세포는 어떻게 음식을 에너지로 바꿀까

1937년 여름, 셰필드 대학교 생화학과에서 한스 크렙스는 잘게 다진 비둘기 가슴 근육을 바르부르크 압력계라 불리는 일련의 유리 기구에 일일이 넣어주고 있었다. 그 근육은 곱게 다져진 채 용액 속에서 살아 있는 상태로 유지되었고, 기구가 산소 소비 속도를 측정하는 동안 다양한 작은 분자가 하나씩 주어졌다. 크렙스는 살아 있는 세포 안에서 탄소 원자들이 떨어져 나가며 거치는 경로를 추적하고 있었고, 그해 여름 그는 스스로에게로 되돌아오는 일련의 반응 고리, 즉 그가 시트르산 회로라 이름 붙이게 될 화학적 회전목마를 밝혀냈다. 그는 그 내용을 정리해 그해 가을 Enzymologia라는 작은 네덜란드 학술지에 논문을 제출했다.

그 비둘기 근육은 지금 당신이 이 문장을 읽는 동안 당신의 세포가 하고 있는 것과 똑같은 일을 하고 있었다. 당신이 오늘 아침에 먹은 빵, 혹은 밥, 혹은 커피에 넣은 설탕 한 숟가락은 분자 하나하나씩 분해되어 사용 가능한 형태의 에너지로 전환되고 있다. 이 글이 답하려는 질문은 겉보기에 단순하다. 당신의 접시에 놓인 음식이 어떻게, 정확히 어떤 방식으로 당신의 근육과 신경과 생각을 움직이는 힘이 되는가? 그 답은 생물학자들이 세포 호흡이라 부르는 세 부분으로 이루어진 과정이며, 이는 생물학 전체를 통틀어 가장 우아한 기계 장치 중 하나다.

하나의 세포 안, 세 단계와 세 개의 주소

세포 호흡은 포도당을 통제된 방식으로 효소를 이용해 연소시키는 과정이며, 여기서 연소라는 단어는 들리는 것보다 훨씬 더 문자 그대로의 의미를 담고 있다. 장작을 태우는 것과 세포 안에서 당을 태우는 것은 모두 동일한 전체 화학 반응을 거친다. 연료가 산소와 반응하고, 이산화탄소와 물이 나오며, 에너지가 방출된다. 차이는 통제에 있다. 장작은 자신의 에너지를 열과 빛으로 한꺼번에 방출하는데, 이는 세포 안에서라면 쓸모없고 위험할 것이다. 대신 세포는 포도당을 작고 세심하게 관리되는 여러 단계로 분해하며, 각 단계는 특정 효소의 감독을 받는다. 그렇게 함으로써 에너지를 낭비하지 않고 붙잡을 수 있다.

이 분해는 세 개의 연속된 단계에서 일어나며, 각 단계는 세포의 서로 다른 구획에서 진행된다. 첫 번째 단계인 해당과정은 세포질, 즉 내부 구조물 바깥쪽 세포를 채우고 있는 물기 어린 내부 공간에서 일어난다. 두 번째 단계인 크렙스 회로는 더 안쪽, 미토콘드리아의 중심 공간인 기질 안에서 진행된다. 세 번째이자 가장 생산적인 단계인 전자 전달은 바로 그 미토콘드리아의 내막에 붙어 있다. 이 세 개의 주소를 헷갈리지 않고 따라가는 것이 전체 과정을 이해하는 열쇠인데, 세포로 들어온 포도당 분자가 세포질에서 미토콘드리아로 이어지는 물리적 경로를 따라가며 가는 동안 차근차근 분해되기 때문이다.

탄소 여섯 개짜리 당을 한가운데서 쪼개기

여정은 해당과정에서 시작되는데, 이는 열 단계로 이루어진 효소 경로로, 그 이름은 단지 당을 쪼갠다는 뜻이다. 포도당 분자 하나는 여섯 개의 탄소 원자가 줄지어 연결되어 있다. 각각 고유한 효소가 촉매하는 열 번의 반응에 걸쳐, 해당과정은 그 탄소 여섯 개짜리 사슬을 피루브산이라 불리는 탄소 세 개짜리 분자 두 개로 쪼갠다. 이 과정은 연료가 미토콘드리아에 도달하기 전에 전적으로 세포질에서 일어나며, 산소를 전혀 필요로 하지 않는다.

