세포 호흡: 에너지를 생성하는 세포의 경이로움

소개

세포 호흡은 생물 연료가 무기 전자 수용체인 산소와 반응하여 아데노신 트리포스페이트 (ATP)를 대량으로 생성하는 과정입니다. 이러한 ATP에는 에너지가 저장되어 있습니다. 세포 호흡은 생물의 세포에서 일어나며, 화학 에너지를 영양소에서 추출한 후 ATP로 변환하고, 나아가 폐기물을 방출하는 일련의 대사 반응과 과정으로서 기술될 수 있습니다.

호흡에 참여하는 반응들은 큰 분자들을 작은 분자로 분해하는 분해 반응으로, 큰 양의 에너지(ATP)를 생성합니다. 세포 호흡은 세포의 활동에 에너지를 공급하는 핵심 방법 중 하나입니다. 이 과정은 일련의 생화학적 단계에서 진행되며, 그 중 일부는 산화환원 반응입니다. 세포 호흡은 기술적으로 연소 반응이지만, 에너지가 천천히 조절되어 연쇄 반응에서 에너지가 방출되는 점에서 특이합니다.

호흡에 참여하는 흔히 사용되는 영양소는 동물과 식물 세포 모두에서 당, 아미노산 및 지방산을 포함하며, 가장 흔한 산화제는 분자 산소(O2)입니다. ATP에 저장된 화학 에너지(세 번째 인산기가 분자의 나머지 부분에 결합되어 안정적인 생성물을 형성할 수 있도록 분리되어 에너지를 방출함)는 생물학적 과정을 구동하는 데 사용될 수 있습니다. 이는 생물합성, 운동 또는 세포막을 통한 분자 이동과 같은 에너지가 필요한 과정을 구동합니다.

유산소 호흡

유산소 호흡은 ATP를 생성하기 위해 산소(O2)가 필요한 과정입니다. 탄수화물, 지방 및 단백질은 반응물로 사용되지만, 유산소 호흡은 글라이코시스에서 피루베이트 생산의 선호되는 방법이며, 피루베이트는 미토콘드리아 내부에서 사이트르산 주기에 의해 완전히 산화되기 위해 피루베이트로 전환됩니다. 이 과정의 생성물은 이산화탄소와 물이며, 전달된 에너지는 ADP와 세 번째 인산기 사이에 결합을 생성하여 ATP(아데노신 트리포스페이트)를 형성하는 데 사용됩니다(기질 수준의 인산화). 또한, NADH와 FADH2도 생성됩니다.

전역 반응의 질량 균형: C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) → 6 CO2 (g) + 6 H2O (l) + 에너지

ΔG = -2880 kJ/mol의 C6H12O6

부정적인 ΔG는 반응이 발열 반응(exergonic)이며 자발적으로 일어날 수 있음을 나타냅니다.

NADH와 FADH2의 가능성은 산소와 양성자(수소)를 "최종 전자 수용체"로 사용하여 전자 수송 사슬을 통해 더 많은 ATP로 전환됩니다. 유산소 세포 호흡에서 생성된 대부분의 ATP는 산화적인 인산화로 만들어집니다. 방출된 에너지는 프로톤을 막을 통해 펌핑하여 화학적 전위를 생성하는 데 사용됩니다. 그 후, 이러한 전위는 ATP 합성효소를 구동하고 ADP와 인산기로부터 ATP를 생성합니다. 생물학 교과서는 종종 세포 호흡 중 산화된 포도당 분자 당 최대 38개의 ATP 분자가 생성될 수 있다고 언급합니다(글라이코시스에서 2개, 크렙스 사이클에서 2개, 전자 수송 시스템에서 약 34개). 그러나 현재 추정치는 막투과성이 있는 막의 손실과 피루베이트와 ADP를 미토콘드리아 매트릭스로 이동시키는 비용 때문에 최대 수율에 도달하지는 않으며, 포도당 당 29~30개의 ATP로 범위가 나타납니다.

유산소 대사는 비유산소 대사(1 분자 포도당 당 2 분자 ATP 생성)보다 최대 15배 효율적입니다. 그러나 메탄원생과 같은 일부 비유산소 유기체는 전자 수송 사슬의 최종 전자 수용체로 산소 외의 무기 분자를 사용하여 더 많은 ATP를 생성할 수 있습니다. 그들은 글라이콜리시스의 초기 경로를 공유하지만, 유산소 대사는 크렙스 사이클과 산화적인 인산화로 계속됩니다. 사후 글라이콜리시스 반응은 유핵 세포의 미토콘드리아에서, 원핵 세포의 세포질에서 일어납니다.

