에너지의 이용(근육운동, 능동 수송, 발전, 발광)

◎ 에너지의 이용

생물은 체내에서 여러 가지 물질을 합성하는데, 세포 내에서 물질이 합성될 때에는 반응 물질이 효소의 작용을 받기 위해서 활성화되어야 합니다. 이때, ATP로부터 에너지가 제공되어야 합니다. 이와 같이 생체 내에서의 물질 합성은 ATP로부터 에너지를 흡수하기 때문에 흡열 반응의 형태입니다. 예를 들면, 아미노산 사이의 펩티드 결합으로 단백질이 합성되고, 포도당이 과당과 결합하여 설탕이 합성되는데, 이 과정에서 ATP가 이용되고 있습니다. 이처럼 물질의 합성에 쓰이는 ATP의 에너지는 다른 형태의 에너지로 전환되지 않고 화학 에너지 그대로 사용될 수 있습니다. 그러나 다른 에너지의 형태로 전환되는 경우도 있습니다. 예를 들어 근육이 수축할 때, ATP의 화학 에너지는 근육의 역학적 에너지 형태로 전환되는 것입니다. 그리고 반딧불이가 빛을 낼 때도 ATP의 화학 에너지는 빛 에너지의 형태로 전환되는 것입니다.

 

▶ 근육 운동

동물은 골격근의 수축과 이완에 의해 운동을 하는데, 이 때 ATP에 저장되어 있던 화학 에너지가 기계적 에너지로 전환되어 이용됩니다.

먼저 근육의 구조를 보면 근육은 근섬유(근세포)로 구성되어 있으며, 근섬유는 가늘고 긴 근원 섬유의 다발로 구성되어 있습니다. 그리고 근원 섬유는 액틴과 미오신이라는 단백질 섬유로 이루어져 있습니다. 이 두 단백질 섬유들은 부분적으로 겹쳐서 배열되어 있는데, 액틴만 배열된 부분을 I대(명대), 미오신이 배열된 부분을 A대(암대), A대 중 미오신만 배열되어 밝게 보이는 부분을 H대, I대의 중앙 경계선을 Z선(Z막)이라고 하며, Z선과 Z선 사이를 근절이라고 합니다. 우리가 광학 현미경으로 골격근을 관찰할 때 보이는 가로무늬는 바로 이 명대와 암대가 교대로 배열되어 나타나는 현상인 것입니다. 이러한 구조를 가진 근육의 수축은 활주설이라는 현상으로 설명할 수 있습니다. 활주설은 액틴 섬유가 미오신 섬유 사이로 미끄러져 들어가는 현상을 말하는 것입니다. 그 과정은 운동 신경의 말단에서 근섬유에 자극 신호를 주면 근섬유에서 ATP가 분해되고, 이때 발생한 에너지를 이용하여 미오신은 액틴을 끌어당기게 됩니다. 그리하여 근절이 짧아지게 되면서 근육의 수축이 일어나게 되는 것입니다. 이와 같이 근육이 수축하게 되면 I 대는 짧아지고 A 대는 변화가 없으며 H 대는 거의 없어져서 관찰할 수 없게 됩니다. 한편, 운동 신경의 자극이 없어지면 미끄러져 들어갔던 액틴 섬유가 미오신 섬유와 떨어져서 다시 근육이 이완되는 것입니다.

근육이 수축하는 데 사용되는 직접적인 에너지원은 저장된 ATP입니다. 그러나 근육 운동이 활발하게 일어나서 ATP가 부족하게 되면 크레아틴 인산이라는 물지링 분해되어서 이때 방출하는 에너지로 ATP가 다시 생산되어 근육의 수축에 이용됩니다. 한편, 근육 속의 글리코겐도 해당 과정을 거치면서 ATP를 만들어내어 근수축에 이용됩니다. 하지만 근육의 수축이 계속되면 산소의 공급이 부족하게 되어 글리코겐이 무기 호흡의 과정을 거치면서 젖산을 만들어내는데, 이때 젖산이 근육 속에 다량으로 축적됩니다. 그러면 근육이 피로해지는 것을 느끼게 됩니다. 이런 경우 휴식을 취해 산소가 공급되면 젖산이 간에서 다시 글리코겐으로 전환되어 피로가 풀리게 됩니다.

 

▶ 능동 수송

세포가 생명 활동을 계속하기 위해서는 끊임없이 외부와 물질 교환을 해야 합니다. 세포마그이 단순한 삼투 현상만으로는 흡수할 수 없는 물질이 있는데, 이러한 물질은 능동 수송이라는 방법을 통해 흡수됩니다. 능동 수송은 에너지를 사용하여 농도가 낮은 곳의 물질을 농도가 높은 곳으로 강제로 이동시키는 현상입니다. 이때 사용되는 에너지가 바로 ATP 에너지입니다. 이러한 능동 수송에 의한 물질 흡수의 과정의 예로서 동물의 소화관에서 일어나는 영양소의 흡수 과정, 신장에서의 영양분의 재흡수 과정을 예로 들 수 있습니다.

▶ 발전

모든 생물의 세포에는 전기가 발생하고 있는데, 이 전기는 세포막 안팎에 분포하고 있는 이온의 차이 때문에 발생합니다. 사실 세포막을 경계로 하여 이온의 분포에 차이가 생기는 것은 세포막의 능동 수송 기능 때문입니다. 세포막에는 나트륨-칼륨 펌프가 있어서 계속적으로 세포 밖으로 나트륨 이온을 퍼내고, 세포 안쪽으로 칼륨 이온을 받아들입니다. 따라서 이 때에도 ATP에 의한 에너지가 능동 수송에 이용되는 것입니다. 이렇게 세포막을 경계로 하여 안팎의 전기 분포가 달라지게 되면 생물체는 전기를 발생시킬 수 있습니다.

생물의 전기에는 휴기 전위와 활동 전위가 있습니다. 즉, 세포막에서는 나트륨-칼륨 펌프가 작용하여 휴지 전위가 유지되고, 세포가 자극을 받으면 막에 대한 이온의 투과성이 변하여 활동 전위가 생깁니다. 또한 전기메기나 전기가오리 등은 수천 개의 발전판이라는 조직을 가지고 있어서 용량이 큰 전류를 발생시킬 수도 있습니다. 심지어는 사람을 기절시키거나 사망에 이르게 할 수 있는 능력을 가지고 있습니다.

 

▶ 발광

생물 중에는 반딧불이와 같이 빛을 내는 발광 생무링 있는데, 발광은 ATP에 축적된 에너지를 빛 에너지로 전환시켜서 빛을 내는 현상을 말합니다. 발광 생물은 발광 물질인 루시페린을 가지고 있습니다. 루시페린이 ATP로부터 에너지를 받게 되면 활성화되고, 여기에 루시페라아제라는 효소의 작용을 받으면 산화되면서 빛을 방출하게 됩니다.