해당과정은 1930년대에 걸쳐 구스타프 엠덴, 오토 마이어호프, 야쿠프 파르나스라는 세 명의 연구자에 의해 밝혀졌으며, 이들의 이름은 지금도 교과서에서 이 경로에 붙어 있다. 이 과정을 주목할 만하게 만드는 것은 그 화학적 특성뿐 아니라 그 까마득한 오래됨이다. 해당과정은 생물학에서 알려진 가장 오래되고 가장 보편적인 에너지 생산 경로로, 세균에서 흰긴수염고래에 이르기까지 거의 모든 생명체에서 발견된다. 이는 거의 틀림없이 지구 대기에 산소가 등장하기 이전부터 존재했으며, 그렇기에 산소 없이도 완벽하게 잘 작동할 수 있다. 이 경로는 시작 단계에서 세포에 약간의 에너지를 투자하게 한 뒤, 이를 이자까지 붙여 되갚아, 포도당 하나당 ATP 분자 두 개라는 적당한 순이익과 더불어 NADH라 불리는 한 쌍의 전자 운반체를 만들어내는데, 이 NADH는 나중에 엄청나게 중요해진다.

미토콘드리아 벽을 가로지르는 다리

해당과정이 끝나면 세포는 세포질 안에 피루브산 분자 두 개를 쥐게 되고, 이를 소비할 크렙스 회로는 미토콘드리아 안에서 진행된다. 그 둘 사이에는 짧지만 결정적인 연결 반응이 놓여 있는데, 흔히 다리 단계라 불린다. 각 피루브산은 미토콘드리아 내막을 가로질러 기질 안으로 운반된다. 일단 안으로 들어가면 탄소 원자 하나가 떨어져 나가 이산화탄소로 빠져나가고, 남은 탄소 두 개짜리 조각은 조효소 A라 불리는 운반 분자와 결합한다.

이 접합의 산물이 바로 아세틸-CoA인데, 이것은 연료가 크렙스 회로로 들어가는 보편적인 입구이기 때문에 특별한 주목을 받을 만하다. 여기에 도달하는 것이 포도당만은 아니다. 지방과 단백질도 몸이 에너지를 얻기 위해 태울 때 아세틸-CoA로 분해되어 동일한 회로로 공급된다. 다시 말해 다리 단계는 여러 연료원이 하나의 공통 경로로 모여드는 일종의 화학적 깔때기이며, 이 과정에서 또 하나의 NADH 분자도 포착한다.

탄소 고리를 도는 여덟 단계

이제 연료는 크렙스가 자신의 비둘기 근육으로 추적했던 그 회로로 들어간다. 시트르산 회로라고도 불리는 크렙스 회로는 미토콘드리아 기질 안에서 아세틸-CoA의 산화를 완성하는, 여덟 개의 효소 반응으로 이루어진 닫힌 고리다. 고리라는 단어는 정확하다. 이 회로는 탄소 두 개짜리 아세틸기를 탄소 네 개짜리 분자에 붙여 탄소 여섯 개짜리 분자를 만드는 것으로 시작한 뒤, 여섯 단계를 더 거쳐 한 바퀴 돌아와 그 출발점이었던 탄소 네 개짜리 분자를 다시 만들어내며, 그렇게 다음 아세틸-CoA를 받아들여 또 한 바퀴 돌 준비를 마친다.

회로는 완전히 한 바퀴 돌 때마다 여러 가지 일을 한꺼번에 해낸다. 이산화탄소 분자 두 개를 방출하는데, 이것이 포도당의 나머지 탄소가 마침내 노폐물로 세포를 떠나 결국 호흡을 통해 내쉬어지는 지점이다. 또한 NADH 분자 세 개와 그와 관련된 운반체인 FADH₂ 한 개를 포착하는데, 둘 다 높은 에너지를 지닌 전자를 가득 싣고 있다. 그리고 ATP의 가까운 사촌인 GTP 분자 한 개를 만들어내는데, 세포는 이것을 손쉽게 ATP 자체로 전환한다. 본래의 포도당 하나가 두 개의 피루브산으로 쪼개졌고, 각 피루브산이 하나의 아세틸-CoA가 되므로, 이 회로는 포도당 분자 하나당 두 번 돌면서 그 모든 산출량을 두 배로 늘린다.

