[기본필독코스 1단계]일반생물학 "세포의 에너지 대사편"

[colony]

세포의 에너지 대사

이번장에서는 세포가 어떻게 에너지를 얻는지에 대해 소개한다.

1. 세포는 호흡을 통해 산소를 공급받고 이산화탄소를 내보낸다.
   호흡을 통해 공급된 산소는 혈류를 통해 세포에 전달되고 미토콘드리아는 전달된 산소를세포호흡에 이용하여 에너지를 얻는다.

2. 세포호흡은 ATP에 에너지를 저장하는 과정이다.
 세포호흡은 들어온 산소와 포도당과 같이 에너지를 가진 반응물과의 화학 반응을 말한다. 반응의 결과로 이산화탄소, 물 그리고 ATP가 생성된다.

3. 사람은 활동하는데 ATP를 에너지로 사용한다.

4. 세포는 유기연료에서 산소로 이동되는 전자로부터 에너지를 얻는다.
   세포호흡은 포도당을 단계적으로 분해하면서 존재하던 결합을 깨고 새로운 결합을 만들어전자를 재배열하는 과정중에 전자가 가지고 있던 에너지를 얻는 고정이다. 전자는 높은 에너지상태에서 낮은 에너지상태로 이동하면서 적은 양의 에너지를 방출하며 세포는 이러한 에저지의 일부를 ATP에 저장한다.

5. 산화환원 반응에서 NAD+와 같은 수소운반체가 전자를 주고 받는다.
   산화 : 전자를 잃는 반응
   환원 : 전자를 얻는 반응
   NAD+(Nicotineamide Adenine Dinucleotide) : 비타민에서 만들어지는 유기분자로 산화환원반응 중 전자를 실어 나른다. 전자가 높은 에너지상태에서 낮은 에너지 상태로 이동할 때 NAD+가 산화환원 반응을 이용하여 이 전자를 실어 나르게 된다.

6. 산화환원 반응에 의해 전자가 수소 매개체로 부터 산소로 이동될 때 에너지가 방출된다.
   세포호흡의 화학 반응식에서 보는 것처럼 산소가 전자를 얻게 되는데 산소까지 전자가 전달되는 과정에서 에너지가 나오게 된다. 이후의 장에서 어떻게 에너지를 얻게 되는지 소개한다.

7. ATP를 만들어 내는 두가지 기작
   ATP는 ADP에 인산기를 붙여주는 인산화에 의해서 만들어 진다. 인산화에는 화학삼투적인산화(chemiosmotic phosphorylation)과 기질수준인산화(substrate level phophorylation) 두가지가 있다.

   - 화학삼투적 인산화의 ATP 합성원리 : 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 확산되는 전자 전달이 계속되면서 막을 사이에 두고 생긴 H+ 농도차이에 의한 에너지가 막에 있는 ATP 합성 효소(ATP synthases)를 활성화하여 ATP를 합성한다.

   - 기질수준 인산화의 ATP 합성원리 : 화학삼투적 인산화보다 훨씬 간단하며, 세포막을 필요로 하지 않고, 효소에 의해 유기물 분자에 붙어있는 인산기를 ADP에 이동시켜 ATP를 생산한다.

8. 호흡은 세가지의 주된 단계를 거쳐서 일어난다.
1,2 단계 : 해당과정(glycolysis), 크렙스회로(krebs cycle)
 - 해당과정 : 포도당을 두개의 피루브산(pyruvic acid)로 분해하며 세포질에서 일어난다.
 - 크렙스회로 : 미토콘드리아 내에서 일어나며 피루브산을 이산화탄소로 완전히 분해한다. 이 과정에서 만들어지는 ATP의 양은 적으며 이들의 주된 기능은 ATP 생성보다는 세번째 단계에 전자를 공급하는 것이다.
3단계 : 전자 전달계
 - 전자 전달계 : NAD+의 환원형태인 NADH로 부터 전자를 전달받는다. 비슷한 전자 전달체로 FAD가 있다. 이렇게 받은 전자로 부터 6.에서 설명된 것처럼 에너지를 얻게 되고 이 에너지는 ATP 합성효소를 활성화시켜 화확 삼투에 의해 ATP를 합성한다.

