미생물의 대사작용 Microbial Metabolism http://bioenv.sunchon.ac.kr

대사작용 (Metabolism) 대사작용 (Metabolism) Metaballein (Greek) = change - 세포 안에서 일어나는 모든 생화학 반응 - 세포는 환경으로부터 영양물질을 획득하여 대사작용을 통해 에너지와 환원력을 만들고, 세포를 구성하는 고분자물질을 합성하여 증식함 - 대사작용은 생체촉매인 효소의 작용으로 일어남 - 대사작용은 분해대사와 합성대사로 구별

분해대사와 합성대사 분해대사 (이화작용, Catabolism) 합성대사 (동화작용, Anabolism) - 영양소를 분해하고 산화시켜 세포 구성물질의 합성에 사용할 에너지, 환원력 및 저분자 물질을 만드는 과정 합성대사 (동화작용, Anabolism) - 분해대사에서 생성된 에너지, 환원력, 저분자 물질을 이용하여 세포 구성 성분을 합성하는 과정 ☞ 분해대사와 합성대사는 수 많은 대사경로로 이루어짐 각 대사경로는 다수의 효소반응으로 이루어짐 각 대사경로는 긴밀한 상호작용을 함

효소(Enzyme) 효소는 생체촉매(biocatalyst) - 촉매(catalyst) : 화학반응 자체는 변화시키지 않고, 반응속도를 증가시킴 (활성화 에너지 감소) - 기질(substrate) : 효소의 촉매작용을 받는 물질 생성물(product) : 효소반응의 결과 형성되는 물질 (최종산물)

- 구상단백질(globular protein) - 효소의 특성은 효소가 단백질임에 기인 - 일부 효소는 단백질 이외에 비단백질 부분을 포함함 - 일부 효소는 조효소(coenzyme)를 필요로 함 ☞ 리보자임(ribozyme) : 촉매작용을 하는 RNA 분자

효소의 반응특이성 - 기질특이성(substrate specificity) 특정 기질에만 선택적으로 작용 광학이성질체, 기하이성질체에 대해서도 특이성을 나타냄 - 생성물 특이성(product specificity) 일반 촉매반응 : 반응이 불완전하게 일어나거나 부산물 생성 효소반응 : 부산물이 거의 생성되지 않음 - 활성부위(active site) 효소-기질 복합체(enzyme-substrate complex)의 형성 열쇠-자물쇠 모델(key and lock model)

효소반응은 온화한 조건에서 - 일반 촉매반응 : 높은 온도와 압력, 높거나 낮은 pH에서 효소반응 : 100℃ 이하의 온도에서 1기압 정도의 낮은 압력에서 중성에 가까운 pH에서 ☞ 효소의 불활성화(inactivation) 높거나 낮은 온도, 압력, pH에서는 효소 단백질이 변성(denaturation)되어 효소가 활성을 잃음 ☞ 효소반응의 최적조건 optimum pH, optimum temperature, …

효소의 이름 - 접두어 : 효소가 작용하는 기질 접미어 : -ase lactase lipase protease amylase cellulase chitinase catalase

에너지대사 광합성 (photosyntheis) 호흡 (Respiration) 세포의 생합성, 영양소 수송, 기초대사, 운동 등의 기능 수행에 필요 광합성 (photosyntheis) 광합성 생물(식물, 광합성 미생물)은 H2O와 CO2로부터 탄수화물을 합성하여 에너지원으로 사용 호흡 (Respiration) - 대부분의 세포는 호흡(분해대사)을 통해 탄소화합물(주로 탄 수화물)을 분해하여 에너지를 얻음 - 광합성을 하지 않는 생물체는 탄수화물을 섭취하여 이용 - 탄수화물은 세포 밖에서 효소에 의해 분해되어 포도당 등의 작은 분자가 되어 세포 안으로 흡수됨

ATP(adenosine triphosphate) - 에너지는 ATP 형태로 생산/저장/전달/이용 - 고에너지 인산 화합물 : 고에너지 인산기(~P)를 가짐 - ATP가 가수분해 될 때에는 에너지가 방출됨 ADP 또는 AMP로부터 ATP를 합성할 때에는 에너지가 소모됨 - GTP, UTP, CTP 등도 고에너지 인산기를 저장/전달함

중요한 에너지대사 해당과정(Glycolysis) - Glyco- : 포도당(glucose)/탄수화물 -lysis : 분해 - EMP 경로(Embden-Meyerhof-Parnas pathway) - 포도당을 혐기적 조건에서 피루브산(pyruvic acid)으로 분해 에너지(ATP), 환원력(NADH) 생산 - Glucose ⇒ 2 Pyruvate + 2ATP + 2(NADH + H+)

중요한 에너지대사 발효 (Fermentation) - 미생물을 이용한 물질 생산 - 혐기적 조건에서 피루브산 ⇒ 에탄올, 젖산, 이산화탄소, …

TCA cycle(Tricarboxylic acid cycle) - Krebs cycle, 구연산 회로(citric acid cycle) - 미토콘드리아/세포막에서 - 피루브산 ⇒ (호기적 조건에서) 3CO2로 완전 산화 4(NADH + H+)와 1FADH2 생성 - 생성된 NADH/FADH2는 전자전달계/화학삼투를 통해 에너지로 변환

전자전달계/화학삼투 - 산화적 인산화 반응(oxidative phosphorylation) - 전자전달계 (Electron transport system) 해당과정과 TCA 회로에서 생성된 (NADH + H+)와 FADH2가 산화되면서 에너지가 생성됨 O2는 전자수용체로서 작용 : H2O 생성 전자운반체(electron carrier) : Coenzyme Q, cytochromes - 화학삼투 (Chemiosmosis) 전자전달계에서 생성된 에너지는 ATP 합성에 사용됨 ATP 합성효소, ADP, Pi NADH ⇒ 3ATP; FADH2 ⇒ 2ATP

광합성 (Photosynthesis)

대사조절(Metabolic control) 생물체는 항상 변화하는 환경에 적응하여 주어진 조건에서 가장 효율적으로 생존하고 증식함 대사조절(coordiantion of metabolism) - 세포는 필요한 물질들만, 필요할 때에, 필요한 양만 합성 - 세포는 대사경로를 구성하는 생화학 반응들의 속도를 다양한 방법으로 조절함 중요한 대사조절 방법 - 효소의 합성 조절 - 효소의 분해 - 효소의 활성 조절 - 세포의 투과성 조절