생물공학, 생물학, 기사, 공무원 시험 등 생물학 요점 정리 6강. 생화학경로 : 세포호흡

6강. 생화학경로 : 세포호흡

 

생물계에서 에너지의 흐름과 화학적 순환
▷ 모든 저장된 에너지의 근원은 태양이다.
- 사람과 동물은 태양 에너지를 이용하여 당과 다른 유기분자 에너지로 전환하는
식물에 의존한다.
- 광합성은 동물 뿐만 아니라 본질적으로 생물권 전체에 중요 에너지 합성반응이다.
▷  광합성(photosynthesis)
- 태양 ; 엄청난 양의 에너지를 방출하는 발전소로서 가시광선을 포함하여 빛 에너
지가 지구에 도달하게 된다.
- 지구에 도달하는 비교적 적은 양의 빛 에너지로 생명체에 에너지가 공급된다.
- 광합성 ; 빛 에너지를 사용하여 화학적 과정을 통해 이산화탄소와 물로부터 유기
분자를 합성하는 과정이다.

 

▷  독립영양생물
- 무기 영양분으로부터 자신이 필요한 모든 유기물(탄수화물, 지방, 단백질, 핵산
등)을 스스로 만들어내는 생물이다.
- 유기분자(당)합성을 위해 공기에 존재하는 이산화탄소, 토양으로부터 물, 기타 광
물질 등의 무기물과 태양빛으로부터 에너지를 사용하여 유기분자를 만들어 낸다.
- ATP 합성을위해 유기분자의 에너지를 사용한다
▷ 종속영양생물
- 무기분자로부터 유기분자를 만들지 못하고, 독립영양생물로부터 유기분자를 얻
는다.
- ATP 합성을위해 유기분자의 에너지를 사용한다
▷  독립영양생물은 광합성 과정을 통해 빛 에너지를 사용하여 유기분자를 합성하며,
모든 생물은 세포호흡 과정을 통해 유기분자로부터 에너지를 수집하여 ATP 합성
에 사용한다.

 

▷  생물체에서 생산자와 소비자
- 대부분의 생태계에서 필요한 먹이는 광합성에 전적으로 의존한다.
- 생산자; 독립영양생물, 식물을 포함하여 다른 광합성 생물체(광합성 세균 등)
- 소비자; 종속영양생물, 식물이나 식물을 포식하는 생물로부터 음식물을 획
득한다.
- 인간 역시 종속영양생물로서 다른 생물체로부터 에너지원이나 세포나 조직
구성을 위한 원료가 되는 유기분자를 획득하기 위해 음식물을 섭취한다.

광합성과 세포호흡간의 화학적 순환
▷  광합성의 구성요소는 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)와 태양에너지이다.
- 엽록체는 이러한 무기 구성요소의 원자들을 흡수하여 태양빛 에너지를 이용하여
원자 재배열이 이루어져 당이나 다른 유기물질을 생산한다.
- 식물은 광합성을 통해 포도당을 주 생산물, 산소를 부산물로 내어 놓는다.
▷  동물은 세포호흡이라는 화학적 과정을 거쳐 에너지를 추출한다.
- 동물은 식물과 같은 생산자로부터 유기분자를 얻고, 식물은 광합성 외에도 생산한
유기물을 이용하여 에너지를 확보할 수 있다.
▷  세포호흡 ; 산소와 함께 당과 같은 유기분자를 분해하여 에너지(ATP)를 추출한다.
- 세포는 ATP를 에너지원으로 요구하며, ATP 생산은 주로 미토콘드리아라고 불리
는 세포 내 소기관에서 일어난다.
▷  동물과 식물 모두 세포호흡을 수행하는 미토콘드리아를 가지고 있지만 유기물을
만들어내는 광합성을 수행하는 엽록체는 식물에만 존재한다.