9. 해당과정은 포도당을 산화하여 피루브산으로 전환하는 동안 생기는 화학 에너지를 수집하는 것이다.

             (2ADP + 2P -> 2ATP)
0-0-0-0-0-0 ====================>    2 0-0-0
  Glucose    2NAD+ -> 2NADH + 2H+  Pyruvic Acid
       (그림. 해당과정 개관)

해당과정이란 당을 쪼갠다는 의미로 6개의 탄소로 되어있는 포도당은 9단계를 거쳐 두 개의 피루브산으로 나누어진다. 위의 과정을 자세히 그리면 아래와 같다.

                        0-0-0-0-0-0     Glucose
                             |
                  ATP -> ADP | step 1
                             |
                        0-0-0-0-0-0-P   Glucose 6-phosphate
                             |
                             | step 2
                             |          
                        0-0-0-0-0-0-P   Fructose 6-phosphate
                             |
                  ATP -> ADP | step 3
                             |
                       P-0-0-0-0-0-0-P  Fructose 1,6-diphosphate
                             | step 4
                       --------------
                       |            |
                    P-0-0-0      0-0-0-P  Glyceraldehyde 3-phosphate(G3P)
                                    |

 step 5
               2NAD+ -> 2NADH + 2H+ | <== 2P
                                    |
                                P-0-0-0-P  1,3 Diphosphoglyceric Acid(2 molcules)
                                    |
                        2ADP -> 2ATP| step 6
                                    |
                                 0-0-0-P   3-Phosphoglyceric Acid(2 molcules)
                                    |
                                    | step 7
                                    |

                                    P
                                    |
                                  0-0-0  2-Phosphoglyceric Acid(2 molcules)
                                    
                                    |
                         물2분자<== | step 8

                                    P
                                    |    Phosphoenolpyruvic Acid (2 molcules)
                                  0-0-0

                                    |
                        2ADP -> 2ATP| step 9
                                  0-0-0  Pyruvic Acid(2 molcules per glucose molecule)

step 1-3

   연료 물질이 ATP를 사용해서 활성화된다. 세개의 연속적인 화학 반응이 포도당을 중간 산물인 과당 1,6인산(fructose 1,6-diphosphate)을 만든다. 이 단계에 연관되어 그려진 화살표는 ATP의 인산기가 다른 물질에 이동 되는 것을 보여주고 있다. 이 준비단계에서 세포는 연료 물질을 활성화하기 위하여 1단계와 3단계에서 하나씩 두개의 ATP를 소비하고 있다. 활성화된다는 것은 이 분자들이 불안정해 져서 반응성이 높아진다는 것이다.

step 4

   6개의 탄소를 가진 중간산물이 두 분자의 3개의 탄소를 가진 중간산물로 나뉘어 진다. 과당 1,6인산은 매우 반응성이 높아서 두 분자의 3개의 탄소를 가진 중간산물로 나누어지게된다. 즉, 해당가정에 들어온 포도당 한 분자는 두 개의 글리세르 알데하이드 3인산(G3P)으로 된다. 두 분자의 G3P가 5단계로 들어가므로 하나의 포도당 분자마다 5-9 단계가 두번씩 일어나게 된다.

step 5

   산화환원 반응이 NADH를 생산한다. 회수과정의 첫 단계는 산화 환원 반응이다. 세포는 비로소 첫 에너지를 수확하게된다. 맞물려 있는 화살은(높은 에너지의 전자와 더불어) 수소원자가 이동하는 것을 보여주고 있다. G3P가 산화되면서 NAD+ 는 NADH로 환원되게 된다.

step 6-9

   ATP와 피루브산이 생성된다. 이 연속적인 네개의 화학반응을 통하여 해당과정이 완성되면, 하나의 포도당으로부터 두 개의 피루브산이 만들어지게 된다. 6-9단계동안, 특수한 효소가 기질수준의 인산화에 의해(하나의 포도당분설탕) 네 개의 ATP를 만들며, (8단계의 부산물로써) 물이 생성된다.

10. 피루브산은 크렙스 회로에 들어가기 위하여 화학적으로 재정비한다.

