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고등학교 1~2학년 (15-17세)

물질대사와 에너지

Metabolism and Energy

세포는 포도당 같은 양분을 분해해 얻은 에너지를 곧바로 쓰지 않고 먼저 ATP 에 담아 두었다가, 근육 수축이나 물질 합성처럼 에너지가 필요한 곳에 꺼내 써요. ATP 의 마지막 인산 결합이 끊어져 ADP 와 인산(Pi)이 될 때 에너지가 나오고, 세포 호흡에서 얻은 에너지로 ADP 와 인산이 다시 ATP 가 돼요. 이런 물질대사의 반응들은 효소가 활성화 에너지를 낮춰 주기 때문에 체온 정도의 낮은 온도에서도 빠르게 일어나요. 그림에서는 세포의 활동량을 바꿀 때 ATP 가 ADP 로 바뀌는 빠르기와 다시 만들어지는 빠르기가 함께 달라지는 모습을 볼 수 있어요.

에너지의 화폐, ATP

💰 ATP 는 세포의 화폐
①돈을 벌어 두었다가 필요할 때 쓰듯, 세포는 양분에서 얻은 에너지를 ATP 로 바꿔 두었다가 필요할 때 쓴다
②포도당의 에너지는 세포 호흡을 거쳐 ATP 에 담기고, ATP 의 에너지는 근육 수축, 물질 합성, 능동 수송, 체온 유지에 쓰인다
③에너지를 주고받는 이 공통 수단 역할 때문에 ATP 를 에너지 화폐라고 부른다

ATP 와 ADP 의 순환

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🔑 ATP 의 구조와 순환
①ATP 는 아데노신(아데닌 + 리보스)에 인산기 세 개가 붙은 물질이다
②끝의 인산 결합이 끊어지면 ADP 와 인산이 되면서 에너지가 나온다(표준 상태에서 약 7.3 kcal/mol)
③세포가 가진 ATP 의 양은 많지 않아서, 쓰는 만큼 곧바로 세포 호흡의 에너지로 다시 만든다
④그래서 활동량이 늘면 분해와 합성이 함께 빨라질 뿐, 세포 속 ATP 의 양은 거의 그대로다

핵심 반응

ATP 분해 (에너지 방출)
ATP → ADP + Pi + 에너지 (약 7.3 kcal/mol)
끝의 인산 결합이 끊어지며 나온 에너지가 근육 수축, 물질 합성 같은 생명 활동에 쓰인다
ATP 합성 (에너지 저장)
ADP + Pi + 에너지 → ATP
세포 호흡으로 포도당을 분해해 얻은 에너지를 ATP 에 담는다

에너지 대사 비교

동화 작용과 이화 작용
구분동화 작용이화 작용
물질의 변화간단한 물질 → 복잡한 물질복잡한 물질 → 간단한 물질
에너지흡수 (ATP 를 써서 일어남)방출 (일부가 ATP 에 저장됨)
예시광합성, 단백질 합성세포 호흡, 소화

효소와 물질대사

⚡ 효소는 생체 촉매
①물질대사의 반응은 효소가 없으면 체온 정도의 온도에서 거의 일어나지 않는다
②효소는 반응에 필요한 활성화 에너지를 낮춰 반응 속도를 높이지만, 반응 전후의 에너지 차이는 바꾸지 않는다
③효소는 활성 부위에 맞는 특정 기질에만 작용한다(기질 특이성)
④효소는 반응이 끝난 뒤에도 그대로 남아 같은 반응을 되풀이해 돕는다
효소 반응
E + S → ES → E + P
효소(E)와 기질(S)이 결합해 효소 · 기질 복합체(ES)를 만들고, 반응이 끝나면 생성물(P)이 떨어져 나가며 효소는 그대로 남는다

예제로 익히기

예제 1
근육이 수축하면서 에너지를 쓸 때 일어나는 ATP 의 반응과, 그때 생기는 물질을 쓰시오.
1
ATP 의 끝 인산 결합이 끊어지며 에너지가 나온다.
2
ATP → ADP + Pi(무기 인산) + 에너지이고, 이 에너지가 근육 수축에 쓰인다.
▸ ATP → ADP + Pi + 에너지 (생기는 물질: ADP, Pi)
생긴 ADP 와 Pi 는 버려지지 않고, 세포 호흡에서 얻은 에너지로 다시 ATP 가 된다. 운동을 세게 할수록 그림의 위아래 화살표가 함께 굵어지는 까닭이다.
예제 2
효소가 화학 반응을 빠르게 하는 원리를 활성화 에너지로 설명하시오.
1
효소는 생체 촉매로, 반응이 일어나는 데 필요한 활성화 에너지를 낮춘다.
2
활성화 에너지가 낮아지면 같은 온도에서 그 문턱을 넘는 분자가 많아져 반응 속도가 빨라진다. 반응 전후의 에너지 차이는 그대로다.
▸ 활성화 에너지를 낮춰 반응 속도를 높인다 (반응 전후의 에너지 차이는 그대로)
효소는 출발점과 도착점의 높이는 그대로 두고, 그 사이 고개의 높이만 낮춘다. 그래서 반응으로 나오는 에너지의 양은 바뀌지 않고, 반응이 일어나는 빠르기만 달라진다.

총정리

ATP 순환의 핵심
세포 호흡(이화) → ADP + Pi + 에너지 → ATP → 생명 활동(근육 수축, 물질 합성) → ADP + Pi
ATP 는 에너지를 얻는 반응과 에너지를 쓰는 반응을 잇는다
수능 유형 변형
ATP와 물질대사에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
①ATP 는 아데노신에 인산기 3개가 결합한 구조다.
②ATP 가 ADP 로 분해될 때 에너지가 방출된다.
③동화 작용은 에너지를 흡수하는 합성 반응이다.
④효소는 활성화 에너지를 높여 반응을 촉진한다.
⑤세포 호흡으로 얻은 에너지가 ATP 에 저장된다.
▸ ④ 효소는 활성화 에너지를 높여 반응을 촉진한다.
1
효소는 활성화 에너지를 낮춰 반응 속도를 높이는 생체 촉매다.
2
활성화 에너지를 높인다는 ④는 방향이 반대이므로 옳지 않다. 나머지는 모두 옳은 설명이다.
🎯 시험 포인트
①ATP 는 아데노신에 인산기 세 개가 결합한 물질로, 에너지 화폐 역할을 한다
②ATP → ADP + Pi 반응에서 나온 에너지가 생명 활동에 쓰인다
③세포 호흡에서 얻은 에너지로 ADP + Pi → ATP 가 일어난다
④효소는 활성화 에너지를 낮추고 기질 특이성이 있으며, 반응 전후의 에너지 차이는 바꾸지 않는다
⑤동화 작용은 합성(에너지 흡수), 이화 작용은 분해(에너지 방출)다
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자극과 반응: 신경계

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