제제 66 장장

세포의 에너지 생성세포의 에너지 생성

칠면조의 빠른 근육섬유와 느린 근육섬유

세포호흡이란 무엇인가세포호흡이란 무엇인가

6.1 우리 몸의 세포는 숨쉬기를 통해 산소를 공급받고 이산화탄소를 제거 한다

호흡이란 공기를 들이 마시는 과정을 의미하지만 , 생물학적인 호흡이란 산소가 유기물의 전자를 수용하는 전 과정을 말한다 .외호흡 : 산소가 환경에서 동물의 허파에 까지 도달하는 과정 보통 말하는 숨쉬기내호흡 : 허파에 도달한 산소가 조직세포에 까지 운반되는 과정세포호흡 : 세포 속에서 산소가 산화환원반응에 참여하는 과정생물학적인 의미의 호흡 : 세포 내에서 일어나는 산화환원 그 자체를 말한다 .

그림 6.1 숨쉬기와 세포호흡의 연관성

6.2 세포호흡에 의해 만들어진 에너지는 ATP 형태로 저장된다

그림 6.2A 세포호흡의 화학반응

그림 6.2B 세포호흡의 효율 ( 자동차 엔진과의 비교 )

6.3 사람의 모든 활동에는 ATP 에서 얻은 에너 지가 사용된다

에너지 방출과 저장의 기본 기작

6.4 유기물에서 산소로 전자가 이동하는 동안 에너지가 생성된다

세포는 어떻게 유기물 연료에서 에너지를 얻어낼까 ?세포호흡에서는 포도당을 단계적으로 분해하여 새로운 전자배열을 갖는 분자가 되는 과정이 일어난다 . 이때 이전의 전자배열이 끊어지며 새로운 전자배열을 가진 분자가 만들어지면서 전자가 가지고 있던 에너지를 세포가 얻는다 . 즉 전자는 높은 에너지 상태에서 존 더 낮은 에너지 상태로 이도와면서 일부 에너지를 방출하므로 이렇게 전자가 방출하는 에너지의 일부를 세포가 ATP 에 저장하는 것이다 .

그림 6.4 세포호흡하는 동안 이동하는 수소와 전자의 흐름

6.5 NAD+ 와 같은 수소전달자가 산화환원반응에서 전자를 주고 받는다

산화환원반응 (oxidation-reduction reaction, redox reaction)산화 : 전자를 잃는 반응환원 : 전자를 얻는 반응

그림 6.5 동시에 짝지어 일어나는 산화환원반응

산화환원 반응 - 산화와 환원 산화환원 반응 (redox reaction) : 전자의 이동에 의한 현상 산화되면 전자를 잃게 되고 , 이 전자는 다른 분자에 결합하여 분자를

환원 시킴 산화 (oxidation) : 기질로부터 전자 또는 수소를 제거하는 것 환원 (reduction) : 기질에 전자 또는 수소를 첨가하는 것 산화제 (oxidizing agent) : 전자의 수용체 ex) 염소 : 표백제 , 소독약 ( 얼룩이나 박테리아로부터 전자제거 ) 환원제 (reducing agent) : 전자 공여체

산화 : 어떤 물질이 산소와 결합하는 과정 2H2 + O2 --- 2H2O 수소는 전자를 방출하여 산화되고 산소는 전자를 취하여 환원된다 . 그러나 산소가 존재하지 않으면서 전자를 방출하여 산화될 수도 있다 . 산화 Fe2+ Fe3+ + e-

환원 전자 공여체 (electrone doner) Fe2+ 는 Fe3+ 로 산화되고 전자 수용체 (electrone acceptor) Fe3+ 는 Fe2+ 로 환원

생체 내에서의 산화환원은 전자의 전달 뿐만 아니라 수소이온 전달도 일어나게 된다 .

숙신산이 푸마르산으로 산화될 때 COOH COOH CH2 CH + 2(H+ + e-) CH2 CH COOH COOH ( 숙신산 ) ( 푸마르산 )

두 개의 수소이온과 두개의 전자가 떨어져 나간다 . 여기에서 숙신산 처럼 수소이온과 전자를 잃어버리고 산화되는 물질을 수소공여체 (hydrogen donor) 라 하고 수소이온과 전자를 받아서 자신은 환원되는 물질을 수소수용체 (hydrogen acceptor) 라 한다 .