에너지 전환을 필요로 하는 생화학 경로

세포 호흡: 음식물 에너지의 유산소 추출
▷ 세포 호흡 ; 살아있는 “내부연소”과정
- 음식물로부터 화학에너지를 획득하여 이것을 ATP 에너지로 변환하는 주된 방법
이다.
- 세포 호흡에는 산소가 필요하여 유산소(aerobic) 과정이라고도 한다.
- 유기 연료분자로부터 화학에너지를 유산소적으로 획득하는 과정을 세포 호흡이
라 할 수 있다.
▷  세포호흡; 숨쉬기에 의해 전달된 기체 상태의 산소를 세포 내로 받아들여 사용하
여 에너지를 생산하고, 노폐물인 이산화탄소는 세포 밖으로 내보내면 숨쉬기 의
해 체외로 나간다.

 

호기성 세포호흡
▷  효소에 의해 조절되는 특수한 일련의 화학반응
- 포도당이 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 분해되어 포도당 분자의 화학결합 에너
지가 ATP로 전환되는 과정에 산소가 요구된다.
- 포도당의 공유결합에 화학적 위치에너지를 가지고 있어 전자가 제거되면,
① 전자의 에너지는 궁극적으로 ADP 분자를 인산화시켜 고 에너지 ATP 분자를 만
든다.
② 수소 이온(양성자)이 떨어져 나와 막을 가로질러 빠져나가 전위차가 형성되고 ,
수소 이온이 단순확산에 의해 막 내부로 들어올 때 발생되는 전위차 에너지가
ATP를 생성하는데 사용된다.
▷  ATP 생성에 에너지를 사용된 전자는 산소와 결합하여 음전하를 띤 이온(O=)이 되
고 수소 이온과 결합하여 물 분자를 형성한다.
▷  포도당 분자로부터 모든 수소가 떨어져 나가면 나머지 탄소와 산소를 재배열되어
이산화탄소를 형성한다.

 

해당과정
▷  식물, 동물, 세균에 공통으로 존재하며, 산소성, 무산소성
조건 모두에서 일어난다.
▷  해당과정은 당을 분해하는 과정으로 6탄당인 포도당을
절반으로 깨뜨려 2개의 3탄당 분자를 형성한다.
- 3탄당의 분자는 고에너지 전자를 전자 운반체인 NAD+에
제공한다.
- 해당과정에서 효소가 유기분자의 인산그룹을 ADP에 전
달하여 약간의 ATP를 직접적으로 생산할 수 있도록 한다.
▷  포도당 산화 → 에너지 → ATP 형성
- 한 개의 포도당에서 4개의 ATP 생산되지만 2개의 ATP는
초기 반응에서 소모되어 최종적으로 2개의 ATP 생산
- 산화단계 : 2H + NAD+ → NADH + H+

▷  해당과정에서 마지막에 포도당으로부터 쪼개어진 2개의 피루브산 분자가 남게
되는데, 이 2개의 분자는 포도당 한 개 분자가 가진 대부분의 에너지를 보유한다.
▷  피루브산에 존재하는 에너지는 크랩스 회로를 통하여 수확하게 된다.
▷  기질수준의 인산화는 포도당과 같은 세포 연료의 화학결합으로부터 ATP가 직접
생성되는 것이다. 이것은 흔히 일어나는 메카니즘이지만 화학삼투적 인산화보다
훨씬 적은 ATP를 생성한다.

크랩스회로(TCA회로)

▷  해당과정을 마친 피루브산은 크랩스 회로에서 바로 사용할 수 없어 형태전환이
요구된다.
▷  크랩스 회로에서 사용되는 형태는 피루브산에서 하나의 탄소분자가 떨어져나
간 형태인 아세트산이라는 2탄소 화합물이다. 이것은 Acetyl-CoA형태로 크랩스
회로에 들어간다.
▷  Acetyl-CoA는 아세트산에 보효소A가 결합하여 만들어진 형태이다.

