물질대사(物質代謝, 영어: metabolism)는 생물의 세포에서 생명을 유지하기 위해 일어나는 모든 물질의 화학적 변화를 의미한다. 신진대사 또는 단순히 대사(代謝)라고도 불린다. 생체 내에서 물질의 분해와 합성 등 에너지를 수반하는 화학적 작용을 총칭하며, 효소가 이러한 반응을 촉매한다. 대사를 통해 생물은 성장하고 번식하며, 구조를 유지하고 환경에 반응한다.
어원
물질대사라는 용어는 그리스어 "Μεταβολισμός"(변화, 전복을 뜻함)에서 유래하였다. 1260년 이븐 알나피스(Ibn al-Nafis)가 저서에서 인체의 지속적인 소멸과 생성 상태를 언급하며 물질대사의 개념을 처음으로 문서화한 것으로 알려져 있다.
분류
물질대사는 크게 두 가지 부류로 나뉜다.
- 이화작용(catabolism): 세포 호흡을 통해 유기 분자를 분해하고 에너지를 얻는 반응이다. 큰 분자를 분해하는 과정으로, 음식물을 분해하고 산화하여 ATP 형태의 에너지를 생산한다.
- 동화작용(anabolism): 에너지를 이용하여 단백질, 핵산, 탄수화물, 지질 등 세포의 구성 성분을 합성하는 반응이다. 이화작용에서 방출된 에너지를 사용하여 복잡한 분자를 합성한다.
대사 경로
대사의 화학 반응은 대사경로(metabolic pathway)를 통해 이루어진다. 대사경로에서 한 화합물이 여러 단계의 반응을 거쳐 다른 화합물로 변화하며, 각 단계마다 서로 다른 효소가 차례로 반응을 촉매한다. 효소는 에너지를 방출하면서 자발적으로 일어나는 반응을 에너지를 요구하는 반응과 짝지어 생명체가 필요로 하는 반응이 일어나게 한다.
주요 생화학 분자
생물체의 구조는 대부분 아미노산(단백질), 탄수화물, 지질의 세 가지 기본 분자로 이루어진다. 이 외에도 뉴클레오타이드(핵산의 구성 단위)와 조효소(ATP, NAD+, NADP+ 등)가 대사에서 중요한 역할을 한다. 무기 원소(나트륨, 칼륨, 칼슘, 철, 아연 등)도 전해질 및 보조 인자로서 대사에 필수적이다.
에너지 전환
- 산화적 인산화: 진핵생물의 미토콘드리아에서 전자전달계를 통해 유기 분자로부터 전자를 산소로 옮기고, 방출된 에너지로 ATP를 합성하는 과정이다.
- 광합성: 식물, 남세균, 조류 등이 태양광 에너지를 이용하여 이산화 탄소와 물로부터 탄수화물을 합성하는 과정이다.
- 화학무기영양: 일부 원핵생물이 수소, 황화 수소, 철 이온, 암모니아 등 무기 화합물을 산화하여 에너지를 얻는 과정이다.
조절
물질대사는 세포 내 항상성을 유지하기 위해 섬세하게 조절된다. 내인성 조절은 대사 회로가 기질이나 산물의 수준에 따라 스스로 조절하는 방식이며, 외인성 조절은 호르몬이나 성장 인자 같은 외부 신호에 반응하여 대사를 변경하는 방식이다. 대표적인 예로 인슐린 호르몬에 의한 포도당 대사 조절이 있다.
진화
해당과정, 시트르산 회로 등 주요 대사 경로는 모든 생물 도메인(세균, 고균, 진핵생물)에 존재하며, 이는 모든 생물의 공통 조상에도 있었던 것으로 추정된다. 이러한 경로는 진화 초기에 등장하여 그 효율성 때문에 계속 유지된 것으로 보인다.
연구사
물질대사에 대한 과학적 연구는 수 세기에 걸쳐 발전하였다. 1614년 산토리오 산토리오(Santorio Santorio)가 자신의 체중 변화를 측정한 것이 초기 통제 실험으로 기록된다. 19세기 루이 파스퇴르(Louis Pasteur)의 발효 연구, 1828년 프리드리히 뵐러(Friedrich Wöhler)의 요소 합성, 20세기 초 에두아르트 부흐너(Eduard Buchner)의 효소 발견, 그리고 한스 크레브스(Hans Krebs)의 요소 회로와 시트르산 회로 발견 등을 통해 현대 생화학이 정립되었다.
