[理知논술/교과서 심화학습]몸속 세포는 어떻게 에너지를 만들까

[심화탐구 문제 1] 세포 내에서 에너지는 어떻게 생성되고 이용되는지 알아보자. (천재교육-생물1)

[풀이]

지구상에 있는 모든 생물이 살아가기 위해서는 에너지가 필요하다. 사람 역시 에너지가 제공되지 않으면 생명을 유지할 수 없다. 그러나 생명활동에 중요한 에너지라 할지라도 지나치게 많이 제공되거나, 적은 양이라도 너무 빨리 생성되면 우리 몸이 견뎌내지 못한다. 과자를 예를 들어 보면 비스킷 한 봉지의 열량은 440kcal이고 과자 한 조각에는 약 7.3kcal의 열량이 들어 있다. 과자 4조각을 태우면 1컵 분량의 물을 끓일 수 있는 열이 발생한다. 우리가 먹은 과자가 몸속에서 한꺼번에 열로 변한다면 우리 몸은 금세 다 타버리고 말 것이다. 그러나 과자를 먹었다고 해서 몸이 타지는 않는다. 우리 몸은 섭취한 양분을 분해해서 서서히 열이 생길 수 있도록 조절하고 있다.

우리가 먹은 음식물은 먼저 소화기관에서 소화된 뒤 체내로 흡수된다. 이렇게 소화된 양분은 혈관을 통해 온몸의 세포로 공급되는데, 세포는 이 양분을 분해하여 생활에 필요한 에너지를 제공한다. 섭취한 양분이 가지고 있는 에너지양은 g당 탄수화물 4kcal, 단백질 4kcal, 지방 9kcal다. 생활에 필요한 에너지는 이들 양분이 분해되는 과정에서 생성된다. 양분이 낼 수 있는 에너지가 한꺼번에 발생하면 몸에 무리가 따르므로, 우리 몸에서 생활에 필요한 에너지가 합성되는 과정은 마치 여러 계단을 천천히 밟고 내려오는 것처럼 서서히 일어난다. 이때 에너지는 여러 중간 단계를 거쳐 조금씩 만들어진다. 이 과정에서 ‘생체 촉매’라 불리는 효소는 양분을 분해하는 데 매우 중요한 역할을 한다. 이와 같이 우리의 몸에서 양분을 분해하여 에너지를 얻는 과정을 ‘세포 호흡’이라고 한다.

세포 호흡을 통해 ATP를 만드는 과정은 나무를 태우는 것과 같다. 실제로 나무를 태울 때는 수소와 탄소가 풍부한 물질의 결합은 끊어지고 이들이 산소와 결합하여 이산화탄소와 물, 그리고 열을 발생하게 된다. 자동차의 엔진에 해당하는 세포소기관인 미토콘드리아에서 당이 연소될 때에도 당의 결합이 끊어지고 산소와 결합해 이산화탄소와 물이 생긴다. 하지만 동식물의 미토콘드리아에서 생성된 에너지의 절반 이상은 열로 방출되고, 나머지 절반 정도가 ATP의 결합을 만드는 데 사용된다. 이를 위해 효소는 당을 분해해서 당으로부터 수소원자를 뽑아내고, 이때 수소원자를 뺏긴 전자들은 미토콘드리아 막을 지나가면서 궁극적으로 ATP를 생산한다.

포도당이 산화될 때 방출되는 에너지를 작은 에너지 단위인 ATP의 형태로 저장했다가 생명활동에 이용하는 이유는 에너지를 효율적으로 쓰기 위한 것이다. 포도당 1분자가 분해될 때 방출되는 에너지는 생명 활동에 쓰기에는 너무 많은 에너지이므로, 여러 분자의 ATP에 나누어 담은 다음 필요할 때 이용하는 것이다. 이는 전기가 전신주의 주상 변압기까지 고전압상태로 왔다가, 220V로 감압된 다음 가정으로 보내져 여러 가전제품을 사용하는 데 이용되는 것과 같은 이치이며 덕분에 생물체의 경우 자동차의 엔진과 비교하여 훨씬 높은 에너지 효율성을 갖게 될 수 있는 것이다.

