#65 물질대사와 효소의 기능

문제 1 · OX 문제

물질대사는 세포 내에서 물질이 합성되거나 분해될 때 에너지가 함께 출입하는 화학 반응이다. ( )

정답: O

물질대사는 생명체 내에서 일어나는 모든 화학 반응을 뜻하며, 물질의 변화와 함께 반드시 에너지의 흡수나 방출(에너지 출입)이 함께 일어나는 특징이 있습니다.

문제 2 · OX 문제

세포 호흡과 연소는 반응 경로가 완전히 다르기 때문에, 동일한 양의 포도당이 최종 분해될 때 방출하는 총에너지양도 서로 다르다. ( )

정답: X

반응 경로는 세포 호흡(단계적)과 연소(일시적)가 서로 다르지만, 출발 물질(포도당+산소)과 최종 생성물(이산화 탄소+물)이 완벽히 똑같기 때문에 발생하는 총 에너지의 양은 같습니다.

문제 3 · OX 문제

동화 작용을 거쳐 생성된 물질은 반응 전의 초기 물질보다 분자의 구조가 훨씬 복잡하고 높은 에너지를 품고 있다. ( )

정답: O

동화 작용은 작고 간단한 저분자 물질을 크고 복잡한 고분자 물질로 합성하는 과정입니다. 주변에서 에너지를 흡수하여 결합 속에 저장하기 때문에 최종 생성물의 에너지가 더 높습니다.

문제 4 · OX 문제

효소는 화학 반응이 일어나는 데 필요한 활성화 에너지를 감소시켜 반응 속도를 빠르게 만들며, 이 과정에서 반응열의 크기도 함께 줄여준다. ( )

정답: X

효소는 반응이 쉽게 일어나도록 '활성화 에너지(장벽)'를 낮추어 주는 촉매입니다. 하지만 반응물 자체의 에너지와 생성물 자체의 에너지 차이인 '반응열'은 효소의 유무와 관계없이 항상 일정합니다.

문제 5 · OX 문제

생명체 내에서 일어나는 물질대사는 여러 단계에 걸쳐 진행되므로, 한 종류의 효소가 처음부터 끝까지 모든 단계의 반응을 도맡아 촉진한다. ( )

정답: X

물질대사는 정밀한 컨베이어 벨트 공정과 같아서 여러 단계로 나뉘어 일어납니다. 이때 각 단계마다 반응물이 달라지므로 작용하는 효소 역시 각 단계마다 서로 다른 고유한 효소가 관여해야 합니다.

문제 6 · 빈칸 채우기

화학 반응이 시작되기 위해 반응물이 반드시 넘어야 하는 최소한의 에너지 장벽인 ( )는 생체 촉매인 효소에 의해 그 크기가 감소한다. (6글자)

정답: 활성화에너지

자동차가 가파른 고갯길의 꼭대기를 지나야만 반대편 내리막길로 쌩쌩 달릴 수 있듯이, 분자들이 결합을 끊고 재배열되기 위해 도달해야 하는 '최소한의 에너지 커트라인'을 뜻합니다. 이 장벽이 너무 높으면 반응 속도가 거북이처럼 느려지거나 멈추는데, 효소가 이 장벽의 높이를 포크레인으로 파내듯 확 깎아주어 체온 정도에서도 반응이 폭발적으로 빠르게 일어나도록 돕습니다.

문제 7 · 빈칸 채우기

물질대사가 진행될 때 반응물과 생성물 사이에서 발생하는 최종적인 에너지 차이인 ( )은 측정하여 대사 유형을 구분하는 기준이 된다. (3글자)

정답: 반응열

화학 반응의 시작점과 끝점 사이에 존재하는 '순수한 에너지의 높이 변화'를 뜻합니다. 출발할 때의 에너지와 도착했을 때의 에너지를 뺄셈하여 구하는 값으로, 효소가 중간에서 장벽을 아무리 낮추어 반응 속도를 빠르게 바꾸어 주더라도 초기 상태와 최종 상태의 에너지 격차는 자연계의 법칙상 절대로 변하지 않고 일정하게 보존되는 성질을 가지고 있습니다.

