ATP의 이해—세포 에너지에 관한 10가지 질문에 대한 대답

우리가 섭취한 음식물이 에너지로 전환되기까지는 상당히 복잡한 과정이 필요합니다. 그러나 우리 몸에서는 이러한 과정이 너무나 효율적으로 이루어지고 있으므로 단순한 것처럼 느껴질 수 있습니다. 이 과정에서 핵심적인 역할을 하는 세포들은 에너지 생성을 위해 끊임없이 일하고 있습니다. 그중에서도 매우 중요한 역할을 하는 분자는 ATP 또는 아데노신 삼인산(adenosine triphosphate)이라고 합니다.

이번 블로그에서는 조금 낯설어 보이는 ATP에 조명을 맞추어 보도록 하겠습니다.

ATP는 우리가 섭취한 음식물에 함유된 에너지를 세포가 기능을 완수하는 데 필요한 에너지로 모두 전환해주는 세포 내 에너지의 원천이라고 할 수 있습니다. 이 분자는 에너지를 운반하는 역할을 하며 근육, 피부, 뇌 등과 같은 모든 신체 부위의 세포에 존재합니다. ATP는 세포 에너지 생성 과정을 촉발하는 역할을 합니다.

실제로 이렇게 시작되는 세포 에너지는 복잡한 과정을 거쳐 생성됩니다. 이것을 생각보다는 이해하기 쉬운 개념이므로 너무 걱정하실 필요는 없습니다. 아래 10가지 질문에 대한 답변을 자세히 살펴보시면 기본적인 지식을 충분히 쌓으실 수 있습니다. 그다음 원하신다면, 이와 관련된 화학적 원리까지 면밀하게 알아보시는 것도 좋을 것입니다.

1. ATP란 무엇일까요?

ATP는 우리 몸에 가장 풍부한 분자로 에너지를 운반하는 역할을 합니다. 이 분자는 음식물 분자에 함유된 에너지와 화학적 결합을 이루어 이를 세포에 전달하는 역할을 합니다.

ATP는 우리 몸의 모든 세포가 공통적으로 이해할 수 있는 에너지 원천이므로 에너지 화폐라고 부르기도 합니다. 섭취한 음식물은 소화를 통해 더 작은 단위의 대량 영양소로 분해됩니다. 예를 들어, 탄수화물은 모두 글루코스라고 하는 단순당으로 전환됩니다.

이 단순당은 세포 에너지로 전환될 가치가 큰 영양소입니다. 다만 우리 세포는 이러한 글루코스를 그대로 받아들이지는 못합니다. 글루코스가 세포에서 에너지 원천으로 작용하려면 통용 화폐로 전화되어야만 합니다.

그것이 바로 ATP입니다. 글루코스는 정교한 화학 반응을 통해서 “환전” 과정을 마친 다음 ATP로 전환됩니다. 이러한 전환 과정은 세포 호흡 또는 세포 대사라고 합니다.

이를 통해 글루코스에 함유된 에너지는 각 화학 반응의 마지막 단계에서 임시적인 화합물 형태로 변환됩니다. 글루코스는 이러한 몇 단계의 전환 과정을 거쳐 에너지와 함께 ATP로 저장됩니다.  각 에너지 교환 단계에서 어떤 화합물들이 만들어지는지는 네 번째 질문에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.

2. ATP는 어떤 분자인가요?

ATP는 아데노신 삼인산(adenosine tri-phosphate)의 약어입니다. 이 명칭은 당과 인산 사슬에 핵산(단백질)이 결합된 구조를 의미합니다. 인산 사슬은 인 및 산소 원자가 결합된 그룹을 뜻합니다. 재미있는 사실: ATP는 유전 물질에 함유된 단백질과 닮은꼴입니다. [https://askthescientists.com/genetics]

3. ATP는 어떻게 에너지를 운반하나요?

인산 사슬은 ATP 분자에서 에너지를 운반하는 역할을 합니다. 이 사슬은 주요한 화학 반응을 통해 에너지와 결합니다.

이러한 과정을 간략히 설명하자면 다음과 같습니다. 원자와 분자가 결합할 때, 에너지가 저장됩니다.  이 에너지는 화학 결합을 통해 보존되지만,

이러한 화학 결합이 깨지면, 에너지가 방출됩니다.  이것은 우리 몸의 세포가 주어진 역할을 완수하기에 충분한 에너지입니다. 여분의 에너지는 열로서 체외로 발산됩니다.

ATP에서 이루어진 화학 결합은 매우 강력하며 인산 사슬은 강한 음전하를 띱니다. 따라서 항상 양전하 분자와 결합하려는 성질이 있습니다. 이러한 분자들은 ATP에서 분리되어 양전하와 결합함으로써 균형을 이룰 수 있기 때문입니다.

이러한 성질에 반하여 음전하를 띠고 있는 인산 사슬과 결합하는 데는 많은 에너지가 요구됩니다.  그리고 이러한 인산 사슬이 양전하와 결합하여 떨어져 나갈 경우, 많은 양의 에너지가 세포로 방출되게 됩니다.