‘ATP’는 아데노신(아데닌+당)에 3분자의 인산이 결합된 화합물이다. 대부분의 화학결합이 2∼3kcal의 화학에너지를 함유하는 데 비해 ATP의 끝부분에 결합된 2개의 인산이 분리될 때는 각각 7.3kcal의 에너지를 방출하므로 이것을 고에너지 인산결합이라고 부른다.

이렇게 생산된 ATP는 인체의 근육운동이나 세포막을 통한 여러 물질의 이동에 쓰이며, 친구를 부르거나 노래를 부를 때 소리에너지로 전환되기도 한다. 이 밖에 체내 물질을 합성하는 데 쓰이는 등 매우 다양한 생명 활동의 에너지원이 된다.

[심화탐구 문제 2] 인공신장기로 노폐물을 거르는 원리에 대하여 설명해보자. (천재교육-생물1)

[풀이]

인공신장기는 문자 그대로 인간 신장의 역할을 맡고 있다. 환자의 혈액에 있는 독소, 즉 요독증을 일으킬 수 있는 여러 가지 노폐물을 제거하는 혈액의 세탁기인 셈이지만 우리 몸 안에 장치할 수 없다.

투석은 혈액여과를 설명하는 의학용어이며, 과잉 축적된 수분과 노폐물을 혈액으로부터 제거하는 방법을 통칭한다. 투석은 수분과 노폐물을 혈액에서 제거하고 신체가 필요로 하는 혈액 내의 단백질, 혈액세포와 같은 필요한 물질은 제거하지 않는 특별한 의술이다.

투석기의 기본 구조를 코일형으로 설명하면, 10cm 폭의 셀로판 튜브가 5m 정도 소용돌이치는 모양으로 감겨 있고, 이 속을 혈액이 통과하는 사이에 눈으로 볼 수 없을 정도로 작은 셀로판 튜브 구멍 사이로 혈액 중의 노폐물만 제거되는 것이다.

셀로판 막은 적혈구나 백혈구 등 형태를 가진 혈액 성분은 물론이고 피속에 있는 단백질과 같은 분자량이 큰 물질은 통과시키지 못한다. 그러나 요독증의 핵심이 되는 요소, 크레아틴, 나트륨, 칼륨이온 등 전해질은 쉽게 통과시키는 성질을 가지고 있는데 이것을 반투과성 막이라 부른다. 이 반투과성 막을 통해 물질이 이동되는 것을 바로 투석이라고 한다.

분자량이 작은 물질은 무조건 투석되므로 혈액에서 제거해서는 안 되는 물질은 셀로판 막 외측에 흐르는 투석액 속에 첨가해 빠져 나가지 않도록 조절하는 기구가 마련되어 있다. 반투과성 막의 외측에 흐르는 투석액은 나트륨, 칼륨, 염소, 칼슘, 마그네슘, 포도당 등이 적당하게 들어 있다.

따라서 제거 대상인 요소나 크레아틴이 투석액 속에 포함되지 않도록 유리한 조건이 만들어져 있으나 한편으로 우리 몸에서 빠져나가선 안 되는 아미노산, 비타민, 호르몬 등도 같이 투석된다는 단점이 있다.

그러나 유해 물질인 요소나 크레아틴은 혈중 농도가 높아 잘 배제되는 데 반해, 아미노산이나 비타민은 혈중 농도가 낮아 별로 제기되지 않으므로 환자가 평소와 같이 식사할 수 있는 한 크게 불편한 일은 없다.

인공신장의 원리가 완벽하게 신장의 기능을 대신할 수는 없으나, 15년 이상 투석을 해서 건강을 유지하고 있는 환자가 있다는 것은 인공신장의 임상적인 가치가 충분하다는 것을 증명해 준다.

장성호 강남청솔학원 과탐영역 대표강사