식물은 광합성을 통해 이산화탄소를 소비하고 산소를 생산하지만, 식물 호흡은 지구 생태계에서 연간 생성되는 CO2의 약 절반을 차지합니다.

글라이콜리시스

세포질에서 발생하는 대사 경로인 글라이콜리시스는 모든 생물의 세포에서 일어나는 과정입니다. 글라이콜리시스는 "당 분할"이라는 뜻을 가진 말로, 산소의 존재 여부에 관계없이 발생합니다. 유산소 조건에서 이 과정은 1 분자 포도당을 2 분자 피루베이트로 변환하며, 2 순수 ATP 분자 형태로 에너지를 생성합니다. 실제로 포도당 당 4 분자 ATP가 생성되지만, 이 중 2 분자는 준비 과정의 일부로 소비됩니다. 포도당의 초기 인산화는 포도당의 반응성을 높이기 위해 필요하며, 이는 알도라제라는 효소에 의해 2개의 피루베이트 분자로 분해됩니다. 글라이콜리시스의 투입 단계에서 1 ATP가 사용되어 인산화 글루코스를 생성합니다. 글라이코겐 포도당은 글라이코겐 포스포릴라제의 도움으로 포도당 6-인산화글루코스로 전환될 수 있습니다. 에너지 대사 중에, 인산화 글루코스는 프루토스 6-인산화로 변환됩니다. 그리고 인산화 프루토스 6은 포스포프룩토키나제의 도움으로 프루토스 1,6-이인산화물로 인산화됩니다. 프루토스 1,6-비인산화물은 나중에 세 개의 탄소 사슬을 가진 두 개의 인산화된 분자로 분해되는데, 이는 나중에 피루베이트로 분해됩니다.

피루베이트의 산화적 탄소 배출

피루베이트는 피루베이트 탈수소 효소 복합체(pyruvate dehydrogenase complex, PDC)에 의해 아세틸-CoA와 이산화탄소로 산화됩니다. PDC는 세포질 내에 있는 유핵 세포의 미토콘드리아와 원핵 세포의 세포질에 위치한 여러 개의 세포질 효소로 구성되어 있습니다. 피루베이트를 아세틸-CoA로 변환하는 과정에서 NADH 1분자와 CO2 1분자가 생성됩니다.

사이트르산 주기

이를 크렙스 사이클 또는 트리카르복시산 주기라고도 합니다. 산소가 존재할 경우, 글라이콜리시스에서 생성된 피루베이트 분자가 아세틸-CoA로 생성됩니다. 아세틸-CoA가 생성되면 에어로빅 또는 아에로빅 호흡이 발생할 수 있습니다. 산소가 존재할 경우, 미토콘드리아는 크렙스 사이클로 이어지는 에어로빅 호흡을 겪게 됩니다. 그러나 산소가 존재하지 않을 경우, 피루베이트 분자의 발효가 발생합니다. 산소가 존재할 때, 아세틸-CoA가 생성되면 분자는 미토콘드리아 매트릭스 내에서 크렙스 사이클(사이트르산 주기)로 들어가며, 동시에 NAD를 NADH로 환원시키는 과정입니다. NADH는 전자 수송 사슬에서 산화적 인산화를 통해 추가적인 ATP를 생성하는 데 사용될 수 있습니다. 한 포도당 분자(2개의 피루베이트 분자)에 대한 전체 수율은 6 NADH, 2 FADH2 및 2 ATP입니다.

결론

세포 호흡은 세포 내에서 화학 에너지를 ATP로 변환하여 생명 활동을 지탱하는 복잡한 과정입니다. 유산소 호흡에서 시작하여 크렙스 사이클을 통해 이산화탄소와 물을 생성하며, 이러한 과정에서 NADH와 FADH2가 생성됩니다. 이들 화학 물질은 전자 수송 사슬에서 추가 ATP 생성에 기여합니다. 이러한 프로세스는 생물학적 시스템의 핵심 부분이며, 세포가 에너지를 확보하고 유지하는 데 필수적입니다.