               NAD+ -> NADH + H+
     0-0-0    ==================== 0-0-CoA
      pyruvic acid  CO2방출, Coenzyme A

해당과정의 마지막 산물인 피루브산은 세포질에서 크렙스 회로가 있는 미토콘드리아로 확산되어들어 간다. 피루브산은 바로 크렙스 회로에 들어 갈수 없고 그림과 같은 화작적 정리단계를 거치게 된다.

11. 크렙스회로를 통해서 유기물 연료의 산화가 완결되며 NADH와 FADH2 분자가 많이 생성된다.

                        0-0-CoA (Acetyl CoA)
                           |
                           |  ==> CoA
                           | only 2 carbons enter cycle                 
                          0-0    <======================================                                        
                           |                                            |       
                           | step 1                                     |       
                           |                                            |
                      0-0-0-0-0-0 (Citric acid)                         |
                           |                                            |       
                           | => CO2 leaves cycle                        |
        NAD+ -> NADH + H+  | step 2                                     |
                

       0-0-0-0-0 (Alpha-ketoglutaric acid)              |
                           | => CO2 cleaves cycle                       |       
                           | step 3                                     |
            ADP + P -> ATP | NAD+ -> NADH + H+                          |
                        0-0-0-0 (Succinic acid)                         |
                           |                                            |       
              FAD -> FADH2 | step 4                                     |
                           |                                            |
                        0-0-0-0 (Malic acid)                            |       
                           |                                            |
        NAD+ -> NADH + H+  | step 5                                     |       
                           |            

                                |
                        0-0-0-0 (Oxaloacetic acid)                      |
                           |                                            |
                           |                                            |       
                           --------------------------------------------->

step 1 :

   아세틸 CoA가 용광로를 작동시킨다. 크렙스회로는 효소가 아세틸 CoA로 부터 CoA를 떼어내고 남아있는 두개의 탄소분자인 아세틸 부분을 미토콘드리아에 이미 존재하고 있는 옥살아세트산(oxaloacetic acid)과 결합하는 것이다. 이 반응의 산물은 6개의 탄소를 가진 시트르산(citric acid)으로 아세틸기가 가지고 있던 에너지를 모두 가지고 있다. 아세틸기를 이 회로에 넣어주는 것은 용광로에 석탄 연료를 넣어주는 것과 같다. 크렙스 회로의 용광로는 아세틸기에 저장된 화학 에너지를 사용하여 돌아가게 된다.

step 2-3 :

   산화환원 반응으로 NADH, ATP, 그리고 CO₂가 만들어진다. 연속적인 산화환원반응에 알파-케토글루타르산(alpha-ketoglutaric acid)과 같은 중간산물로 부터 수소를 끌어내어 에너지가 많은 NADH 분자를 만들어 내면서 처음 아세틸기에 들어있던 에너지의 일부분을 수확하게 된다. 산화환원반응은 옥살아세트산의 형태로 들어온 두 개의 탄소원자를 분해해낸다. 탄소는 완전히 분해되어 두개의 이산화탄소가 된다. 또한 ADP에서 ATP로의 기질수준의 인산화에 의해 에너지가 얻어지기도 한다. 3단계가 끝나면, 4탄당인 숙신산(succinic acid)이 만들어 진다.

step 4-5 :

   산화환원반응으로 FADH2와 NADH를 만들어 낸다. 효소는 화학결합을 재배열하여 마침내 오살아세트산을 다시 만들어 낸다. 동시에, 수소(전자)  전달체인 FAD와 NAD+는 각각 FADH2와 NADH로 환원된다. 크렙스회로는 말산(malic acid)이 옥살 아세트산을 만들어 내는 것으로 마감된다. 이 화합물은 다른 아세틸 CoA로 부터 아세틸기를 받으면서 새로운 회로가 시작된다.

