전자가 우리 몸의 에너지가 될 때까지
< 일러스트 OpenAI의 DALLE 제공 >
[위즈덤 아고라 / 김정윤 기자] 방금 점심을 다 먹고 젓가락을 내려놓았다. 그전에는 느끼지 못했던 에너지가 몸에 느껴진다. 섭취한 음식은 운동, 공부, 수면, 또는 대화와 같은 모든 활동을 가능하게 하는 에너지의 원천이 된다. 하지만 이 에너지는 음식 상태 그대로 사용되는 것이 아니다. 세포는 이를 화학적으로 분해하고 변환시켜 실제로 활용 가능한 형태의 에너지로 만든다. 그렇다면 우리의 에너지는 어디에서 오는 것이며, 또 세포는 어떻게 음식에서 에너지를 끌어내 사용하는 것일까? 이 질문의 핵심적인 답은 바로 산화환원 반응에 있다. 산화환원은 쉽게 말해 전자의 상태를 표현하는 개념으로, 산화는 전자를 잃은 상태를 가리키고 환원은 전자를 얻은 상태를 말한다. 산화환원 반응은 세포가 음식을 에너지로 변환시키는 과정에서 중요한 현상이며, 결국 세포는 전자의 이동을 통해 에너지를 만들어낸다. 이번 칼럼에서는 우리 몸 속 에너지의 근원과 전자가 실제 우리 몸의 에너지로 전환되는 과정을 알아보고자 한다.
서론에서 짧게 언급했듯이, 우리 몸의 에너지는 섭취한 음식물에서 곧바로 사용되는 것이 아니다. 에너지는 음식물이 분해되면서 포도당 등 음식물 안에 있던 전자가 이동하는 과정에서 생성된다. 이때 산화환원 반응은 가장 중요한 반응이다. 이 반응은 물질 사이에서 전자를 주고받는 과정으로, 산화(전자 잃음)와 환원(전자 얻음)이 동시에 일어나는 반응이다. 흔히 산화환원 반응이라고 하면 대부분은 ‘산소가 붙거나 떨어지는 반응’, 또는 ‘녹이 슬거나 금속이 변하는 현상’ 등을 떠올릴 것이다. 그러나 산화환원 반응은 철의 부식뿐만 아니라 생화학적 관점에서 음식 부패, 호흡, 에너지 생성 등 훨씬 넓게 쓰이는 개념이다. 이렇게 보았을 때 산화환원 반응은 결국 전자를 주고받는 전자 이동 과정이라고 볼 수 있다. 에너지는 높은 위치에서 낮은 위치로 이동할 때 만들어진다. 그 이유는 에너지가 차이(에너지 기울기)가 있을 때 흐르며, 높은 상태는 불안정하고 낮은 상태는 안정하기 때문에 이동이 일어나기 때문이다. 핵심적인 부분은 전자가 높은 에너지 상태에서 낮은 상태로 이동할 때 에너지가 방출된다는 것이다.
에너지는 전자 이동을 통해 만들어진다. 그렇다면 전자는 도대체 어디에서 나오는 것일까? 근본적으로 전자는 우리가 섭취하는 음식, 특히 포도당과 지방에서 찾을 수 있다. 화학적 결합에서 수소(H)가 많을수록 전자를 많이 가지고 있는데, 수소는 전자 1개를 가진 원자이기 때문에 많이 결합할수록 전체 분자에 전자가 많아지는 경향이 있다. 대표적인 예시로 포도당과 지방은 대부분 탄소(C)-수소(H) 결합으로 이루어져 있고 상대적으로 산소(O)는 적다. 이 때문에 탄소-수소 결합은 전자를 잘 붙잡고 있는 환원된 상태의 결합이라 전자 밀도가 높고, 그 결과 분자들이 전자를 ‘줄 수 있는 상태’, 즉 에너지가 높은 연료가 된다. 반대로 화학식에서 산소(O)의 비율이 많아질수록 분자는 이미 전자를 많이 잃은 산화 상태가 되며, 이 경우 에너지가 낮은 연료가 된다.
이렇게 생성된 전자가 어떻게 축적되는지도 살펴보자. 음식물의 종류에 따라 화학 구조식이 달라지기 때문에 에너지량도 달라지는데, 여러 구조식 중 특히 지방의 에너지량은 탄수화물보다 더 많다. 탄수화물은 이미 산소(O)가 많이 붙어 있어 어느 정도 산화된 상태인 반면, 지방은 대부분 탄소와 수소로 이루어져 있고 산소가 적어 상대적으로 덜 산화된 상태이다. 지방은 수소가 많아 더 많은 전자를 가지고 있기 때문에 산화될 때 더 많은 에너지(ATP)를 방출한다. 이를 요약하면, 수소가 많을수록 분자는 전자가 풍부한 환원 상태가 되고 에너지로 변환할 전자를 많이 저장한다는 것이다. 여기서 언급된 분자는 세포 내에서 처리되는 물질을 의미한다. 우리 몸의 세포는 음식물을 분해해 전자를 꺼내고 이를 축적하여 에너지로 사용할 준비를 한다.