문제 8 · 빈칸 채우기

동화 작용은 주변에서 에너지를 흡수하여 저분자를 고분자로 합성하는 ( ) 반응이다. (2글자)

정답: 흡열

물질을 합성하려면 에너지를 재료 내부에 밀어 넣어야 합니다. 광합성이나 단백질 합성처럼 반응이 진행될수록 물질 내부에 에너지가 축적되므로, 생성물의 에너지가 반응물보다 높아지는 흡열 반응에 해당합니다.

문제 9 · 빈칸 채우기

생명체 밖에서 포도당과 같은 유기물이 고온 환경에서 한꺼번에 산소와 반응하여 다량의 에너지를 방출하는 ( )는 세포 호흡과 대조적이다. (2글자)

정답: 연소

캠핑장에서 모닥불에 장작을 넣으면 순식간에 시뻘건 불꽃과 뜨거운 열기가 터져 나오며 타버리는 거칠고 격렬한 화학 반응을 떠올려보세요. 37℃의 온화한 체온에서 효소의 통제를 받으며 소량씩 안전하게 에너지를 빼내는 세포 호흡과 달리, 생명체 밖에서 400℃ 이상의 고온을 기반으로 단 한 번에 에너지를 폭발적으로 뿜어내며 재로 변해버리는 현상입니다.

문제 10 · 빈칸 채우기

생명체 내에서 활성화 에너지를 낮추어 체온 정도의 낮은 온도에서도 화학 반응이 일어나게 하는 생체 촉매는 ( )이다. (2글자)

정답: 효소

화학 반응이 시작되려면 반응물이 에너지 장벽(활성화 에너지)을 넘어야 합니다. 이 장벽을 낮춰주는 생체 촉매 덕분에 우리 몸은 고온 없이도 37℃의 체온에서 빠르게 물질대사를 수행할 수 있습니다.

문제 11 · 단답형

세포의 미토콘드리아 내에서 유기물인 포도당을 산소와 반응시켜 단계적으로 분해하며 생명 활동에 필요한 에너지를 얻는 이화 작용을 무엇이라 하는가? (4글자)

정답: 세포호흡

우리 몸이라는 거대한 도시의 모든 전자기기를 돌리기 위해 미세한 발전소(세포) 안에서 끊임없이 청정 연료인 포도당을 태워 생체 에너지 동력을 생산해 내는 핵심 이화 작용 공정입니다. 연소처럼 몸을 태워버릴 듯한 고열을 내는 대신, 계단을 한 칸 한 칸 정성스럽게 내려오듯 분자 결합을 조금씩 정밀하게 끊어내어 필요한 에너지를 안전하게 수확합니다.

문제 12 · 단답형

작고 간단한 저분자 물질을 재료로 삼아 크고 복잡한 고분자 물질을 합성하며, 주변의 에너지를 흡수하는 대사 과정을 무엇이라 하는가? (4글자)

정답: 동화작용

자연계의 엔트로피(무질서도)를 거슬러 정밀한 질서를 창조해 내는 '생산과 건설'의 대사 과정입니다. 낱개의 아미노산들을 실로 꿰어 튼튼한 근육 단백질 목걸이를 만들거나, 식물이 햇빛 에너지를 스펀지처럼 빨아들여 포도당이라는 영양 덩어리를 빚어내는 것이죠. 에너지를 내부에 저장하므로 결과물의 에너지가 늘 더 높습니다.

문제 13 · 단답형

고분자 물질이 저분자 물질로 쪼개질 때, 물질 내부의 결합이 끊어지면서 주변으로 열과 에너지를 내뿜는 화학 반응 유형을 무엇이라 하는가? (4글자)

정답: 발열반응

빵빵하게 불어넣은 풍선의 주둥이를 열면 내부의 공기 압력이 밖으로 강하게 터져 나오듯, 물질의 복잡한 화학 결합 속에 꽁꽁 압축되어 저장되어 있던 에너지가 결합이 분해됨과 동시에 사방으로 발산되는 현상입니다. 우리 몸이 겨울철 매서운 한파 속에서도 37℃의 뜨끈한 체온을 잃지 않고 방어할 수 있는 열 공급원도 바로 이 반응 덕분입니다.