12. ATP는 대부분 화학삼투작용에 의해 만들어진다.
   세포호흡의 마지막 단계는 전자전달계와 화학삼투에 의한 ATP의 합성이다. 미토콘드리아막에 있는 단백질은 H+의 농도 기울기의 형태로 저장된 위치에너지를 사용하여 ATP 합성을 할 수 있도록 배열되어 있다. 미토콘드리아의 내막은 주름 형태의 크리스테를 가지고있는데 이는 더 많은 전자전달계와 ATP 합성효소가 자리잡을 수있도록 표면적을 넓혀주는 역할을 하여 미토콘드리아가 일시에 많은 ATP를 생산할 수있도록 하여준다. 산화환원이 일어남에 따라 단백질 복합체는 전자에서 방출되는 에너지를 이용하여 막의 한쪽 에서 다른쪽으로 H+이온을 능동적으로 이동시킨다. H+는 농도차에 의한 에너지 때문에 막을 가로질러 미토콘드리아의 내부 기질로 밀려들어오려고 한다. 그러나 막은 H+를 잘 통과 시키지 못하기 때문에 H+은 특수한 단백질 통로를 이용하여 들어갈 수있다. ATP를 합성하는 ATP 합성효소는 H+ 이온이 통과하는 통로 역할을 하고 수소이온이 통과할때 나오는 에너지를 이용하여 ATP를 합성하게 된다.

13. 독극물은 세포호흡의 중요단계를 전해한다.
 - 전자전달계를 저해하는 독극물 :
   로테논 : 첫 전자 전달 단백질 복합체와 결합함으로써 전자가 다음 단계로 넘어가지 못하게 한다. 즉 전자전달계의 초기단계를 막음으로써 세포의 에너지를 고갈시켜 동물을 죽게 만든다. 주로 곤충과 어류를 죽이는데 사용
   청산가리, 일산화탄소 : 세번째 전자전달 단백질 복합체와 결합함으로써 전자가 산소에 전달되는 것을 막는다. 이러한 차단은 수도꼭지를 틀어 막는 것과 같은 효과를 가져와 전자들의 흐름을 멈추게 만든다.

 - ATP 합성효소를 방해하는 독극물 :
   올리고마이신(oligomycin): H+가 ATP 합성효소를 통하여 기질로 흘러가는것을 방해한다.

   짝풀림제 : 미토콘드리아 막으로 부터 H+의 이온이 새어나가게 한다. 전자전달계가 계속적으로 작동하지만 막은 더 이상 H+의 흐름을 막지 못하게 되어 H+의 농도 기울기가 만들어 지지 않으며 결과적으로 ATP가 생성되지 않는다.
   디니트로페놀(dinitrophenol:DNP) : 사람의 대사속도를 증가시켜 과도한 열을 방출시켜 땀을 분비하다가 기진하여 죽게만든다.

14. 포도당 한 분자에서 몇개의 ATP가 만들어지는가?
   각단계에서 나오는 ATP와 다음의 것을 계산하여 합하면 NADA  1 분자 -> 3 ATP 생성
FADH2 1 분자 -> 2 ATP 생성 총 36 ATP가 된다.

15. 발효는 유기(산소) 호흡에 대한 대안으로 이용되는 무기호흡과정이다.
   효모는 산소가 있을때는 포도당 1분자에서 36 ATP를 만드는 유기호흡(aerobic respiration)을 한다. 산소가 없을때는 해당과정에서 나오는 2ATP만을 이용하여 산다(해당과정은 산소가 필요 없다.

   - 알콜발효(alcoholic fermentation) : 효모와 박테리아가 무기호흡과정에서 포도당에서 만들어지는 피루브산을 이산화탄소와 에탄올로 변화시키는 것

   - 젖산발효(lactic acid fermentation) : 해당과정에서 나온 NADH가 산화되면서 알콜 대신젖산을 만드는것. ATP 생산량은 알콜발효와 같으나 젖산은 피루브산으로부터 유래한 세개의 모든 탄소를 가지고 있으므로 이산화탄소가 발생하지 않는다.

  - 절대적 혐기성 생물(strict anaerobic) : 산소가 없는 조건에서만 생존하는 생물로 근육세포나 고여있는 물, 깊은 땅속에서 산다.
  - 조건부 혐기성 생물(facultative anaerobic) : 산소의 유무에 따라 발효 또는 화학 삼투를 사용하여 ATP를 생성한다