따라서 산화란 물질이 산소와 결합하거나 , 물질에서 수소가 이탈하는 것을 말하는데 , 경우에 따라서는 전자의 이동으로서 설명할 수 있다 .

H2B + A ------- B + H2A 수소공여체 수소수용체 산화형 환원형 수소수용체 수소공여체

따라서 생체 내에서 산화환원반응이 동시에 일어난다 .

자연에서의 유기물의 산화와생체 내에서의 산화는 무엇이 다른가 ?

일반적으로 유기물이 산화하면 많은 양의 에너지가 일시적으로 방출된다 . 그러나 생체 내에서는 기질이 점진적으로 산화할 뿐만 아니라 에너지의 방출도 점진적으로 즉 , 단계적으로 일어나면서 일부 에너지는 ATP 의형태로고정된다 .

조효소의 작용 에너지 전달 과정에서 결정적 역할 → 전자와 양성자를 일시적으로

수용했다가 다른 분자 로 보낸다( 전자공여체와 수용체의 에너지 상태를 변화시키기 때문에 전자운반자(electron carrier) 로 간주됨 )

NAD+ 와 NADP+ 는 두 개의 전자를 받을 수 있음 → 하나는 주위에서 양성자 (H+) 를 끌어 당기고 나머지 하나는 양전하를 중화시킴 기질 + NAD+ (NADP+ ) -> 산화된 기질 + NADH (HADPH) + H+ FAD 는 NAD, NADP 와는 달리 두 개의 전자와 양성자를 즉시 받아들임 →FAD 의 환원형은 FADH2 로 표기

6.6 산화환원반응에 의해 전자가 수소전달 자로부터 산소로 이동될 때 에너지가 방출된다

그림 6.6A 세포호흡을 하는 동안 전자는 단계적으로 적은 양의 에너지를 방출하고 최종적으로 산소를 환원시킨다

그림 6.6B 폭발이 일어날 때 산소는 한 순간에 환원된다

6.7 ATP 가 만들어지는 두 가지 방법

ATP 는 ADP 에 인산기를 붙여주는 인산화작용에 의해 만들어지는데 , 인산화 방법에는 화학삼투적 인산화 (chemiosmotic phosphorylation) 와 기질수준 인산화 (substrate level phosphorylation) 가 있다 .

그림 6.7A 화학삼투적 인산화 그림 6.7B 기질수준 인산화

세포호흡 과정과 발효

6.8 개요 : 호흡 과정은 세 가지 주요 단계로 나뉜다

해당과정 (glycolysis), 크렙스회로 (krebs cycle), 전자전달계 (electron transport system)

그림 6.8 세포호흡의 개요

호 흡 (Respiration)

생물체가 산소 분자에 의한 유기물의 산화를 행하여 에너지를 얻는 과정

독립영양 생물에 의해 만들어진 탄수화물는 생명체가 직접 필요로 하는 에너지가 되지 못하고 에너지원으로 제공된다 .

호흡은 에너지원인 호흡기질로부터 자유에너지를 방출 하여 생물의 생활이나 생장과 발달에 쉽게 이용될 수 있는 ATP 를 생성하는 과정이다 .

이 과정은 탄수화물이 일차적으로 가수분해가 된 포도당이 해당 , 트리카르복실산회로 (tricarboxylic acid cycle, TCA cycle) 및 전자전달계의 단계를 거쳐 H2O 와 CO2 로 산화되는 반응이며 , 광합성의 역반응 이기도 하다 .

세포의 연료 분자들 중 포도당의 생성 반응과 분해 반응을 비교해 보자

생성 : (광합성 ) 6CO2 + 6H2O + 에너지 → C6H12O6 + 6O2 △G = +686 kcal / mole

분해 : ( 호 흡 ) C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H20 + 에너지 △G = -686 kcal / mole

6.9 해당과정은 포도당을 산화하여 피루브산으로 전환하는 동안 화학

에너지를 수집하는 과정이다

당을 쪼개는 과정 , 세포질에서 일어나는 호흡의 예비단계로 산소를 필요로 하

지 않는다 .