생명 유지란 생물의 지속적인 생화학적 활동이며, 이 모든 과정은 ATP 형태의 에너지에서 비롯된다. 음식물 분해 과정에서 생긴 전자의 이동을 통해 에너지를 만드는 과정을 세포 호흡이라고 한다. ATP는 세포가 전자 이동으로 얻은 에너지를 저장하는 분자로, 근육 움직임과 생화학 반응에 핵심적인 역할을 한다.
호흡은 여러 단계의 생물학적 과정을 거쳐 진행되며, 첫 번째 단계는 해당과정이다. 우리가 먹은 음식이 소화되어 포도당이 되면, 이 포도당이 세포 안으로 들어온다. 이때 해당과정은 포도당 1개를 두 개의 피루브산으로 분해하며 에너지를 얻는 과정이다. 분해된 피루브산은 미토콘드리아에서 여러 단계를 거쳐 ATP 생성에 사용된다. 이 과정에서 일부 전자가 빠져나오는데, 그 전자를 NAD⁺가 받아 NADH로 환원된다. NAD⁺(니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드)는 전자를 에너지로 전환하는 데 필요한 중요한 분자이다. 전자는 세포 안에서 자유롭게 존재하면 위험할 수 있기 때문에, NAD⁺는 전자를 안전하게 운반하는 역할을 한다. 쉽게 말해 NAD⁺는 전자를 목적지까지 운반하는 ‘택시’ 역할을 한다. NAD⁺는 전자가 없는 상태이고, NADH는 전자를 가진 상태이다. 이 둘은 같은 분자이지만 상태만 다르다. NAD⁺는 전자를 받아 NADH로 바뀌며, ‘NAD⁺ + 전자 → NADH’라는 반응으로 표현된다.
세 번째 단계에서는 피루브산이 미토콘드리아로 들어가 더 분해되며, 이 과정에서 전자가 추가로 생성되어 NADH에 저장된다. 이후 NADH는 전자를 미토콘드리아 막에 있는 단백질들에 전달한다. 전자는 이 단백질들을 따라 이동하며 에너지를 단계적으로 방출한다. 네 번째 단계에서는 이 에너지를 이용해 수소 이온을 한쪽으로 이동시켜 농도와 전하 차이를 만든다. 마지막 다섯 번째 단계에서는 ATP가 생성된다. 한쪽에 축적된 수소 이온은 ATP 합성효소(ATP synthase)를 통해 이동하며, 이때 발생하는 에너지가 ATP로 전환된다. 세포는 이러한 과정을 통해 전자를 단계적으로 이동시키며 에너지를 효율적으로 생산한다.
세포는 이처럼 전자의 이동을 조절하여 에너지를 생성하지만, 이러한 과정이 항상 안정적으로 유지되는 것은 아니다. 세포 내에서는 산화와 환원의 균형이 매우 중요한데, 이 균형이 깨질 경우 세포 손상으로 이어질 수 있다. 산화가 과도하게 일어나면 전자를 잃은 분자들이 불안정해져 다른 분자들로부터 전자를 빼앗으려는 성질을 띠게 된다. 이러한 반응이 반복되면 DNA와 단백질 등 중요한 분자들이 손상될 수 있다.
대표적인 예로 활성산소(ROS)가 있다. 활성산소는 에너지 생성 과정이나 면역 반응 과정에서 생성되며, 전자가 부족해 반응성이 매우 높다. 이로 인해 DNA 손상이나 돌연변이를 유발할 수 있다. 이러한 상태를 산화 스트레스라고 하며, 단백질 구조 변화와 기능 손실로 이어질 수 있다. DNA 손상은 특히 치명적이며, 축적될 경우 노화와 암, 고혈압, 당뇨 등의 질병으로 이어질 수 있다.
결론적으로 산화환원 반응은 우리 몸이 에너지를 생성하는 데 핵심적인 역할을 한다. 이 반응은 음식에서 얻은 전자를 이동시켜 ATP라는 형태의 에너지로 전환한다. NAD⁺와 전자전달계는 전자를 안전하게 운반하고, 에너지 기울기를 형성하여 ATP 생성을 가능하게 한다. 이러한 과정은 단순한 화학 반응을 넘어 생명 유지의 근본 원리이며, 우리는 이를 통해 생명이 전자의 흐름으로 설명될 수 있음을 알 수 있다.
[위즈덤 네이처] 바이오화학으로도 알려진 생화학은 살아있는 생물체 내부의 생리학적 현상과 화학 반응을 연구하는 학문입니다. 단백질, 효소, 유전자(DNA), 대사 과정 등 여러 분야로 나뉘어 있으며 세포 내 반응과 화학적 메커니즘을 탐구합니다. 생물체의 생화학적 반응을 분석함으로써 생물의 특정 기능이 “어떻게 작동하는가”에 초점을 둡니다. 또한, 생화학은 질병 이해, 신약 개발, 맞춤 의학 기술에도 큰 역할을 합니다. 위즈덤 아고라 김정윤 기자의 ‘위즈덤 네이처’와 함께, 생화학의 최신 연구 동향을 탐구하고 바이오화학과 관련된 사회·윤리적 쟁점도 함께 생각해보세요.