▷  크랩스 회로는 아세트산 2분자(포도당 1분자당)를 최종적으로 CO2로 깨트려 당
에너지 추출을 마무리 한다.
▷  크랩스 회로에서는 직접적으로 기질수준의 인산화 과정을 통해 ATP를 생산하기
도 하고, 훨씬 더 많은 에너지 운반하는 NADH와 FADH2에 전자를 주어 크랩스
회로 이후 전자전달계에서 ATP를 만들게 된다.
▷  피루브산의 분해되어 CO2로 방출
▷  1분자의 피부르산이 대사할때 충분한 에너지가 방출된다
- 1개의 ATP 생산하며, 4 NAD+ 을 4 NADH로 1 FAD을 1 FADH2 로 환원시킨다.
▷  미토콘드리아 기질에서 일어난다

TCA cycle에서 ATP 생산
▷  NADH 와 FADH2 는 해당과 크렙스회로 중 받은 전자를 전자수송사슬(ETC)에 방
출한다.
▷  ETC 의 단백질은 전자를 전달하고 방출된 에너지를 이용하여 양성자를 펌프한다.
- 양성자는 기질로부터 막사이 공간으로 펌프한다.
- 농도 기울기를 형성한다

전자전달계
▷  세포호흡의 마지막 단계는 전자전달계와 화학삼투적 인산화 반응에 의한 ATP의
합성이다.
▷  화학삼투적 인산화는 미토콘드리아 내막에 배치된 막단백질에 의해 NADH로부
터 떨어져 나온 전자가 최종 전자 수용체인 산소(O2)에 결합한다.
- 산소분자 속의 산소원자는 주위 용액 속에 존재하는 두 개의 H+와 두개의 전자가
결합하여 세포호흡의 마지막 생성물인 물(H2O)를 만들어 낸다.
▷  축적한 양성자는 ATP 생성효소를 통해 기질로 확산되며, 이때 방출된 에너지는
ATP 형성에 쓰인다.

▷  미토콘드리아 내막에는 3개의 단백질복합체가 배열되어 있으며, 대부분 전자전
달자로 구성되어 있으며 전자가 전달되는 동안 양성자(H+)가 미토콘드리아 막
밖으로 이동하였다가 양성자의 농도구배 막 전위로 형성되는 양성자 동력에 의
해 미토콘드리아 내막 안으로 양성자가 확산되어 들어올 때 ATP가 합성된다.

NADH와 전자전달 연쇄반응
▷  NAD+(nicotinamide adenine dinucleotide); 세포에 존재하는 중요한 조효소로 많은
기질과 탈수소 효소로부터 수소를 받아 NADH를 형성하는 수소수용체로서 분자
식은 C21H28N7O14P2이다.
- NAD+ 는 NAD의 산화형태이고 NADH는 NAD의 환원형태이다.
- NADH 탈수소효소에 의해 수소이탈이 되어 NAD+이 된다.
▷  전자전달계 ; 해당 과정과 TCA회로에서 이탈된 수소가 전자전달계로 운반되어 ATP가 생성되는 과정이다.
▷  해당 과정과 TCA회로에서 이탈된 전자와 수소가 NADH와 FADH2의 형태로 전자전달효소를 거치면서 산화·환원 과정을 통해 ATP가 생성되는 과정이다.
NADH와 FADH2에서 이탈된 전자와 수소이온(H+)이 최종적으로 O2에 수용되어 물(H2O)이 생성된다. 이때 1분자의 NADH로부터 3ATP가, 1분자의 FADH2로부터 2ATP가 생성된다.

 

▷  미토콘드리아의 내막에 있는 전자전달계는 여러 가지 효소의 복합체로 구성되
어 있으며, 전자전달계에서 방출된 에너지는 기질에서 막간공간(intermembrane
space, 미토콘드리아 내막과 외막 사이의 공간)으로 수소이온을 능동수송 기작으
로 퍼내는 데 사용된다.
▷  전자전달계에서 능동수송으로 수소이온을 막간공간으로 퍼내기 때문에 막간공
간의 수소이온농도가 높아져서 막간공간과 기질 사이에 농도구배가 발생하게
된다.
▷ 농도구배로 인하여 막간공간에서 기질로 수소이온이 이동하려고 하는데, 이때
수소이온이 이동하는 통로가 ATP 생성 효소 복합체(ATP synthase complex)이다.
▷   수소이온이 ATP 생성 효소를 통과할 때 ADP와 무기인산(Pi)에서 ATP가 만들어
진다. 미토콘드리아에서의 이러한 현상을 화학삼투라고 부르며 촉진확산의 한 예이다.