진짜 발전소: 전자, 양성자, 그리고 회전하는 모터

여기까지 세포가 직접적으로 사용 가능한 ATP를 만들어낸 양은 그리 많지 않은데, 겨우 몇 개의 분자뿐이다. 보상의 절대다수는 마지막 단계에서 나오며, 그것은 간접적이면서도 진정 아름다운 메커니즘으로 작동한다. 해당과정, 다리 단계, 크렙스 회로 동안 쌓인 그 모든 NADH와 FADH₂ 운반체가 이제 미토콘드리아 내막에 도착해, 그 막에 박혀 있는 네 개의 거대한 단백질 복합체 사슬에 자신들의 높은 에너지를 지닌 전자를 넘겨준다.

전자가 그 사슬을 따라 내려가며, 마치 물이 일련의 계단을 따라 떨어지듯 한 복합체에서 다음 복합체로 떨어지면, 방출된 에너지는 양성자(수소 이온)를 기질 밖으로 밀어내 좁은 막 사이 공간으로 퍼 올리는 데 쓰인다. 이는 전기화학적 기울기, 즉 막을 사이에 둔 양성자 농도의 가파른 차이를 만들어내며, 댐 뒤에 가둬진 물이 에너지를 저장하는 것과 거의 같은 방식으로 에너지를 저장한다. 그러면 양성자들은 하나의 통로를 통해 다시 기질 안으로 밀려드는데, 이 통로가 바로 ATP 합성효소라는 놀라운 분자 터빈으로, 양성자가 통과할 때 물리적으로 회전하며 그 회전을 이용해 ADP에 인산기를 붙여 ATP를 대량으로 제조한다. 양성자 기울기를 ATP 생산에 연결하는 이 결합을 화학삼투라 부르며, 전자 사슬의 맨 끝에서 산소가 최종 전자 수용체가 되어, 다 쓰인 전자 및 양성자와 결합해 물을 형성한다. 이것이 바로 당신이 숨을 쉬어야 하는 정확한 이유다. 몸에서 산소의 유일하게 필수적인 역할은 이 사슬의 맨 아래에 자리 잡고 전자를 받아들여, 이 전체 조립 라인이 계속 돌아가도록 유지하는 것이다.

점수 정직하게 합산하기

그렇다면 포도당 분자 하나는 결국 얼마만큼의 에너지를 만들어낼까? 오래된 교과서들은 흔히 36 또는 38 ATP라는 깔끔한 수치를 인용했지만, 정직하고 현대적인 계산은 호기성 조건에서 포도당 하나당 대략 30에서 32 ATP로 본다. 양성자 기울기의 일부가 새어 나가고, 전자를 미토콘드리아 안으로 실어 나르는 데 그 나름의 작은 비용이 들기 때문이다. 그 총량 중에서 해당과정이 약 2를, 크렙스 회로가 약 2를 기여하고, 전자 전달 단계인 산화적 인산화 과정이 나머지 26에서 28을 기여한다. 그 숫자들이 주는 교훈은 분명하다. 처음 두 단계는 그 모든 화학적 드라마에도 불구하고 에너지의 아주 작은 조각만을 만들어낸다. 압도적인 대부분은 내막 위에서 회전하는 모터가 생산하며, 바로 그렇기 때문에 산소와 미토콘드리아가 그토록 중요한 것이다.

여기서 많은 학생들을 걸려 넘어지게 하는 혼동 하나를 짚고 넘어갈 만하다. 호흡이라는 단어에는 서로 다른 두 가지 의미가 있다. 숨쉬기는 폐로 공기를 들이고 내보내는 근육의 움직임, 즉 가슴이 오르내리는 것이다. 세포 호흡은 당신의 미토콘드리아 깊숙한 곳에서 일어나는 포도당의 효소적 연소다. 숨쉬기가 세포 호흡에 필요한 산소를 공급하고 그것이 만들어내는 이산화탄소를 제거하기 때문에 둘은 연결되어 있지만, 둘은 같은 것이 아니다. 생물학자가 호흡을 말할 때, 대개 가리키는 것은 바로 이 분자 수준의 과정이다.

산소가 떨어지면 무슨 일이 벌어질까

전자 전달 사슬 전체가 최종 수용체로서의 산소에 의존하기 때문에, 산소를 제거하면 호기성 기계 장치 전체가 멈춰 선다. 크렙스 회로는 정지하고, ATP 합성효소는 회전을 멈추며, 세포는 자신의 에너지 공급량 대부분에 접근하지 못하게 된다. 그러나 세포질 속 그 오래된 경로인 해당과정은 계속 돌아가며 포도당 하나당 2 ATP를 짜낼 수 있는데, 단 세포가 해당과정이 원료로 필요로 하는 NAD⁺라는 분자를 계속 재생할 수 있는 경우에 한해서다.