4. ATP는 어떻게 생성되나요?

ATP에서 세포로 에너지가 전달되려면, 글루코스를 통한 에너지 교환 과정이 이루어져야 합니다.

ATP 생성에 필요한 첫 번째 화학 반응은 해당과정(glycolysis)이라고 합니다. 이것은 당(글루코스)을 분해한다는 의미입니다. 해당과정에서는 단백질이 글루코스 분자를 분해하여 더욱 작은 화합물인 피루브산(pyruvate)이 생성됩니다.

앞서 글루코스와 ATP 사이에서 이루어지는 에너지 교환 과정에서는 임시적 형태의 화합물이 생성된다고 언급하였습니다.

피루브산은 에너지 교환 과정에서 중요한 두 번째 화합물입니다. 이렇게 생성된 피루브산은 세포 내에서 에너지 생성에만 관여하는 특별한 부분으로 이동하게 됩니다. 이 부분은 미토콘드리아(mitochondria)라고 합니다.

피루브산은 미토콘드리아 내에서 이산화탄소로 전환되어 아세틸 코엔자임 A(acetyl Coenzyme A, CoA)라고 하는 화합물을 형성합니다. 이 단계에서 생성되는 이산화탄소는 호흡을 통해 몸 밖으로 배출됩니다. 그리고 아세틸 코엔자임은 ATP를 생성하는 다음 단계로 이동합니다.

아세틸 코엔자임이 사용되는 다음 단계의 화학 반응에서는 이산화탄소와 함께 에너지를 운반하는 분자인 니코틴아마이드 아데닌 디뉴클레오타이드(Nicotinamide adenine dinucleotide, NADH)가 생성됩니다. 이 NADH가 화학 결합에 중요한 역할을 합니다. 앞서 음전하 분자는 양전하 분자와 결합하여 균형을 이루려는 성질이 있다는 사실을 알려드렸습니다. NADH는 음전하를 지닌 분자로서 양전하 분자와 결합할 준비가 되어 있습니다.

NADH는 ATP 생성 마지막 단계에서 중요한 역할을 한다고 할 수 있습니다. 아데노신 삼인산(adenosine tri-phosphate)은 전환되기 이전에 먼저 아데노신 이인산(adenosine di-phosphate, ADP)이 형성됩니다. NADH는 ADP가 고에너지 분자인 ATP를 형성하는 데 필수적인 요소입니다.

NADH가 지닌 음전하는 ATP 생성에 필수적인 특수한 단백질을 발현시키는 역할을 합니다. 이 단백질은 강력한 자석과 같이 작용하여 ADP와 인산 분자 1개를 결합시켜줌으로써 결과적으로 ATP를 형성합니다. 이렇게 생성된 ATP는 강력한 결합력을 가집니다. 따라서 이처럼 강력한 결합이 깨질 때 많은 에너지가 발산될 수밖에 없습니다.

ATP를 충전지라고 생각해보세요. 이 분자는 충전지와 마찬가지로 고에너지와 저에너지 주기를 가집니다. 충전이 완료되었을 때는 에너지가 충만하지만, 화학 결합이 분리되는 과정이 계속되면 에너지가 고갈됩니다. 이때는 건전지를 충전하는 것과 마찬가지로 에너지를 위한 새로운 화학 결합을 형성할 필요가 있습니다.

NADH는 ADP와 인산을 결합시키는 단백질을 발현시키므로 에너지 주기를 계속해서 순환해주는 역할을 한다고 할 수 있습니다. 다시 말해, NADH는 ATP라는 충전지가 고갈되지 않게 하는 충전기와 같습니다.

이러한 화학 결합은 끊임없이 형성 및 분리 과정을 반복합니다. 우리가 섭취한 음식물을 이러한 과정을 통해 ATP에 에너지로 저장됩니다. 이러한 에너지는 세포가 우리의 건강을 유지하기 위해 계속해서 일할 수 있게 하는 원동력이 됩니다.

5. 세포 에너지는 어디에서 생성되나요?

ATP는 우리 몸 세포 전체에서 생성되고 이러한 과정은 글루코스가 장에서 소화될 때 시작됩니다. 먼저 글루코스는 화학 반응을 거쳐 피루브산으로 전환됩니다. 그다음 피루브산은 세포 내 미토콘드리아로 이동하게 되며 ATP는 바로 이곳에서 생성됩니다.

6. 미토콘드리아는 무엇인가요?

세포 발전소로 알려진 미토콘드리아는 ADP와 인산이 결합하여 ATP가 형성되는 세포의 기관입니다. 미콘드리아 세포막에서는 NADH를 통해 특수한 단백질이 발현됩니다. 이 단백질로 일어나는 화학 반응을 통해 세포 에너지의 원천이 되는 ATP가 계속해서 생성됩니다.

7. 세포 한 개에서는 얼마나 많은 ATP가 생성되나요?

