세포의 에너지 화폐 · ATPLab

반딧불이의 빛은 어디에서 올까

반딧불이 배 끝의 발광기에는 루시페린과 루시페레이스가 들어 있다. 발광기를 갈아 물을 넣으면 추출액이 어둠 속에서 연한 황록색 빛을 내고, 약 15분 뒤 빛이 사라진다.

빛이 사라진 뒤 시험관에 각각 증류수, 포도당 용액, ATP 용액을 넣으면 어느 것이 다시 빛날까? 시험관 하나를 먼저 끓인 뒤 ATP를 넣으면 어떻게 될까?

오른쪽에서 ATP 용액의 농도, 수조 온도, pH를 바꾸며 빛의 밝기와 색을 관찰할 수 있다.

ATP의 구조

ATP는 아데노신 삼인산의 영어 이름 약자로, 구조를 A–P~P~P로 간단히 쓸 수 있다. A는 아데노신(아데닌 + 리보스), P는 인산기, ~는 특별한 화학 결합을 나타낸다.

이웃한 인산기들은 모두 음전하를 띠어 서로 밀어내므로 이 결합은 불안정하고, 끝의 인산기는 높은 전이 퍼텐셜을 가진다. ATP가 가수분해되면 끝의 인산기가 떨어져 나가며 에너지가 방출된다.

ATP에서 인산기를 하나 더 가수분해한 것이 AMP — 아데닌 리보뉴클레오타이드로, RNA를 이루는 기본 단위의 하나이다. 화면을 끌면 분자를 회전할 수 있다.

ATP와 ADP의 상호 전환

세포 속 ATP의 양은 매우 적지만, ATP와 ADP는 끊임없이 서로 전환되며 동적 평형을 이룬다.

흡열 반응은 대개 ATP 가수분해와 연결된다. 화면 가운데는 Ca²⁺의 능동 수송에 참여하는 운반체 단백질로, ATP 가수분해를 촉매하는 효소이기도 하다. ATP 끝의 인산기가 운반체로 옮겨 가고(인산화), 운반체의 입체 구조가 바뀌어 Ca²⁺을 막 밖으로 방출한다.

발열 반응은 대개 ATP 합성과 연결된다. 왼쪽은 세포 호흡을 나타낸다. 동물, 사람, 균류와 대부분의 세균은 ATP를 합성하는 에너지를 세포 호흡에서 얻고, 녹색 식물은 광합성에서도 얻는다.

ATP 합성 효소

유산소 호흡에서 생기는 ATP의 대부분은 미토콘드리아 내막에서 합성된다. 세포 호흡은 H⁺을 내막 바깥쪽으로 퍼내 H⁺ 농도 차를 만들고, H⁺은 농도 차를 따라 ATP 합성 효소를 지나 기질로 돌아오며 회전자를 돌린다.

회전자가 120° 돌 때마다 위쪽의 β 소단위 하나가 ATP를 1개 방출한다. 한 바퀴에 H⁺ 8개가 지나가고 ATP 3개가 만들어진다. 엽록체의 틸라코이드 막에도 ATP 합성 효소가 있다.

농도 차를 줄이거나, H⁺을 곧바로 새어 나가게 하는 탈공역제를 넣고 회전자가 어떻게 되는지 보자.

형성 평가

네 가지 주제를 되돌아보고 아래 객관식 문제를 풀어 보자.