문제 14 · 단답형

동화 작용과 같이 화학 반응이 일어나는 과정에서 주변의 에너지를 물질 내부로 강력하게 끌어당겨 축적하는 화학 반응 유형을 무엇이라 하는가? (4글자)

정답: 흡열반응

한여름에 얼음 주머니를 대고 있으면 주변의 열을 쪽 빨아들여 시원해지는 것처럼, 화학 반응이 진행될 때 주변 환경에 퍼져 있는 에너지(빛이나 열)를 물질 내부의 새로운 화학 결합 사이에 빽빽하게 밀어 넣는 특성을 말합니다. 에너지를 강제로 주입해야만 반응이 진행되므로, 최종 완제품이 품은 에너지가 초기 원재료보다 훨씬 고농도로 차오르게 됩니다.

문제 15 · 단답형

효소처럼 화학 반응의 속도를 빠르게 하지만 자신은 반응 전후에 변하지 않는 물질을 무엇이라 하는가? (2글자)

정답: 촉매

촉매는 반응에 참여하지만 소모되지 않고 반응이 끝난 후에도 그대로 남습니다. 효소는 생명체 내에서 작용하는 생체 촉매로, 이 성질 덕분에 소량으로도 수많은 반응을 반복해서 도울 수 있습니다.

문제 16 · 보기 선택

생명체 내에서 일어나는 물질대사의 공통적인 특징을 설명한 것으로 옳은 것만을 보기에서 있는 대로 고르시오.

• ㄱ. 생명체 내에서 일어나는 모든 종류의 정밀한 화학 반응을 의미한다.
• ㄴ. 화학 반응이 일어나는 모든 과정에서 반드시 에너지의 출입이 정밀하게 동반된다.
• ㄷ. 생체 촉매가 관여하므로 반드시 체온보다 훨씬 높은 고온 환경이 주어져야만 반응한다.
• ㄹ. 반응이 단 한 번에 끝나지 않고 여러 단계에 걸쳐 서서히 진행되며 에너지가 소량씩 나누어 방출된다.

정답: ㄱ, ㄴ, ㄹ

물질대사는 체온 수준의 온화한 온도에서 생체 촉매(효소) 덕분에 원활히 진행되며(ㄱ, ㄴ), 계단식 경로를 밟으며 에너지를 소량씩 나누어 안전하게 출입시킵니다(ㄹ).

문제 17 · 보기 선택

물질대사 중 동화 작용과 이화 작용에 대한 설명으로 옳은 것만을 보기에서 고르시오.

• ㄱ. 동화 작용은 작고 간단한 저분자 물질을 크고 복잡한 고분자 물질로 조립하는 과정이다.
• ㄴ. 이화 작용이 활발하게 일어날 때는 주변의 에너지를 물질 내부로 강력하게 흡수한다.
• ㄷ. 세포 내에서 일어나는 단백질 합성 및 DNA 합성은 대표적인 동화 작용에 해당한다.
• ㄹ. 이화 작용의 결과 최종 생성된 물질은 초기 반응물보다 분자 내 에너지 크기가 항상 더 크다.

정답: ㄱ, ㄷ

작은 부품을 큰 완제품으로 조립하는 동화 작용(ㄱ)에는 단백질 합성과 유전 물질인 DNA 합성이 포함되며(ㄷ), 에너지를 머금는 흡열 반응의 성격을 띱니다.

문제 18 · 보기 선택

효소와 활성화 에너지의 관계에 대한 설명으로 옳은 것만을 보기에서 고르시오.

• ㄱ. 활성화 에너지가 낮을수록 화학 반응이 더 빠르게 일어난다.
• ㄴ. 효소는 활성화 에너지를 낮춰 체온에서도 반응이 원활히 일어나게 한다.
• ㄷ. 효소가 활성화 에너지를 낮추면 반응물과 생성물의 에너지 차이인 반응열도 함께 줄어든다.
• ㄹ. 효소 없이는 활성화 에너지 장벽이 높아 체온에서는 반응이 거의 일어나지 않는다.