우리 몸을 구성하는 세포의 수는 37.2조 개나 됩니다. 그리고 건강한 세포 한 개에서 생성되는 ATP의 양은 짐작하기도 어려울 만큼 많습니다.

어느 한 시점을 기준으로 할 때 한 개의 세포 안에는 대략 10억 개의 ATP 분자가 존재한다고 합니다. 또한, 우리 세포는 이처럼 무수한 ATP를 눈 깜짝할 사이에 소모해버립니다. 세포 한 개에 저장된 ATP는 겨우 2분 만에 모두 소진됩니다!

8. 모든 세포가 ATP를 사용하나요?

ATP는 모든 세포에서 사용될 뿐만 아니라 살아 있는 모든 생물이 ATP를 에너지 화폐로 사용합니다. ATP는 모든 세포의 세포질에 포함되어 있습니다. 이 세포질은 세포 한가운데를 자치하는 공간입니다. 이 기관은 세포기질(cytosol)이라고 하는 물질로 채워져 있습니다.

미토콘드리아를 포함한 모든 세포 기관(organelle)은 세포질에 의해 보호됩니다.  APT는 생성된 후에 미토콘드리아에서 각 세포로 전달됩니다.

9. 모든 음식물이 ATP로 전환되나요?

지방, 단백질 및 탄수화물은 모두 세포 에너지로 전환됩니다. 이러한 영양소가 에너지로 전환되는 과정은 각각 다를 수 있으나 결과적으로는 모두 에너지를 공급하는 역할을 합니다. 지방과 단백질이 ATP로 전환되는 과정은 당류와 단순 탄수화물처럼

단순하지 않습니다. 단순당의 경우 화학 결합이 깨지면서 당이 글루코스로 분해됩니다. 이 글루코스가 ATP 생성을 촉발한다는 사실은 먼저 알려드렸습니다.

지방과 단백질은 세포 에너지 생성 과정에 포함되기 이전에 단순한 영양소 형태로 분해되어야만 합니다. 지방은 화학 반응을 통해 지방산과 글리세롤(glycerol)로 전환됩니다. 한편, 단백질은 기본 단위인 아미노산으로 분해됩니다.

아미노산, 지방산 및 글리세롤은 글루코스와 함께 ATP 생성에 관여합니다. 이들은 ATP를 생성하는 중간 단계에서 다양한 화합물을 세포에 제공하기도 합니다.

일부 영양소는 우리 몸에서 소화되지 않고 ATP 생성에도 이용되지 않습니다. 그것은 바로 섬유질입니다.  인체에는 섬유질을 분해할 수 있는 효소가 존재하지 않습니다.  따라서 이 영양소는 소화 기관을 그대로 지나가 몸 밖으로 배출됩니다.

물론 우리 몸은 섬유질을 소화시켜 에너지를 얻지 않아도 다른 음식물을 통해 ATP를 충분히 생성할 수 있게 구성되어 있습니다.

10. 세포 에너지 생성을 촉진하는 미량 영양소는 무엇인가요?

세포 에너지를 유지하는 것은 건강에 필수적인 요소이므로, 다양한 미량 영양소가 도우미 역할을 하고 있습니다. 이들 중 일부는 없어서는 안 될 만큼 중요하므로 필수 미량 영양소라고 합니다. 그리고 이러한 영양소 대부분은 건강한 식습관에서 빠져서는 안 되는 주요 음식물에 함유되어 있습니다.

세포 에너지 생성 과정을 건강하게 유지하는 데 필수적인 주요 미량 영양소 목록은 다음과 같습니다:

• 비타민 B1(티아민, THIAMIN)
• 비타민 B2(리보플라빈, RIBOFLAVIN)
• 비타민 B3(니아신, NIACIN)
• 비타민 B5(판토텐산, PANTOTHENIC ACID)
• 비타민 B7(비오틴, BIOTIN)
• 비타민 B12(코발라민, COBALAMIN)
• 비타민 C(항산화 작용)
• 비타민 E(항산화 작용)
• 코엔자임 Q10
• 알파 리포산
• 구리
• 마그네슘
• 망간
• 인

ATP의 중요성

ATP가 계속적으로 순환되지 못하면, 우리 몸은 사용할 수도 없는 에너지로 가득 차게 될 것입니다. 이것은 건강을 유지하는 데 좋다고 할 수 없습니다. ATP는 모든 세포에서 통용되는 에너지 운반자, 에너지 화폐입니다. 이 물질은 각 세포가 기능을 완수하는 데 필요한 모든 에너지를 전달해줍니다. 그리고 충전지와 마찬가지로 ATP는 한 번 생성되면 계속해서 충전하여 사용할 수 있습니다.

다음번에 식사를 즐기실 때는, 이와 같은 에너지 생성 과정을 한 번 더 떠올려보세요. 그리고 운동으로 세포 에너지를 고갈시켜보거나 하루 일과를 멋지게 달성해보세요. [https://askthescientists.com/fitness-quiz/] 마지막으로 건강한 식습관을 유지함으로써 일과 도중 ATP가 모자라는 일이 없도록 신경 써주세요.