기질은 녹말과 글리코겐과 같은 탄수화물이 아밀라아제 등 과 같은 가수분해 효소에 의해 가수분해된 6 탄당 ( 일반적으로 포도당 ) 이다 .

6 탄당 → 2 ATP 소모 → 과당 1,6- 이인산 → 2 분자의 3 탄당 (글리세르알데히드 -3- 인산 , G3P) → 계속되는 반응들을 통해 2 NADH 와 4 ATP 를 생성 → 결국 2 pyruvate 를 생성한다 . ( 조효소인 NAD+ 2 분자가 NADH 로 환원되고 , 4 분자의 ADP 가 인산화되어 4ATP 가 생성 → 포도당 자유에너지의 일부는 NADH 와 ATP 에 보존 )

전체적인 해당과정에서 2 NADH 와 2 ATP 를 생성하게 되고 , 2 분자의 NADH 는 미토콘드리아내막에 있는 전자전달계 과정에서 각각 3 분자의 ATP를 만들게 되지만 , 몇몇 기관에서는 shuttle 기작에 따라 최종적으로는 1분자의 ATP 를 소모하게 되어 2 분자의 ATP 를 생성한다 .

최종적으로는 1분자의 포도당이 산화되어 2 분자의 pyruvate 를 생성하고 , 8분

자의 ATP 를 생성하거나 6 분자의 ATP 를 생성한다 .

해당경로

1) hexokinase: glucose + ATP → G6P + ADP ①hexokinase; 간 , 근육 및 모든 세포에 존재 , (친화력이 크다 );기질 =6 탄당 ②glucokinase; glucose 에 대한 친화력이 작다 ; glucose 가 혈액에 많을 때 작용 2) isomerase: G6P ↔ F6P 3) PFK: F6P + ATP → fructose-1,6-diphosphate + ADP 속도조절효소 ; ↓ATP, NADPH2↑ADP, AMP, F6P 4) aldolase: fructose-1,6-diphosphate ↔ DHAP + glyceraldehyde-3-P 5) phosphotriose isomerase; DHAP ↔ glyceraldehyde-3-P 6) glyceraldehyde-3-P DHase: glyceraldehyde-3-P + NAD+ + H3PO4 ↔ 1,3 diphosphoglycerate + NADH + H+ 7) phosphoglycerate kinase: 1,3 diphosphoglycerate ↔ 3-phosphoglycerate 8) phosphoglycerate mutase: 3-phosphoglycerate ↔ 2-phosphoglycerate 9) enolase: 2-phosphoglycerate ↔ PEP 10) pyrate kinase: PEP + ADP → pyruvate + ATP ↓ATP, AMP, acetyl CoA, ↑PEP, fructose-1,6-diphosphate

6.10 피루브산은 크렙스회로에 들어가기 위해 화학적으로 변형된다

해당과정의 마지막 산물인 피루브산은 해당과정이 일어난 세포질로부터 크렙스회로가 있는 미토콘드리아 속으로 확산되어 들어간다 .1) 피루브산 자신이 산화되면서 NAD+ 를 NADH 로 환원시킨다2) 하나의 탄소가 제거되어 이산화탄소로 배출된다3) 비타민 B 에서 유래한 조효소 A 가 두 개의 탄소에 붙어 아세틸 조효소 A 가

된다

그림 6.10 피루브산의 아세틸 CoA 로의 변형

6.11 크렙스회로를 통해서 유기물 연료의 산화가 완결되며 많은 수의 NADH 와 FADH2 부자가 생성된다

그림 6.11A 크렙스회로의 개요

그림 6.11B 크렙스회로

TCA회로

①처음 제시한 크렙스를 기리기 위해 크렙스회로 (Krebs cycle) 라 불리고 , 초기

중간 산물인 시트르산의 생성에 따라 시트르산회로 (citric acid cycle) 라고도 한다 .