발효가 바로 이 일을 정확히 해내는 묘책이다. 전자가 갈 곳이 달리 없으므로, 세포는 전자를 다시 피루브산에 넘겨주어, 해당과정이 계속되기 위해 반드시 필요한 NAD⁺를 풀어준다. 격렬한 단거리 질주 중 폐가 산소를 충분히 빨리 공급하지 못할 때, 당신의 근육에서는 이 과정이 젖산을 만들어내는데, 이것이 그 타는 듯한 피로감과 관련된 축적물이다. 효모에서는 동일한 비상 조치가 대신 에탄올과 이산화탄소를 만들어내는데, 이것이 양조와 제빵의 화학적 기초 전부다. 빵 속의 거품과 맥주 속의 알코올은 둘 다 산소 없이 조용히 해당과정을 돌리고 있는 효모 세포다.

하나의 도해 뒤에 숨은 일곱 개의 노벨상

어느 생물학 교과서에나 실려 있는 세포 호흡의 깔끔한 도해는 거의 한 세기에 걸친 고된 작업과 대략 일곱 개의 노벨상 위에 놓여 있다. 그 이야기는 루이 파스퇴르의 19세기 발효 연구에서 시작해 1930년대 크렙스와 그의 비둘기 근육을 거쳐, 1994년 존 워커가 ATP 합성효소의 원자 분해능 결정 구조를 밝혀 마침내 과학자들이 그 분자 모터가 돌아가는 모습을 볼 수 있게 한 데까지 이어진다. 그 역사의 한 장은 과학이 실제로 어떻게 작동하는지에 대해 특히 많은 것을 가르쳐준다. 1961년 피터 미첼은 ATP 합성이 막을 사이에 둔 양성자 기울기에 결합되어 있다는 제안, 즉 위에서 설명한 화학삼투 개념을 Nature에 발표했다. 학계 대부분은 그것이 기이하고 직관에 어긋난다고 여겨 거의 십 년 동안 이를 거부했다. 그러나 1978년에 이르러 증거가 너무도 압도적으로 쌓여, 미첼은 단독 수상자로 노벨 화학상을 받았는데, 이는 한때 거의 이단처럼 보였던 한 개념의 정당성이 입증된 사건이었다. 세포가 어떻게 에너지를 만드는지에 관한 현대의 그림은 완성된 채로 전해 내려온 것이 아니라, 여러 세대에 걸쳐 논쟁을 통해 존재하게 된 것이다.

핵심 요약

세포 호흡은 포도당을 통제된 세 단계를 거쳐 이산화탄소와 물로 연소시키는 과정으로, 포도당 분자 하나당 대략 30에서 32 ATP를 만들어낸다. 이는 탄소 여섯 개짜리 당을 산소 없이 세포질에서 두 개의 피루브산으로 쪼개는 해당과정으로 시작하고, 피루브산을 보편적 연료 입구인 아세틸-CoA로 전환하는 다리 단계를 거친 뒤, 미토콘드리아 기질에서 여덟 단계의 크렙스 회로를 돌리는데 여기서 한 바퀴 돌 때마다 이산화탄소 분자 두 개가 방출되고 전자 운반체 NADH와 FADH₂가 가득 채워지며, 마지막으로 미토콘드리아 내막에서 전자 전달로 마무리되는데, 그 운반체들이 네 개의 단백질 복합체 사슬을 따라 전자를 흘려보내며 양성자를 퍼 올려 기울기를 만들고, ATP 합성효소가 화학삼투를 통해 그 기울기를 활용해 세포 ATP의 대부분을 제조하며, 이때 산소가 없어서는 안 될 최종 전자 수용체 역할을 한다. 에너지의 가장 큰 몫은 처음 두 단계가 아니라 이 마지막 산화 단계에서 나오며, 바로 그렇기에 우리가 애초에 숨을 쉬는 것이다. 산소가 없을 때는 발효가 해당과정을 홀로 절뚝거리며 이어가게 해, 근육에서는 젖산을, 효모에서는 에탄올을 만들어낸다. 그리고 흔히 단순한 숨쉬기와 혼동되는 이 모든 교과서 속 그림은, 한때 거부당했던 미첼의 화학삼투 가설과 대략 일곱 개의 노벨상으로 정점을 이룬 한 세기에 걸친 작업을 통해 짜 맞춰진 것이다.