공유결합을 통해 지구상에서 생물학적 유기화합물을 구성하는 가장 중요한 6개의 화학원소를 나타냅니다. 공유결합은 서로 유사한 전기음성도의 원소들이 결합하는 방식으로써, 이 원소들은 높은 전기음성도를 가지는 모두 비금속 원소들입니다. 탄소, 수소, 산소, 질소가 인체의 구성의 대부분을 차지하는 원소라면, 인과 황의 경우는 아미노산의 시스테인과 메티오닌에는 황이 함유되어 있습니다. 인은 모든 세포막의 주요 구성 요소로써 지질 부류인 인지질에 포함되어 있습니다. 인지질은 세포 기능에 필요한 곳에 이온, 단백질, 그밖의 분자를 보존시켜 주고, 이것들이 있어서는 안되는 영역으로 확산되는 것을 막아주는 지질 이중층를 형성할 수 있습니다. 인산염 그룹은 또한 DNA와 RNA인 핵산을 이루는데 필수적인 성분이며, 모든 생명체에서 세포에 동력을 공급하는데 에너지로 사용되는 주요 분자인 ATP를 형성하는데 필요합니다.
CHNOPS는 유기화학의 가장 중요한 6개 화학원소이면서, 이들은 모두 생물지구화학적인 자체 순환하는 순환시스템을 가지는 원소이기도 합니다. Carbon cycle, hydrogen cycle, nitrogen cycle, oxygen cycle, phosphorus cycle, sulfur cycle이 그 예입니다. 이러한 화학 사이클의 생물 지구 화학적 순환은 생물권을 유지하는데 중요한 역할을 합니다.
탄소의 순환(Carbon cycle)은 크게 이산화탄소와 산소의 순환과정이며, 이때 나오는 탄소는 생명체가 탄소화합물로 고정하며 이용합니다. 상당량의 탄소는 탄산칼슘 등의 형태로 지각에 존재하지만, 이산화탄소는 대기중에 존재합니다. 녹색 식물들은 대기중의 CO2를 자기영양에 의해 흡수 또는 섭취하며 성장합니다(세포호흡과정). 동물은 식물을 소비하고 체내에 구성 및 에너지로써 소비합니다. 동물과 식물은 특히, 동물은 이산화탄소를 호흡 등으로 발생시키며, 생물은 죽고 미생물에 의해 분해되면서, 이때 발생한 탄소는 다시 대기중으로 흡수됩니다. 탄소 순환에는 광합성, 호흡, 교환, 침전, 추출, 연소의 6가지 주요 과정이 있습니다.
<세포호흡 혹은 탄소의 순환. 포도당이 이산화탄소가 되고, 이산화탄소가 포도당이 되는, 탄소 순환을 통한 산화(이화)와 환원(동화)의 순환 과정. 이산화탄소를 포도당으로 만드는 것은 식물이다. 이것은 세포호흡(동물)과 광합성(식물)의 공생관계 화학식이다.>
<수소, 탄소, 산소의 동화작용(합성)과 이화작용(분해). 이들은 물, 이산화탄소, 포도당을 합성하며 또한 분해하는데, 이러한 상호작용은 지구에 생명체를 탄생시키며 지속가능하게하는 지구적(닫힌계 사이클) 또한 우주적(열린계 사이클)인 순환사이클을 이룬다. 자가 순환사이클을 가지는 계는 기본적으로 열린계이다. 즉, 누가 관리하지 않아도 스스로 에너지를 만들고 소비하며 알아서 작동하는 시스템이다.>
수소의 순환(Hydrogen cycle)은 위와 같이 탄소순환과 산소순환의 연결고리 역할을 합니다. 수소는 산소와 결합하여 물이 되고, 물은 암석과의 상호작용으로 수소를 자연적으로 생성할 수 있고, 미생물의 대사과정에서 부산물로 생성될 수 있습니다. 자유 수소가스는 다른 미생물에 의해 소비되거나, 대기 중에 광화학적으로 산화되거나, 우주로 손실될 수 있습니다. 식물은 광비의존성반응을 통해 이산화탄소를 고정하여 포도당으로 생성합니다. 식물은 광의존성반응을 통해 물로부터 수소를 흡수하고 대사하며, 이때 남은 산소를 공기중으로 배출합니다. 이러한 수소, 탄소, 산소의 상호작용 및 순환과정은 특히 생명체에 있어서 중요한 과정입니다.