피루브산이 세포질로부터 미토콘드리아에 들어오게 되면 매트릭스에서 일어

난다 .

③피루브산 → 피루브산 탈수소효소에 의해 → 아세트산 (CO2 방출 ) → (탈수소

효소에 의해 제거된 수소원자는 NAD+ 와 결합해서 NADH 가 합성 ) → 아세트

산은 coenzyme A 와 결합하여 아세틸 CoA 를 합성한다 .

④TCA회로는 아세틸 CoA 가 oxaloacetic acid 와 결합하여 citric acid 를 생성되

면서 시작된다 .

⑤일련의 다단계 반응으로 1분자의 피루브산이 TCA회로를 거쳐 완전히 산화되

면 1 ATP(GTP), 4 NADH, 1 FADH2 를 생성하고 , 3 CO2 를 방출하게 된다 . 결국은 1분자의 포도당에서 해당과정으로 생성된 2 분자의 피루브산이 2번의

TCA회로를 마치면 2 ATP, 8 NADH, 2 FADH2 가 생성된다 .

6.12 대부분의 ATP 는 화학삼투작용에 의해 만들어진다

세포호흡의 마지막 단계는 전자전달계와 화학삼투적 인산화반응에 의한 ATP 의 합성이다 .

그림 6.12 미토콘드리아에서 일어나는 화학삼투현상

(1) 미토콘드리아의 구조 외막 : 외부와 내부로 물질을 능동수송하거나 왕복시키는 수송단백질 (transport protein) 이 존재 외막과 내막 사이에 외부구획 (outer compartment) 이 존재 내막 : 내부구획 (inner compartment) 인 기질 (matrix) 을 둘러싸고 있음 크리스테 (cristae) 형성 - 내막의 표면적을 증가 시켜 반응면적을 증가

(2) NADH 의 전자가 화학삼투 기울기 형성 시트르산 회로에서 생성된 NADH 와 FADH2 의 화학삼투 기울기 형성 ⇒NADH 가 전자전달계의 첫번째 운반자 FMN (flavin monomucleotide) 에 도 착하면서 시작 FADH2 는 CoQ에 작용하여 두 번째 단계의 양성자 펌프에서부터 시작 NADH 가 두 개의 전자와 양성자를 막횡단 단백질인 FMN (flavin mono- mucleotide) 에 넘겨주는 순간 전자전달계 에서 전자의 흐름 시작 (FMN 이 첫번째 양성자 펌프 )

두 전자가 CoQ( 조효소 우비쿼논 ) 로 전달 →

CoQ는 내부구획의 두 양성자를 잡아 CoQH2 가 되고 외부구획으로 방출하면서 시토크롬 b(cyt b) 로 전자를 전달 (FADH2 의 작용은 CoQ에서부터 양성자 펌프 시작 )

시토크롬 b는 두 개의 양성자를 외부구획으로 수송하며 두 전자를 시토크롬 c(막 표면에 위치 ) 로 전달 →

시토크롬 a 에 의해 전자는 기질의 산소로 전달되어 물 형성 ( 산소는 마지막 전자수용체 )

① 산소의 역할 호흡의 최종단계에서 자유에너지의 대부분을 소모한 전자와 결합한 분자의 산소를 환원시키기 위해서는 두 개의 조효소로부터 전자가 와야 함 O2 + 4e- + 4H+ → 2H2O NADH 에서 시작해 산소에까지 이르는 반응 → 발열반응 (-53kcal/mole) ⇒초기 상태의 자유에너지는 양성자 기울기의 자유에너지로 축적

② 양성자 생성 개요 미토콘드리아로 들어간 두 분자의 피루브산은 8개의 NADH 와 2 개의 FADH2

를 생성 NADH 의 전자는 6 개의 양성자를 펌프하고 , FADH2 의 전자는 4개의 양성자를 펌프 ⇒두 분자의 피루브산은 56 개의 양성자를 외부구획으로 펌프 (8X6 + 2X4) 해당과정에서 생성된 세포질에 있는 2 개의 NADH 는 미토콘드리아 외막에 있는 운반자에 의해 미토콘드리아 조효소 (FAD, NAD+) 를 환원시켜 2 개의 FADH2 를 생성 ⇒8개의 양성자 펌프 ∴ 64 (or 68) 개의 양성자가 펌프 됨

6.13 독극물은 세포호흡 과정의 중요 단계를 저해한다

그림 6.13 전자전달계의 화학삼투 단계에 작용하는 5가지 독성물의 효과

6.14 요약 : 포도당 한 분자에서 몇 개의 ATP 가 만들어지는가 ?