 

세포호흡의 요약

포도당 한 분자당 호기성 세포호흡으로 생산된 ATP 수
 해당과정
- 2 ATP + 2 NADH (진핵세포에서, 2 FADH2 로 전환)
 크렙스 회로
- 2 ATP + 8 NADH + 2 FADH
2
 전자 수송 사슬
- 각 NADH 분자는 3 ATP을 생산(8 NADH x 3 ATP = 24 ATP)
- 각 FADH2 분자는 2 ATP을 생산(4 FADH2 x 2 ATP = 8 ATP)
 전체 ATP = 2 + 2 + 24 + 8 = 한 분자 포도당의 대사로부터 36개의 ATP가 생산.

 

원핵생물에서 호기성 호흡
 진핵생물의 호기성 호흡과 매우 유사하다
 원핵생물은 미토콘드리아를 갖고있지 않기 때문에 호흡은 모두 세포질에서 일어
난다 .
 해당으로부터 NADH가 FADH2 로 전환되지 않기 때문에 ATP를 2개더 생산한다.

“타는 듯한” 느낌?!
 운동할 때 근육은 일을 하기 위한 에너지가 요구된다.
- 근육세포는 포도당으로부터 에너지를 만들어 내기 위해 산소를 사용하며, 계속적
인 운동을 유지하기 위해서는 지속적인 산소 공급이 요구된다.
 유산소 반응 ; 세포의 에너지 요구를 뒷받침하기에 충분한 산소가 세포에 도달하
는 대사과정으로 근육이 힘든 일을 하면 빠르고 깊은 호흡으로 산소를 흡입하여
유산소 상태에서 운동을 지속할 수 있다.
 무산소 상태 ; 유산소 용량을 넘어서서 근육에서 요구되는 산소 운반능력이 뒷받
침 되지 않는 경우의 대사상태이다.
- 무산소 상태에서는 비효율적 에너지 생성이 이루어지며, 포도당 분해와 더불어
부산물인 젖산(Lactic Acid)이 축적되어 근육 피로를 가중시킨다.
- 무산소 상태에서 운동은 몇 십 초도 지속할 수 없게 되어 결국 체력의 한계를 느끼게 된다
 너무 많은 젖산이 축적되면 근육의 기능이 중단될 수 있다.

 

혐기성 세포 호흡
 어떤 생물은 크렙스회로 또는 전자수송계에 사용되는 효소들은 갖고 있지 않다.
 어떤 생물은 산소없이 포도당을 대사할 수 있다.
 산소 없이 포도당을 대사하는 것을 혐기성호흡이라 한다.
- 포도당의 불완전한 산화
- 발효는 유기분자를 최종전자수용체로 사용하는 혐기성 경로이다.
 혐기성 호흡을 해당으로부터 시작한다.
- 포도당은 피루브산으로 대사한다.
- 2 ATP 가 합성된다.
 발효반응은 해당에 필요한 NAD+ 재생을 위해 NADH 을 산화한다.
- 해당 과정에서 피루브산은 젖산, 에탄올 또는 다른 유기분자로 환원된다.

 

무기호흡과정(무산소); 젖산 발효
 젖산발효 (포도당에서 젖산의 생성, 근육세포를 비롯한 여러 세포에서 일어남)
- 해당과정에서 에탄올 대신 젖산이 생성되며, 피루브산 유래의 모든 탄소원을 가지
고 있어 이산화탄소는 생성되지 않는다.
- 산소공급이 충분하지 못한 경우 근육세포에서 젖산발효에 의해 ATP가 생성되지
만 젖산의 축적은 근육피로의 원인이 되어 통증을 가져온다.
- 젖산은 혈액을 통해 간으로 운반된 후 다시 피루브산으로 전환된다.

