정답 및 출제 의도
정답은
4번 ATP입니다. 이 문제는 세포막을 가로지르는 이온 수송의 능동수송 기전, 특히
나트륨-칼륨 펌프(Na⁺/K⁺-ATPase)가 사용하는 직접적인 에너지원을 묻는 문항입니다. 작업치료학에서 신경계 질환, 근수축, 부종, 전해질 불균형 등 다양한 임상 상황을 이해하기 위한 기초 생리학 개념으로 출제됩니다.
나트륨-칼륨 펌프의 작동 원리
나트륨-칼륨 펌프는 모든 동물 세포의 원형질막에 존재하는 막관통 단백질입니다. 이 펌프는
ATP 가수분해(ATP hydrolysis) 에너지를 사용하여 세포질에서 세포외액으로
3개의 Na⁺를 내보내고, 동시에
2개의 K⁺를 세포 안으로 들여보냅니다
[1]. 이 과정에서 ATP의 말단 인산기(γ-phosphate)가 펌프 단백질의 세포질 도메인에 위치한 보존된 아스파르트산(Asp) 잔기로 전달되는 인산화 과정이 일어나며, 이때 얻은 자유 에너지가 이온 수송에 사용됩니다
[2].
오답 분석: 왜 다른 보기는 직접 에너지원이 될 수 없는가
크레아틴인산(creatine phosphate)은 근육에서 ATP를 빠르게 재합성하기 위한 고에너지 인산 저장 형태입니다. 크레아틴인산이 ADP에 인산기를 전달하여 ATP를 만들 수는 있지만, 나트륨-칼륨 펌프가 직접 사용하는 분자는 ATP입니다.
포도당(glucose)은 해당과정과 산화적 인산화를 거쳐 ATP를 생성하는 연료이지만, 펌프 단백질이 포도당을 직접 분해하여 에너지를 얻지는 않습니다.
젖산(lactate)은 혐기성 해당과정의 최종 산물로 에너지원이 아닙니다.
GTP는 일부 세포 신호전달이나 단백질 합성에서 에너지원으로 쓰이지만, 나트륨-칼륨 펌프는 ATP에 특이적으로 결합하여 가수분해합니다.
임상적 중요성: ATP 소비와 이온 항상성
나트륨-칼륨 펌프는 포유류에서 전체 ATP 소비량의
19–28%를 차지할 정도로 에너지 요구량이 큰 펌프입니다
[3]. 이 펌프가 만드는 Na⁺ 전기화학적 기울기는 신장에서의 영양분 재흡수 등 모든 동물 세포의 2차 능동수송체를 구동하는 에너지원으로 사용됩니다
[1]. 또한 3:2의 화학량론으로 인해 순 전하 이동이 발생하여 전기생성성(electrogenicity)을 가지며, 이는 이온 항상성과 전기적 신호전달의 기초가 됩니다
[4]. 뇌졸중이나 저산소 상태에서 ATP 생성이 감소하면 나트륨-칼륨 펌프 기능이 저하되어 세포 내 Na⁺ 축적과 세포 부종이 발생할 수 있으며, 이는 신경세포 손상으로 이어지는 병태생리적 기전입니다.
참고 문헌 (논문 출처)
- [1]
Electrostatic Interaction as a Key Modulator of Na<sup>+</sup>,K<sup>+</sup>-ATPase Function.일반논문Fairuz S, Li Z, Gorman A, Cornelius F, Clarke RJ. (2026) · DOI: 10.1007/s00232-026-00382-7
- [2]
Multistate Kinetic Model of the Sodium-Potassium ATPase.일반논문Guerra J, Rui H, Roux B. (2025) · DOI: 10.1021/acs.jpcb.5c04069
- [3]
Energetic analysis of Na <sup>+</sup> /K <sup>+</sup> -ATPase using bond graphs일반논문Ai W, Hunter PJ, Pan M, Nickerson DP. (2026) · DOI: 10.64898/2026.04.05.716446
- [4]
The electrogenicity of the Na<sup>+</sup>/K<sup>+</sup>-ATPase poses challenges for computation in highly active spiking cells.일반논문Weerdmeester L, Schleimer JH, Schreiber S. (2025) · DOI: 10.7554/elife.103781