그림 6.14 세포호흡에서 만들어질 수 있는 ATP 최대 양

화학삼투 기울기와 ATP 생성의 개요

두 개의 양성자가 F1 복합체를 통과할 때 한 분자의 ATP 생성 ( 포도당이 완전히 산화되면 36 개의 ATP 생성 ) 포도당 한 분자당 생기는 총 ATP 수

- 기질수준 인산화 : 해당과정 2ATP, 시트르산회로 2ATP - 화학삼투 인산화 : 64 (68) 양성자 → 32 (34)ATP - 포도당 한 분자당 총계 : 36 (38)ATP

4 ATP 4 ATP10 NADH2 30 (28) ATP 2 FADH2 4 ATP

38 (36) ATP

6.15 발효는 유기호흡을 할 수 없을 때 사용되는 무기호흡 과정이다

(1)ATP 를 만드는 유일한 방식으로 해당과정을 이용하기 위해서는 한 가지 조건이 필요하다 . 즉 , NAD+ 를 환원시켜 줄 수 있는 방법이 있어야 한다 .

(2) 해당과정에서는 포도당이 두 개의 피루브산으로 변하면서 NAD+ 를 NADH 로 환원시키고 두 개의 ATP 를 생성한다 .

(3) 발효의 중요성 ① 해당은 무산소 상태에서 일어나는 반응으로 만일 산소가 공급되지

않는다 면 해당이 유일한 ATP 생성 수단이 된다 . ② 해당에서 소비되는 것은 NAD+, ADP 그리고 Pi 이고 , 얻어 지는 것은 피루

브산 , NADH 와 ATP 이다 . ATP 는 필요에 따라 분해되어 다시 ADP 와 Pi로

되지만 NADH 는 산소가 없는 경우 쉽게 NAD+ 로 산화될 수가 없게 된다 .

왜냐하면 세포의 NAD+ 와 NADH 의 총량은 항상 일정하기 때문이다 (미토

콘드리아에서 산소호흡을 통해 NADH 가 NAD+ 로 산화되기 때문에 산소가

없는 상태의 해당과정에서만은 일정한 수준에 있을 수밖에 없다 .) 결국 세

포에서 NAD+ 가 부족해서 더 이상의 해당은 진행될 수가 없다 . ③ 따라서 발효의 목적은 산소의 공급이 부족하거나 차단 되었을 때 해당에 NAD+ 를 공급하여 주기 위한 것이다 .

(4) 근육이 심한 운동을 할 때 산소가 일시적으로 제한 되더라도 발효에 의해 생성률이 낮지만 ATP 의 생성이 이루어 진다 . 처음에는 혈액이 근육으로부터 젖산을 제거하나 결국 근육에 젖산이 축적 되어 pH 가 낮아지고 근육은 피로하게 된다 . 운동을 멈추면 젖산으로부터 수소이온이 제거되면서 피루브산으로

전환되 고 산소가 필요한 전자전달계로 이어지게 된다 . 한동안은 이 과정 동안에는 많은 에너지를 필요로 하기 때문에 운동을 하 지 않더라도 깊은 숨을 쉬게 되는 산소가 부족한 산소부채 (oxygen debt) 상태가 된다 . 이것은 운동을 하기 전의 상태로 회복하는데 필요한 산소량으로 표현된다 .