 

무기호흡과정(무산소); 알코올 발효

 알코올 발효 (포도당에서 에탄올 생성)
- 해당과정만으로 ATP를 생산하기 위해서는 NAD+가 보충되어야 한다.
- 효모나 세균은 피루브산을 이산화탄소와 에탄올로 변화시키는 알코올 발효가 진
행되면서 NADH는 NAD+로 전환되어 해당과정에서 ATP를 생성할 수 있게 한다.
- 에탄올은 에너지가 높은 물질로서 세포 밖으로 노폐물로 내어 놓지만 그 농도가
너무 높아지면 효모는 죽게 된다.

지질호흡

 중성지질(triglyceride) ; 글리세롤 1분자에 지방산 3분자가 결합한 고분자
 지질로부터 에너지를 확보하기 위해 소화과정을 거쳐 작은 소단위인 글리세롤과
지방산으로 분해하여야 한다.
1) 글리세롤과 지방산 사이의 결합을 끊으면 글릴세롤은 3-탄소 글리세르알데히드
-3-인산으로 전환되어, 이것이 해당과정의 한 단계에 포함되므로 해당과정으로
들어갈 수 있다.
2) 나머지 지방산은 14-탄소에서 20-탄소를 가지는 긴 분자이기 때문에 몇 단계를
더 거쳐야 한다. 먼저 긴 사슬 분자가 미토콘드리아로 들어가 2-탄소 조각으로 가
수분해되어 각 2-탄소 조각이 아세틸로 전환되어 조효소 A에 의해 그렙스 회로로
들어간다. 이후에는 포도당에서 비롯된 아세틸과 동일한 과정을 거친다.

 

 지질 분자는 포도당보다 몇 배나 많은 ATP를 생산할 수 있다.
 지질은 장기간 에너지를 저장하는 물질로 이용될 수 있으며, 체중을 줄이기 위한
지방을 제거하는데 오랜 시간이 걸리게 된다.
 우리 몸은 지질과 탄수화물을 서로 전환시킬 수 있기 때문에 필요이상의 탄수화물
섭취는 지질을 축적하고, 오래 굶은 사람은 지방을 분해하여 글리세롤로부터 포도당을 만들 수 있다.

 

단백질 호흡

 단백질이 분해되어 지질이나 탄수화물처럼 서로 전환될 수 있다.
 단백질을 에너지원으로 이용하기 위해서 먼저 단백질을 아미노산으로 분해한다.
 각 아미노산에서 아미노기를 제거하는 탈아미노반응을 통해 질소가 없는 탄소골
격 성분은 케토산으로 전환되며, 아세틸이나 피루브산, 또는 크렙스 회로에 들어
갈 수 있는 다른 분자 형태로 전환되어 호흡회로로 들어간다.
 크렙스회로를 거치는 동안 제거되는 전자는 전자전달계로 보내져 ATP로 전환되
고, 아미노산에서 제거된 아미노기는 암모니아로 전환되어 배출된다.
 단백질은 섭취되어 아미노산으로 분해되어 다른 단백질을 구성하는데 쓰일 수 있
으나, 단백질 자체로는 저장성을 가지지 않는다.
 단백질이나 아미노산은 당장 필요하지 않으면 지질이나 탄수화물로 전환되거나
에너지 대사에 활용된다.
 식품에서 일정기간 이상 단백질 공급이 이루어지지 않으면, 세포 구성성분 중의
단백질을 분해하여 아미노산을 공급하는데 사용한다. 따라서 아미노산은 매일 섭
취해야 하는 중요한 식량원이다.
 해당과 크렙스회로는 분자들의 상호교환을 가능하게 하여 탄수화물, 지방과 단백
질은 에너지 생산을 위해 이용될 수 있다.
 생물이 필요한 모든 단백질들을 갖고 있으면 탄수화물의 저장은 가득 차고, 나머
지는 지방으로 전환되어 저장된다.

지질, 탄수화물, 단백질의 상호전환