유기체 생물학 - 영양

영양

 

모든 생명체는 생명을 유지하기 위해서 끊임없이 에너지와 물질을 외부로부터 공급받아야 하며, 세포안에서 물질대사(metabolism)과정을 통하여 공급받은 에너지와 물질을 다른 형태로 전환시킨다. 세포가 어떤 영양물질들을 필요로 하는지를 알아보기 위해서 이들을 실험실에서 배양해 보았다. 대표적인 세 가지 세포를 배양할 때 필요한 성분들을 나타낸 것이다. 첫째는 E. coli를 배양하는 데 필요한 배지조성이고, 둘째는 포유동물 세포배양을 위한 것이다. 셋째는 단세포 녹조류를 배양하는데 필요한 배지조성이다.

표에서 보여주는 것처럼 포유동물 세포는 E. coli보다 배양 조건이 훨씬 더 까다롭다. E. coli 세포는 단순하고 포유동물 세포는 복잡하기 때문에 당연할 수 있으나, 사실상 이들을 구성하는 거대분자의 종류와 복잡성에서는 거의 차이점이 없다. 둘 모두 세포막, 리보솜 등과 같은 세포기관을 만들기 위하여 탄수화물, 단백질, 핵산을 합성하여야 한다.

어떤 관점에서는 E. coli가 훨씬 복잡하게 여겨질 수 있다. 포유동물 세포보다 상당히 제한된 개시물질을 사용하여 포유동물 세포만큼 복잡한 분자들을 만들어야 하기 때문이다. E. coli는 포도당에 저장된 에너지로부터 에너지 요구량 모두를 공급받을 수 있으며, 포도당에 있는 탄소원자를 사용하여 모든 유기분자들을 만들 수 있다. 단백질 역시 질소와 황원자를 가지고 있으며, 이들은 유기화합물인 NHCl과 MgSO에 의해 공급된다. 핵산은 인원자를 가지고 있으며, 배지 중에 있는 Naz HPO와 KHPO 가 이들의 공급원이다. 이 배양액은 역시 Nat, K+, Mg+, Cl, Cat 같은 다른 필수 이온들을 공급하고 있으며, 이 모든 성분들은 물에 용해되고 수용액 상태로 E. coli에 의해 흡수된다.

사람세포들을 배양시키는 데 필요한 조성은 훨씬 복잡하다(그림 15.1). 이 배지에는 단백질 합성에 필요한 20가지의 아미노산뿐만 아니라, 뉴클레오티드와 핵산의 합성을 위해서 퓨린(하이폭산틴)과 피리미딘(티미딘) 염기도 들어 있다. 세포의 인지질을 합성시키는 데 필요한 두 전구체(콜린과 이노시톨)와 조효소 기능을 제공하는 여덟 가지 비타민 모두를 함유하고 있다. E. coli처럼 포유동물 세포도 주요 에너지원으로 포도당을 이용한다. Cut, Zn²+, Co²+ 뿐만 아니라 E.coli가 필요로 하는 모든 무기이온(Nat, K+, Cat)도 필요로 한다(E. coli의 경우 소량만을 필요로 할 수 있으나 너무 적은 양이기 때문에 다른 성분에서 불순물로 얻을 수 있다).

 

그러나 이 성분들이 모두 공급되어도 약간의 혈청(예, 사람이나 소로부터 얻은 것)이 첨가되지 않으면 대부분의 포유동물 세포는 성장하지 못한다. 혈청을 보충시켜 주는 것이 물질대사에 필요한 어떤 것을 보완해 주는지는 확실하지 않지만, 혈청내에 들어 있는 미량의 호르몬이 중요한 역할을 하는 것 같다.

마지막으로 녹조류의 배지는 앞의 두 배지와는 달리 포도당이 결여되어 있다. 사실 탄소를 갖는 (유기화합물은 어떤 것도 존재하지 않는다. 이것은 녹색식물에서와 같이 녹조류는 광합성에 의해 이들이 필요로 하는 유기분자들을 만들기 때문이다. 녹조류는 빛에너지를 이용하여 주로 이산화탄소와 물인 무기전구체들로부터 거대분자들을 합성한다. 이런 유기체들을 독립영양생물(autotrophic, self-feeder)이라고 한다. 녹색식물을 제외한 모든 생물은 주위 환경으로부터 섭취한 유기분자들의 에너지에 의존하기 때문에 종속영양생물(heterotrophic)이라고 한다. 종속영양생물은 다른 종속영양생물을 부분적으로 또는 전적으로 섭취하게 되지만, 우리가 섭취하는 모든 음식들은 궁극적으로 독립영양생물에 의존한다.

비록 독립영양생물이 대기나 물에 있는 이산화탄소에서 필요한 탄소를 얻을 수 있지만, 단백질과 핵산을 합성하기 위해서는 여전히 질소, 황, 인이 필요하며, 엽록소를 만들기 위해서는 많은 양의 마그네슘과 칼슘, 칼륨이 필요하다. 몇몇 다른 요소들(예, Fe, Mo, Zn, B, Cu)도 상당히 적은 양이지만 식물에 필요하다. 이들 소량 영양물질(micronutrient)이나 미량원소(trace element) 대부분은 효소에 이용된다. 예를 들면 소량의 구리는 광합성에 이용되는 효소 중 하나에 결합된다. 여기에 중요한 문제가 있다. 황산구리(CuSO)는 널리 이용되면서 잘 듣는 살포제(원하지 않는 조류를 죽이는 약물)이다. 그러나 소량의 황산구리는 이 유기체들의 생명에 필수적이다. 즉 어떤 농도 이상에서는 독성이나 낮은 농도에서는 필수성분들 중 하나이다. 따라서 독은 농도의 문제이므로 실질적으로는 독성으로 나타나지 않을 수 있다.

사람은 종속영양생물이다. 즉 전적으로 유기분자들에 의존하여 에너지를 얻어서 사용한다. 유기분자의 이화작용(catabolism)에 의해 에너지가 어떻게 생성되는지를 설명해 주고 있다. 종속영양생물 역시 동화산물(anabolic)을 얻기 위해서 유기분자들에 의존하고 있다.

대부분의 음식은 거대분자들로 구성되어 있다. 이것들은 세포에 의해 동화작용이나 이화작용에 이용되기 전에 더 작은 단위로 분해되어야 한다. 분해되는 첫번째 단계가소화(digestion)이다. 소화는 다당류, 단백질, 지방, 핵산을 각각 당, 아미노산,지방산과 글리세롤, 뉴클레오티드로 분해시키는 효소에 의한 가수분해(hydrolysis)작용이다. 가수분해는 물분자들이 소단위 사이로 삽입됨으로써 분리되는 과정이다.

소화산물은 어떻게 될까? 일반적으로 소화산물은 훨씬 더 작은 분자로 분해되어서 2~4개의 탄소원자들로 구성된다. 이때 이 작은 분자들은 두 가지 경우 중 하나를 선택한다. 즉 다양한 대사경로로 들어가 당이나 지방산으로 되는 경우로써, 세포의 거대분자들(다당류, 지질, 단백질, 핵산 등)이 이들로부터 형성되는 경우(그림 15.2)와 2~4개의 탄소원자들이 더 작은 분자가 되어서 결국 이산화탄소, 물, 암모니아 같은 단순한 무기분자들로 되는 경우이다. 5장에서 설명되었듯이 이와 같은 이화작용을 통하여 많은 양의 자유에너지가 방출된다. 이 에너지의 일부가 세포의 동화작용에 이용된다.