세포의 에너지 이용

 

이번 글에서는 생물체가 생존하기 위해서는 세포에 에너지가 필요한 이유와, 세포가 에너지를 이용하는 방식과 형태에 대하여 정리를 해보겠습니다. 오늘의 포스팅이 도움이 되기를 바라겠습니다.

 

 

 

세포-호흡-에너지-전환

 

 

세포의 에너지 이용

 

생물이 무생물과 구별되는 한 가지 특성은 더욱 무질서한 방향으로 가려는 우주에서 질서를 창조하고 유지하는 것이다. 이러한 놀라운 결과를 얻기 위해 생물체를 구성하는 세포는 끊임없이 화학반응을 거치며, 자신의 구조를 유지하고, 생물체의 물질대사에 필요한 분자를 생산하고, 이어지는 화학적 손실을 막아낸다. 

 

개개의 세포는 하나의 아주 작은 화학 공장에 비교할 수 있으며, 세포 안에서는 매초 수백만 가지의 화학반응이 일어나고 있다. 생명체가 활동하려면 생물체는 음식물 분자 속의 원자와 에너지 공급원을 필요로 한다. 

 

홀로 남겨진 무생물은 결국 무질서하게 된다. 건물이나 유기물의 잔해가 그 예이다. 반면 살아있는 세포는 나비나 꽃과 같은 큰 구조물에서부터 이들을 이루고 있는 분자 조직에 이르기까지 모든 수준에서 질서를 유지한다. 이러한 생물의 속성은 환경으로부터 에너지를 추출하고,  생체 구조는 구성 물질이 지속적으로 분해되고 교체되고 재활용 과정을 거쳐도 그 형태를 유지할 수 있게 한다. 

 

 

생물학적 질서는 세포의 열에너지 방출로 이루어진다

 

 

물질이 무질서화되는 경향은 열역학 제2법칙으로 설명된다. 이 법칙에 따르면 우주 또는 고립된 시스템에서 무질서의 정도는 오직 증가할 수 밖에 없다 이다. 이러한 무질서의 측정값을 시스템의 엔트로피라 한다. 무질서가 커질수록, 엔트로피가 커진다. 따라서 열역학 제2법칙을 표현하는 또 다른 방법은, 시스템이 더 큰 엔트로피를 지닌 배열을 향하여 자연발생적으로 변하는 것이라고 말할 수 있다. 살아있는 세포는 생존하며, 성장하고, 복잡한 생물체를 형성하면서 질서를  창출하므로 열역학 제2법칙을 역행하는 듯하다. 

 

그러나 세포는 고립된 시스템이 아니다. 오히려 세포는 음식물, 무기분자, 또는 태양 에너지를 환경으로부터 취하고, 그 다음 세포 안의 질서를 유지하기 위하여 이 에너지를 이용하여 새로운 화학결합을 만들거나, 거대분자를 구성한다. 질서를 만드는 화학반응의 과정에서 일부의 에너지는 열의 형태로 사라진다. 열은 가장 무질서화된 형태의 에너지이며, 분자들의 무작위적 혼돈이다. 세포는 고립된 시스템이 아니므로, 반응에서 발생하는 열에너지는 빠르게 세포 주위로 분산된다. 그곳에서 열은 기존분자의 열역학적 운동을 증가시키고, 따라서 환경의 엔트로피를 증가시킨다.

 

열역학 제 2법칙을 만족하기 위하여 세포에서 방출된 열의 양은 세포 내에서 증가된 질서가 환경에서 발생한 증가된 무질서에 의해 상쇄될 수 있을 만큼 충분히 커야 한다. 즉, 세포 내에서의 화학반응은 세포와 환경을 포함하는 시스템 전체의 엔트로피를 증가시켜야 한다. 이러한 세포의 활동 때문에 우주는 더욱 무질서하게 되고, 열역학 제2법칙이 지켜진다.  

 

 

 

세포는 한 형태의 에너지를 다른 형태로 바꿀 수 있다

 

 

열도 에너지 변환의 산물이다. 동물세포가 음식물을 분해하면, 음식물 분자의 화학결합에 존재하는 에너지(화학결합 에너지)의 일부는 분자들의 열운동(열 에너지)으로 전환된다. 열역학 제 2법칙이 요구하는 바와 같이 세포 내의 화학반응이 전체로서의 우주를 더욱 무질서화하게 하려면 이러한 화학 에너지를 열 에너지로 전환하는 것은 필수적이다.

 

열 반응 발생이 세포내 분자 질서를 유지하는 과정에 직접 연계되지 않는다면, 세포는 자신이 생산하는 열에너지로부터 어떠한 혜택도 받지 못한다. 세포의 물질대사가 일반적인 연료의 소모적인 연소와 구별되는 점은 바로 이러한 열 발생과 질서의 창출이 세포 내에서는 밀접하게 연계되어 있다는 점이다. 세포가 음식물 분자의 연소와 생물학적 질서의 창출을 직접적으로 연계하여 혼돈으로 향하는 경향을 지닌 우주에서 질서의 섬을 만들고 유지할 수 있다는 점을 이해하면 된다.