** 캠벨 생명과학 12판을 기준으로 공부한 내용을 정리한 글입니다. 따라서 오류가 있을 수 있음을 알려드립니다.**
| 이화 반응 경로와 ATP 생성 |
산소와 유기 분자들은 광합성을 통해 만들어지고,
이 유기 분자들은 세포호흡의 연료로서 진핵세포의 미토콘드리아에서 소모됩니다.
호흡은 이러한 복잡한 유기 분자를 분해하여 ATP를 생성하는 이화 반응입니다.
복잡한 유기 분자를 분해하여 화학에너지를 생성한다는 것은 이 복잡한 유기 분자가 에너지를 가지고 있다는 뜻인데요. 유기화합물이 가지고 있는 위치에너지는 원자들 간의 결합을 이루게 하는 전자들의 배열 때문에 생깁니다.
유기 분자의 분해를 통해 만든 에너지의 일부분은 일을 하기 위해 사용되기도 하고, 남은 에너지는 열로 방출됩니다.
세포 호흡은 산소가 있을 때, 산소가 없을 때의 메커니즘이 다른데요.
산소가 없을 때의 호흡으로는 무산소호흡, 발효과정이 있고, 산소가 있을 때의 호흡으로는 산소호흡(우리가 평소에 흔히 부르는 세포호흡)이 있습니다. 이에 대한 자세한 과정은 추후에 설명하도록 하겠습니다.
| 그래서 이 반응이 에너지를 생성할 수 있는 원리는 무엇일까? |
포도당 및 여러 유기 연료를 분해하는 이화 반응 경로는 어떻게 에너지를 생성할까요?
그 해답은 전자전달에 있습니다. 전자들이 재배치(산화-환원)되면서 저장된 에너지가 방출되고, 그 방출된 에너지들은 ATP를 합성하는데 사용됩니다.
전자는 전기음성도가 낮은 원자에서 전기음성도가 높은 원자로 이동할 때 위치에너지를 잃게 됩니다.
이때, 산소는 전기음성도가 매우 큰 원소입니다. 즉, 전자를 산소 쪽으로 좀 더 가깝게 이동시키는 산화환원 반응은 일을 하는 데 사용될 수 있는 화학에너지를 방출할 수 있는 것이죠. 산소는 전자전달계라는 곳에서 최종 전자 수용체로서 작용하여 ATP를 합성하는 데 유용한 역할을 할 것입니다.
에너지를 그래프로 그려보면 다음과 같은 흐름으로 이동하게 되는 것이죠. 그러나, 좌측 그림처럼 에너지를 한꺼번에 방출하게 된다면 우리 몸에서는 에너지를 비효율적으로 사용하게 될 것입니다.
우리는 우측 그림처럼 에너지를 단계적으로 방출하여 활용해야 합니다.
이 과정을 도와주는 것이 NAD+와 FAD라는 전자 운반체입니다. 전자들은 양성자와 함께, 즉 수소 원자와 움직입니다.
따라서 이 수소 원자를 운반하고 전자들의 위치에너지를 저장해줄 친구가 필요합니다. 그 역할을 바로 이 전자 운반체들이 해주는 것이죠. 이 분자들이 유기 분자의 에너지를 지니고 이동하기 때문에 단계적인 전자전달사슬의 반응을 잘 이끌 수 있습니다. 따라서 호흡 동안 생성된 NADH 분자와 FADH_2 분자들은 ATP를 합성하는데 사용할 수 있는 에너지를 나타내기도 합니다.
| 세포호흡 동안 전자의 이동 총 정리 |
세포호흡 동안 전자들은
포도당 -> NADH -> 전자전달사슬 -> 산소
의 경로를 따라 에너지를 잃게 될 것이고, 여기서 방출된 에너지를 사용하여 미토콘드리아에서 ATP를 생성할 것입니다.
| 세포호흡의 단계 |
지금까지 세포호흡의 전체적인 흐름과 개관을 살펴보았습니다. 이제부터 세포호흡의 단계들을 더 구체적으로 살펴볼 것입니다. 이번 포스팅에서는 간략하게 설명하고 각각의 단계들에 대해 더 구체적으로 정리한 포스팅을 올리도록 하겠습니다.
- 1. 해당과정
- 2. 피루브산 산화 & 시트르산 회로
- 3. 산화적 인산화
먼저, 세포질에서 일어나는 해당과정(당을 분해하는 과정)을 통해 포도당은 2피루브산으로 분해됩니다.
두 피루브산은 진핵세포의 미토콘드리아로 들어가 피루브산 산화 과정을 거쳐 아세틸 CoA라는 화합물이 됩니다.
이 화합물은 시트르산 회로로 들어가고 포도당의 분해를 완료합니다.
이 과정에서 NADH와 FADH_2, ATP가 형성됩니다.
(이때 형성된 ATP들은 기질 수준 인산화에 의해 형성된 ATP라고 할 수 있습니다.)
NADH와 FADH_2는 미토콘드리아 내막으로 이동하여 산화적 인산화를 거쳐 다량의 ATP를 형성합니다.
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