(1) 알콜 발효 (alcoholic fermentation) 효모와 몇몇 박테리아에서 발생 최종산물 : NAD+, 이산화탄소 , 에틸알코올 피루브산이 탈카르복시화 효소의 작용으로 아세트알데히드 생성 , CO2

방출 →NADH 가 알코올 탈수소효소에 의해 산화 → 전자와 양성자가 아세트알데히드로 전달되어 에틸알코올을 형성

※ 효모 : 조건 무산소성 생물 (facultative anaerobes) - 조건에 따라 무산소성 알코올 발효 또는 이산화탄소와 물이 최종 산물 인 산소호흡 중 하나를 택해 피루브산 대사

그림 6.15A 알코올 발효

(2) 젖산 발효 (lactate fementation) 박테리아와 동물 근육세포의 중요한 경로 , 최종산물 : NAD+ 와 젖산

①근육조직의 해당과정과 젖산 발효 심한 운동으로 인한 많은 양의 ATP 소모와 산소 공급의 부족 (근육세포 ) ⇒ 1. 근육의 풍부한 크레아틴인산 (creatin phosphate) 에 고에너지 인산을 저장 . 크레아틴인산은 근육 수축에 필요한 에너지를 직접 제공하지는 않지만 자 신의 고에너지 인산기를 ADP 에 전달하여 ATP 생성 크레아틴인산 + ADP → ATP + 크레아틴 2. 크레아틴인산이 점차 소모되면 사용되는 두번 째 방법인 해당과정 시작 . 그러나 산소가 공급되지 못하면 NAD+ 의 재생이 일어나지 못해 해당과정 이 진행되지 못함 ⇒ 임시 방법으로 NAD+ 를 재생산 NADH 에서 수소를 받아 피루브산은 젖산 으로 환원 → 젖산은 근육에 의해 직접 사용될 수 없기 때문에 축적 ( 일부는 간으로 보내 짐 ) → 산소가 충분히 공급되면 젖산은 다시 피루브산이되고 산소호흡 경 로로 들어감 ※ 간으로 보내진 젖산은 피루브산으로 다시 전환된 후 포도당 신생합성 gluconeogenesis 경로로 들어간다 ⇒ 젖산은 포도당으로 전환되고 , 포도당의 일부는 다시 근육으로 .

그림 6.15B 젖산 발효

그림 6.15C 포도주 발효용 양조통

6.16 세포는 세포호흡의 연료로 다양한 유기물을 사용한다

분해와 합성의 연관관계분해와 합성의 연관관계

그림 6.16 분자의 분해 과정

지방과 단백질 , 탄수화물은 중간대사 (intermediary metobolism) 경로에 의해 해당과정과 시트르산 회로에 사용할 수 있도록 소단위로 분해

(1) 지방 대사 지방산이 미토콘드리아 막을 지나 내부구획으로 수송되기 위해서는 조효 소 A (CoA) 에 의해 활성화 ⇒ 지방산은 CoA 와 결합하여 기질로 운반 → 아세틸 -CoA (2C) 가 떨어 져 나와 시트르산 회로로 들어감 → 다시 지방산과 CoA 가 결합하고 아세틸 -CoA 가 떨어져 나오는 과정 반복 하여 지방산이 완전히 분해 (2) 단백질의 준비 소화효소에 의해 20개의 아미노산으로 가수분해 → 탈아미노화반응 (deamination) 에 의해 아미노기 제거 , 5개는 피루브산으 로 전환 후 다시 아세틸 -CoA 로 전환 , 6 개는 피루브산 단계를 건너 뛰어 아세틸 -CoA 로 시트르산회로에 들어감 , 나머지 아미노산은 시트르산 회 로를 구성하는 특정한 산으로 전환되어 시트르산회로로 들어 감

(3) 중간대사 - 생합성 경로 생합성 (biosynthesis) 경로 : 시트르산 회로의 호흡에 대한 중심적 역할 외 에 다른 반응에 필요한 원료물질을 제공하는 중간대사의 한 부분

6.17 음식은 생합성에 필요한 생물질을 제공한다

그림 6.17 세포호흡에서 만들어지는 중간산물로 생합성되는 고분자

6.18 호흡에 사용되는 연료는 궁극적으로 광합성에서 온다

그림 6.18 광합성에 의해 만들어진 죽순을 먹는 팬더