수소(H)는 우주에서 가장 풍부한 원소입니다. 지구에서 일반적인 H 함유 무기 분자는 물(H2O), 수소 가스(H2), 황화수소(H2S), 암모니아(NH3) 등이 있습니다. 많은 유기 화합물들은 또한 탄화수소나 유기물과 같은 H 원자를 거의 다 포함하고 있습니다. 무기 및 유기 화합물에 수소 원자가 있다는 것을 감안할때, 수소 순환은 수소 분자 H2에 초점이 맞춰져 있습니다.
물의 순환(hydrologic cycle)의 관점에서 보면, 물은 화학변화없이 액체, 기체, 고체의 상변화를 겪으면서 증발과 강수의 과정을 통한 순환과정을 겪습니다. 물의 순환은 태양 에너지의 힘을 받습니다. 지구 증발의 86%가 바다로부터 일어나며, 증발 냉각에 의해 온도가 떨어집니다. 증발 냉각 효과가 없으면 온실효과의 현상이 두드러지게 됩니다.
질소의 순환(Nitrogen cycle)은 대기중에 가장 많은 원소인 질소를 순환시키는 과정입니다. 위의 그림처럼 대기중의 질소는 땅속 질소고정 박테리아 즉, 질소고정 및 질화세균에 의해 생명체가 이용가능한 형태인 질산염의 형태로 고정이 됩니다. 이것이 식물의 영양소로 공급이 되며, 식물은 성장을 합니다. 초식동물은 식물을 먹으며 질소를 공급받고 단백질을 만듭니다. 동물의 사채나 대소변에서 나오는 질소는 땅속 박테리아나 곰팡이에 의해 다시 질산염의 형태로 바뀝니다. 질산염의 일부는 탈질화세균에 의해 질소가 되어 대기중으로 방출됩니다. 질소는 식물의 주요한 구성 원소이며, 엽록소, 아미노산, 핵산, 막지질, 세포벽, 비타민, 알칼로이드 등을 구성하는데 필요합니다. 과거에는 자연계의 질소의 순환을 통한 질소고정이 한계가 있어서 식물의 성장이 제한 받았지만, 최근에는 질소비료의 대량생산을 통해, 토양에 질소를 공급함으로써, 작물이 대량생산되어 식량이 인위적으로 증대되었습니다.
아트라진(atrazine, 내분비교란물질)은 클로로트리아진(chlorotriazine) 계열의 제초제로 널리 쓰이는 유기화합물이며, 인간이 만들어낸 지구적 순환이 될 수 있습니다. 아트라진은 식물의 광합성을 방해하며, 순환하는 질소와 탄소를 크게 바꿀 수 있음을 시사합니다. 아트라진은 광계 II의 전자 전달계에 있는 단백질에 결합함으로써 작용합니다. 일단 아트라진이 단백질에 결합하면, 전자는 더 이상 광계 I에 도달하기 위한 이동을 할 수 없습니다. 광계(photosystem)는 광합성의 주요 광화학 반응들을 함께 수행하는 광합성과 관련된 단백질 복합체들이며, 빛의 흡수와 전자 전달(광인산화)에 관여합니다. 클로로트리아진은 위의 그림에서 방향족의 질소 3개와 염소 1개가 결합된 화합물로써 아미노기와 잘 반응하며 제초제를 구성하는 성분이고, 때로는 염료로 쓰입니다. R 잔기에 따라 위의 아트라진이 되고, 또다른 클로로트리아진 계열의 유사한 구조의 제초제인 시마진(simazine)이 있습니다.
산소의 순환(Oxygen cycle)은 위와 같이 광합성을 통해 생산되며, 호흡과 부패를 통해 소비됩니다. 사실 산소가 가장 많은 저장소는 지각과 맨틀의 규산염과 산화 광물안에 들어 있습니다. 이중에서 극히 일부인 0.5%만이 자유 산소로서 생물권과 대기에 존재합니다. 대기권 산소의 주 원천은 광합성이며, 이산화탄소와 물로부터 탄수화물과 산소를 만듭니다. 6CO2 + 6H2O + 에너지 → C6H12O6 + 6O2는 광합성의 과정입니다. 식물은 이산화탄소와 물 그리고 태양에너지를 통해 포도당과 산소를 만들어 냅니다.
