광합성·세포호흡과 ATP
본문사람 몸속에 있는 ATP를 모두 모아도 약 50 g밖에 되지 않는다. 그런데 계산해 보면 하루 동안 쓰는 ATP는 몸무게와 맞먹는 수십 kg이다. 50 g으로 어떻게 수십 kg어치의 일을 할까? 그리고 식물은 광합성으로 ATP를 만드는데, 왜 세포 호흡도 할까?
2.2.1ATP의 구조와 재생
ATP(아데노신 삼인산)는 아데닌, 리보스, 인산 세 개로 되어 있다. 인산들은 모두 음전하를 띠어 서로 밀어내므로, 끝의 인산 하나를 떼어 ADP와 무기 인산으로 나누면 에너지가 나온다. 반대로 ADP에 인산을 다시 붙여 ATP를 만들려면 에너지가 든다. 세포는 세포 호흡에서 나온 에너지로 ADP를 ATP로 되돌린다.
\[\text{ADP} + \text{P}_i \underset{\text{생명 활동}}{\overset{\text{세포 호흡, 광합성}}{\rightleftharpoons}} \text{ATP}\] ATP는 저장 물질이 아니라 에너지를 잠시 실어 나르는 운반체이며, 쓰이자마자 다시 만들어진다.
그림 1에서 하루 소비 열량을 바꾸어 보자. 2000 kcal이면 ATP 약 110 mol, 질량으로 약 56 kg을 만들고 쓴다. 몸속 ATP는 50 g뿐이므로 ATP 한 분자는 하루에 1000번 넘게 ADP가 되었다가 ATP로 되돌아온다. 즉 ATP는 쌓아 두는 돈이 아니라 끊임없이 도는 동전이다. 그래서 에너지 '화폐'라 부른다.1
2.2.2광합성과 세포 호흡
식물의 엽록체는 빛 에너지로 ATP와 NADPH를 만들지만, 이것은 대부분 같은 엽록체 안에서 이산화 탄소를 포도당으로 고정하는 데 쓰인다. 그래서 식물 세포의 다른 곳에서 쓸 ATP는 포도당을 미토콘드리아에서 세포 호흡으로 분해하여 만든다. 또 밤이나 빛이 닿지 않는 뿌리에서는 광합성을 할 수 없으므로 세포 호흡에 기대어 산다.
2.2.3예제 풀이
하루에 2000 kcal를 쓰는 사람이 그 가운데 40%를 ATP 합성에 쓴다고 하자. 하루에 만드는 ATP는 몇 mol이며 몇 kg인가? 몸속 ATP가 50 g이면 한 분자가 하루에 평균 몇 번 재생되는가? (1 kcal = 4.18 kJ, ATP 507 g/mol, ATP 1 mol 합성에 30.5 kJ)
ATP에 쓰이는 에너지는 \(2000 \times 4.18 \times 0.4 \approx 3344\) kJ이다. 만드는 ATP는 \(\dfrac{3344}{30.5} \approx 110\) mol, 질량은 \(110 \times 507 \approx 55\,800\) g, 곧 약 56 kg이다.
몸속 ATP 50 g으로 56 kg을 감당하려면 한 분자가 하루에 \(\dfrac{55\,800}{50} \approx 1100\)번 재생되어야 한다. 대략 80초에 한 번꼴이다. 그래서 세포 호흡이 몇 분만 멈추어도 ATP가 바닥나 세포가 일을 할 수 없다. 숨을 몇 분 못 쉬면 뇌가 손상되는 까닭이다.
아래 탐구 카드에서 ATP가 에너지 화폐인 까닭과, 식물이 광합성으로 만든 ATP로만 살아가지 않는 까닭을 살펴보자.
- 운동선수가 격렬하게 달리면 1분에 몸무게의 일부에 해당하는 ATP를 재생하기도 한다. 근육에는 크레아틴 인산이라는 예비 물질이 있어 처음 몇 초 동안 ADP에 인산을 재빨리 넘겨준다.
ATP는 끝의 인산이 떨어질 때 에너지를 내놓고, 세포 호흡과 광합성의 에너지로 다시 만들어지는 운반체이다. 식물도 엽록체의 ATP는 주로 탄소 고정에 쓰고, 다른 활동에는 세포 호흡으로 만든 ATP를 쓴다. 그래서 처음 질문의 몸속 ATP 50 g은 쌓여 있는 양이 아니라 하루에 천 번 넘게 재생되며 수십 kg어치의 일을 해낸다.