정답: ㄱ, ㄴ, ㄹ

활성화 에너지가 낮을수록 반응이 쉽게 시작됩니다(ㄱ). 효소는 이 장벽을 낮춰주므로 37℃에서도 반응이 가능합니다(ㄴ). 효소 없이는 장벽이 너무 높아 체온에서는 반응이 거의 진행되지 않습니다(ㄹ).

문제 19 · 보기 선택

효소와 활성화 에너지의 상관관계를 설명한 내용으로 옳은 것만을 보기에서 고르시오.

• ㄱ. 화학 반응을 시작하기 위해 필요한 문턱인 활성화 에너지가 작을수록 반응 속도가 빨라진다.
• ㄴ. 효소는 활성화 에너지의 크기를 대폭 감소시켜 줌으로써 물질대사의 속도를 증가시킨다.
• ㄷ. 효소를 적극적으로 사용하면 반응물과 생성물 사이의 순수한 에너지 격차인 반응열이 증가한다.
• ㄹ. 효소가 관여하는 모든 대사 그래프에서 초기 반응물의 에너지는 생성물의 에너지보다 항상 더 크다.

정답: ㄱ, ㄴ

활성화 에너지는 낮을수록 장벽이 낮아 반응 속도가 빨라지며(ㄱ), 효소는 이 장벽을 깎아주는 훌륭한 생체 도우미입니다(ㄴ).

문제 20 · 보기 선택

'효소의 유무와 활성화 에너지 그래프'를 분석한 설명으로 옳은 것만을 보기에서 고르시오.

• ㄱ. 에너지가 방출되는 발열 반응의 경우 반응물의 총에너지가 생성물의 총에너지보다 항상 작다.
• ㄴ. 효소가 투입되었을 때의 활성화 에너지는 효소가 아예 없을 때의 장벽보다 항상 낮게 형성된다.
• ㄷ. 효소가 있든 없든 상관없이 반응 전후의 물질 에너지 격차인 반응열의 면적은 불변이다.
• ㄹ. 에너지가 흡수되는 반응(동화)에서 활성화 에너지는 반응물이 넘어야 할 장벽이므로 반응열을 포함한다.

정답: ㄴ, ㄷ, ㄹ

효소는 활성화 에너지 장벽의 높이만 선택적으로 낮추고(ㄴ), 물질 고유의 격차인 반응열은 건드리지 못합니다(ㄷ). 흡수 반응(나 그래프)에서는 최정상 장벽까지 갈 때 반응열을 디딤돌 삼아 올라가므로 활성화 에너지 안에 반응열이 포함됩니다(ㄹ).

문제 21 · 객관식

효소의 특성에 대한 설명으로 가장 적절하지 않은 것은?

• ① 효소는 화학 반응의 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 빠르게 한다.
• ② 효소가 관여해도 반응물과 생성물의 에너지 차이인 반응열은 변하지 않는다.
• ③ 효소는 단백질이 주성분이라 고온에서 구조가 변성되어 기능을 잃는다.
• ④ 효소는 활성화 에너지와 반응열을 동시에 낮추어 물질대사 효율을 높인다.
• ⑤ 효소 덕분에 생명체는 고온 없이도 체온 정도의 낮은 온도에서 물질대사를 수행할 수 있다.

정답: ④

효소는 활성화 에너지 장벽만 낮춰 반응 속도를 빠르게 할 뿐, 반응물과 생성물의 고유한 에너지 차이인 반응열은 절대 변화시키지 못합니다.

문제 22 · 객관식

효소가 물질대사에서 활성화 에너지에 미치는 영향으로 가장 적절한 것은?

• ① 반응물과 생성물의 에너지 차이인 반응열을 크게 증가시킨다.
• ② 활성화 에너지를 높여 반응 속도를 더 빠르게 만든다.
• ③ 활성화 에너지 장벽을 낮추어 체온에서도 반응이 원활히 일어나게 한다.
• ④ 반응열과 활성화 에너지를 동시에 감소시켜 생성물의 에너지를 낮춘다.
• ⑤ 고온에서만 활성화 에너지를 낮출 수 있어 체온에서는 효과가 없다.