대기중 산소는 광분해에서도 나옵니다. 여기서 고에너지 자외선(우주선)은 대기의 물과 아산화질소(N2O)를 원자로 분리시킵니다. 자유 H 및 N 원자는 대기중에서 빠져나오고, 대기중에 O2를 남깁니다. 2H2O + 에너지 → 4H + O2, 2N2O + 에너지 → 4N + O2. 대기에서 산소가 소비되는 요인은 강수와 부패이며, 여기서 동물과 박테리아는 산소를 소비하고 이산화탄소를 만들어 대기중으로 내보냅니다.
인의 순환(Phosphorus cycle)은 생명체와 환경 사이에서 일어나는 인의 생물지구화학적 순환을 의미합니다. 유기체들은 ATP와 DNA 및 RNA와 같은 핵산 성분을 만들기 위하여 또한 척추동물들은 뼈와 이를 만들기 위하여 인을 필요로 합니다. 탄소나 질소와 달리 인은 대기중에 있지 못하므로 오로지 지역적으로 국한되어 재순환 합니다. 가장 중요한 저장고는 바위이며, 풍화와 침식으로 마멸되어 무기 인산형태로 방출됩니다.
<인은 위의 그림처럼 주로 오르토인산(H3PO4)의 형태로 존재하며, 그 유도체들인 수소가 하나씩 제거되는 인산염은 오르토인산염이다. 오르토인산의 세개의 수소는 모두 다양한 정도의 산성을 가지고 있어서 분자로부터 H+이온이 떨어져 나갈 수 있다. 세개의 H+이온이 모두 떨어져 나가게 되면 일반적으로 인산염(phosphate)이라고 하는 오르토인산이온 PO43−이 된다.>
<pKa값이 작을수록 강한 산이므로, H3PO4가 양성자를 쉽게 빼낼 수 있어서 가장 산도가 높다.>
토양의 미생물 및 효소들은 무기 인산을 생명체가 이용가능한 수용성 인산염(PO43-, HPO42-, H2PO4-) 형태로 바꿀 수 있는 작용을 합니다. 식물은 이 인산염 이온을 토양으로부터 흡수하고 이것으로 인이 함유된 유기화합물을 만들어 냅니다. 동물들은 인을 식물로부터 유기물 형태로 합성하게 됩니다. 미생물과 같은 분해 생물들은 인을 다시 토양으로 되돌려 줍니다. 이러한 토양 미생물은 인 순환에서 이용 가능한 인의 흡수원이자 또한 공급원으로서 작용합니다. 토양에서 인의 농도가 낮으면 식물 생장이 감소하고 토양 미생물 생장이 느려지는데, 인류는 인 비료의 사용 그리고 농장에서 도시로 음식물의 수송을 통해 지구적인 인 순환에 큰 변화를 일으키고 있습니다. 인의 순환에 대한 인간의 간섭은 인 비료의 과다 사용에 의해 발생합니다. 이로 인해 수역의 오염물질로서 인의 양이 증가하여 부영양화를 일으키며, 부영양화는 무산소 상태(산소결핍)를 유발하여 수중 생태계를 파괴합니다.
<산화상태(산화수)의 변화가 없으므로 산화와 환원이 아니다>
대부분의 인은 지각암석에 무기인산이온(인산염)인 PO43-의 형태로 존재합니다. 인순환 다른 원소들의 순환과는 달리 산화와 환원의 순환과 대기권 순환이 없습니다. 또한 국지적으로 순환하며, 수백만년이 소요됩니다. 반면 생명체내의 인순환은 빠릅니다. 토양에 존재하는 인산수소음이온인 H2PO4-, HPO42- 및 PO43-는 식물이 이용가능한 PO43-의 형태로 이용 및 흡수되게 되고, 식물은 유기인산화화물을 생성하며 성장하고, 사후 다시 토양으로 되돌려 주게 됩니다. 토양세균은 유기인산화합물을 무기인산의 형태로 바꿉니다.
두개 이상의 오르토인산 분자는 탈수(물분자를 제거)되어 더 큰 분자로 축합될 수 있습니다. 2 H3PO4 → H4P2O7 + H2O. 이 과정은 인산 두개가 탈수축합되어 피로인산이 되는 과정입니다. 인산은 3개의 수소를 잃을 수 있고, 피로인산은 4개의 수소, 삼인산은 5개의 수소를 잃으며 인산염을 이룰 수 있습니다.