정답: ③

효소의 핵심 역할은 화학 반응이 시작되기 위한 에너지 장벽인 활성화 에너지를 낮추는 것입니다. 덕분에 우리 몸은 고온 없이 37℃의 체온에서도 수많은 물질대사를 빠르게 수행할 수 있습니다.

문제 23 · 객관식

발열 반응과 흡열 반응의 에너지 그래프에 대한 설명으로 옳은 것은?

• ① 발열 반응에서는 생성물의 에너지가 반응물보다 높다.
• ② 흡열 반응에서 활성화 에너지는 반응열보다 항상 작다.
• ③ 발열 반응에서 효소가 있으면 반응열의 크기가 줄어든다.
• ④ 흡열 반응의 활성화 에너지는 반응물에서 최고점까지의 높이이며, 이 안에 반응열이 포함된다.
• ⑤ 효소 없이 반응이 일어날 때와 효소가 있을 때 반응열의 크기는 서로 다르다.

정답: ④

흡열 반응(동화 작용)에서는 생성물의 에너지가 반응물보다 높습니다. 따라서 반응물에서 최고점(전이 상태)까지 올라가는 활성화 에너지 안에는 반응물→생성물의 에너지 차이인 반응열이 포함됩니다.

문제 24 · 객관식

생체 촉매인 효소의 기능과 '활성화 에너지'의 역학 관계를 가장 정확하게 설명한 것은?

• ① 분자가 넘어야 하는 에너지 장벽인 활성화 에너지가 하늘 높이 클수록 화학 반응 속도가 눈에 띄게 빨라진다.
• ② 효소는 마술처럼 반응물 자체의 시작 에너지와 생성물의 최종 에너지의 격차인 반응열을 크게 팽창시킨다.
• ③ 효소는 반응이 일어나는 데 필요한 최소한의 에너지 문턱을 감소시켜 물질대사의 속도를 획기적으로 가속한다.
• ④ 효소의 강력한 촉매 능력을 사용하면 주변 에너지를 흡수하던 흡열 반응이 에너지를 방출하는 발열 반응으로 뒤바뀐다.
• ⑤ 에너지를 주변으로 내뿜으며 계단을 내려가는 발열 반응에서는 활성화 에너지 내부에 반응열의 면적이 포함된다.

정답: ③

효소의 유일무이한 임무는 화학 반응이 시작되기 위한 최저 커트라인 점수인 '활성화 에너지' 장벽을 아래로 끌어내려 주는 것입니다. 장벽이 낮아지니 평범한 체온(37℃)의 분자들도 쉽게 장벽을 넘어가 대사 속도가 수백만 배 빨라지게 됩니다.

문제 25 · 객관식

'효소의 유무에 따른 세포 내 에너지 변화 그래프'를 분석한 의견 중 옳지 않은 것은?

• ① 효소가 없을 때 반응물이 기어 올라가야 하는 산의 높이(활성화 에너지)가 효소가 존재할 때보다 훨씬 거대하다.
• ② 포도당이 이산화 탄소와 물로 분해되는 발열 반응 그래프에서는 반응물의 출발선 위치가 생성물의 도착선보다 높다.
• ③ 에너지를 흡수하는 흡열 반응 그래프의 경우, 활성화 에너지는 반응물에서 생성물까지의 에너지 차이인 반응열을 통째로 포함한다.
• ④ 효소를 적재적소에 배치하여 사용하면 활성화 에너지가 크게 깎이므로 세포 내 화학 반응 속도가 눈에 띄게 가속된다.
• ⑤ 효소를 다량으로 투입하여 반응을 가속화시키면, 반응 전후의 물질이 가진 에너지 격차인 반응열의 총량이 비례하여 감소한다.

정답: ⑤

효소를 아무리 많이 투입하거나 강력한 효소를 쓰더라도 처음 물질(반응물)의 고유 에너지와 나중 물질(생성물)의 고유 에너지 자체를 변형시킬 수는 없으므로, 두 선 사이의 간격인 '반응열'의 총량은 완벽하게 고정되어 불변합니다.