피로인산제이철(iron(Ⅲ) pyrophosphate, ferric pyrophosphate)은 3가 양이온 철 4개와 피로인산음이온 3개가 각각 12개의 전자를 주고 또한 받으며 이온결합을 한 화합물입니다. iron(Ⅲ)에서 Ⅲ는 3가 양이온을 의미합니다. 피로인산제일철(iron(Ⅱ) pyrophosphate, ferrous pyrophosphate)은 2가 양이온 철 2개와 피로인산음이온 1개가 각각 4개의 전자를 주고 또한 받으며 이온결합을 한 화합물입니다. 제일철, 제이철은 각각 철의 산화수가 +2, +3인 상태를 의미합니다.
황의 순환(Sulfur cycle)은 원소로서의 유황이 다양한 화합물의 일부가 됨으로써 화학종을 바꾸면서 생태계내를 순환하는 것입니다. 유황은 대기, 토양, 수역에 존재하므로 유황은 공간적으로도 지구 전체를 순환하고 있습니다. 유황은 생명체에 없어서는 안되는 역할을 하며 다양한 생화학적 물질에 유황이 존재합니다. 효소, 단백질, 비타민, 호르몬 등을 구성하며 만드는데에 유황이 중요한 원소입니다.
황화수소 H2S → 이산화황 SO2 → 수용성인 황산 H2SO4 → 토양에서 SO42−로 이온화 → 식물이 흡수 → 토양 세균에 의해 다시 H2S
화산폭발, 심해 열수공 등에서 분출된 황화수소(H2S), 이산화황(SO2) 등이 대기에서 황산염(SO42−)의 형태로 산화되며, 비 등을 통해 토양으로 침전되고, 이것을 토양에서 식물이 이용합니다. H2S는 유독가스인데 일부 세균은 이것을 이용하여 산소가 있는 조건에서 SO42−로 산화시켜 에너지를 얻습니다. SO42−는 유기체에 의해 동화되는데, 황산염은 시스테인 등의 황화물로 환원되어, 즉, 이러한 S2−는 유기화합물과 결합하여 유기황화합물로 바뀝니다. 황은 단백질을 구성하는데 필수 원소입니다. 일부 세균은 무산소 조건에서 SO42−를 이용하여 혐기적 호흡을 하며, 이를 H2S로 환원시켜 대기중으로 다시 보냅니다.
CHNOPS의 순환시스템을 통해 유기체(생물권)와 무기체(비생물권, 공기, 물, 흙, 돌 등)들은 전지구적인 공생관계를 형성하고 있습니다. 그외에도 칼슘, 철, 셀레늄, 수은 등의 전지구적 순환 과정이 있습니다.
지구의 생명 요소는 총칭하여 생물권이라고 할 수 있습니다. 생물에 의해 생태계에서 사용되는 탄소, 질소, 인, 유황과 같은 모든 영양소는 폐쇄되고 한정된 시스템의 일부입니다. 따라서 이러한 화학물질은 손실되는 대신 재활용되고 개방된 시스템처럼 지속적으로 보충됩니다. 생물권의 주요 부분은 화학 원소와 화합물의 흐름을 통해 연결되어 있습니다. 지구 내부의 물질은 화산에 의해 방출됩니다. 대기는 일부 화합물과 원소를 생물이나 해양과 빠르게 교환합니다. 암석, 토양, 바다 사이의 물질 교환은 일반적으로 더 느립니다. 생태계의 에너지 흐름은 전우주적으로 개방적인 열린 시스템입니다. 태양 에너지는 먹이사슬의 영양 수준에서 빛과 열의 형태로 사용되고 손실되는 동안 지속적으로 행성의 에너지를 빛의 형태로 제공합니다. 탄소는 탄수화물, 지방, 그리고 단백질을 만드는데 사용됩니다. 이 화합물들은 이산화탄소를 방출하기 위해 산화되는데, 이산화탄소는 식물에 의해 유기 화합물을 만들기 위해 포획될 수 있습니다. 이러한 화학반응은 또한 태양의 빛 에너지에 의해 촉진됩니다. 탄소와 수소, 산소를 결합해 에너지원으로 만들기 위해서는 햇빛이 필요하지만 햇빛이 침투할 수 없는 심해 생태계는 유황으로부터 주에너지를 얻습니다. 열수 분출구 근처의 황화수소는 거대 튜브 웜과 같은 유기체에 의해 이용될 수 있습니다. 유황순환에서 유황은 에너지원으로서 영원히 재활용될 수 있습니다. 에너지는 황 화합물의 산화 및 환원(예를들면 원소 황 S이나 H2S를 아황산염 SO32−으로 그리고 황산염 SO42−으로 산화, 그리고 이것은 다시 역으로 미생물 등에 의해 환원된다.)을 통해 방출될 수 있습니다.