세포 호흡
⑴ 세포 호흡 개관
① 외호흡 : 폐로 O2를 마시고 CO2를 내보내는 것
② 내호흡 : 조직 세포가 세포 호흡에 O2를 사용하고 CO2 방출
③ 세포 호흡에서 포도당이 CO2로 산화하고, O2가 H2O로 환원하면서 ATP 합성
⑵ 유기 호흡 : 전자전달계에서 최종 전자수용체로 O2가 사용
① 1단계. 해당과정(glycolysis) : 산소를 요구하지 않는 무기호흡 과정
○ 전체 반응식 : 포도당(6-C) + 2 ATP + 2NAD+ → 2 피루브산(3-C) + 4 ATP + 2 NADH
○ 세포 기질에서 이루어지는 10개의 연쇄 반응
○ 세포질의 NADH가 미토콘드리아 기질로 이동 시 셔틀 분자를 이용
○ 말산-아스파르트산 셔틀(Malate-aspartate Shuttle) : 세포질 NADH → 미토콘드리아 기질 NADH
○ 글리세롤-3인산 셔틀(Glycerol-phosphate Shuttle) : 세포질 NADH → 미토콘드리아 기질 FADH2
○ 글리세롤-3인산 셔틀은 별도 스텝 없이 세포질의 NADH가 바로 FADH2를 활성화시켜서 ATP 생성 속도가 빠름
② 2단계. TCA Cycle : 시트르산 회로(citric acid cycle), 크렙스 회로(Krebs cycle), tricarboxylic acid cycle 등으로도 불림
○ 전체반응식의 추론
○ 산화 반쪽 반응식
○ 환원 반쪽 반응식
○ 미완성 반응식
○ 결론 : 2 C3H4O3 + 6H2O + 5O2 + ADP + Pi → 6CO2 + 10H2O
○ 피루브산 산화
○ 미토콘드리아 내막에서 발생
○ 2 피루브산(3-C) → 2 CO2 + 2NADH + 2 아세틸 CoA(2-C)
○ 시트르산 회로
○ 미토콘드리아 기질에서 발생
○ 아세틸 CoA → 2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP (by 8개 효소)
○ 시트르산 회로에서 생성된 GTP는 일반적으로 ATP와 동일시
○ 옥살로아세트산(OAA)은 계속해서 성분이 바뀜
○ 이산화탄소가 방출되는 과정에서 C-C 결합이 깨지면서 그 에너지로 NADH가 생성됨
○ 암기 팁. 피아시알숙푸말옥
③ 3단계. 미토콘드리아의 전자전달계(ETS; Electron Transport System)
○ Complex Ⅰ(NADH-Q Oxidoreductase) : 전자가 거쳐 가면 1 H+ 방출
○ Complex Ⅱ(Succinate Dehydrogenase)
○ 막결합단백질인 FAD를 지칭
○ 에너지가 적어 H+ pumping을 하지 않음
○ 유비퀴논(Uniquinone)
○ 소수성 분자인 퀴논 계열이므로 내막 내부에 위치
○ Coenzyme A (아세틸 CoA와 관련)
○ 지용성 비타민 (유일한 지질성분 가짐)
○ Complex Ⅲ(Cytochrome C Reductase, Cytochrome B) : 전자가 거쳐 가면 1 H+ 방출
○ Cytochrome C
○ 내막에 붙어 있고 막간 공간쪽으로 향해 있음
○ 세포질로 방출 시 세포예정사 진행
○ Complex Ⅳ(Cytochrome C Oxidase, Cytochorome A)
○ 전자가 거쳐 가면 1 H+ 방출
○ 최종적으로 산소로 전자 전달 → 물 생성
○ ATP 합성효소 : H+ 이온은 내막에 있는 ATP 합성효소라는 단백질 통로를 통과하면서 ATP 생성
○ 전자전달계 산화환원전위
○ 환원력 : 다른 물질을 환원시키는 경향. 환원력이 낮으면 자기 자신이 환원하려는 경향이 있음을 의미
○ 환원 전위 : 화학종 자신이 환원하려는 경향이 크면 표준 환원 전위 값이 커짐
○ 자유에너지 변화 : 화학종이 전자를 좋아할수록 자유에너지 변화가 더 음의 값이 됨
○ 결론 : 반응과정의 뒤로 갈수록 환원력은 낮아지고, 환원 전위는 커지며, 자유에너지 변화 ΔG는 더 음의 값이 됨
○ (참고) 화학반응이 일어나려면 ΔG ＜ 0이어야 하므로 뒤로 갈수록 ΔG가 더 음의 값이 돼야 함 : ΔG앞 + ΔG뒤 ＜ 0
○ (참고) ΔG = -nFE를 활용하면 환원력과 ΔG의 경향성을 쉽게 이해할 수 있음
④ 세포 호흡 계산
○ 역가 1. 대략 1 NADH → 3 ATP, 1 FADH2 → 2 ATP
○ 역가 2. 원핵생물, 균류, 조류(algae) 등의 경우 역가가 낮아서 1 NADH → 2.5 ATP , 1 FADH2 → 1.5 ATP
○ 전자전달계 Ⅰ, Ⅲ로 전자 이동 시 4H+가 나가고 전자전달계 Ⅳ로 전자 이동 시 2H+가 나감
○ 전자전달계 Ⅳ는 ATP 합성효소와 가깝게 위치하여 구조변화가 어려워 수득이 적음
○ 1 ATP 합성되는데 4H+ 소요
○ 3H+가 이동해야 ATP 합성효소가 1회전을 함
○ 내막으로 피루브산이 이동할 때 H+ 소모
○ NADH 역가 = 총 이동하는 H+ 수 ÷ (4 H+ / 1 ATP) = (4 × 2 + 2) ÷ 4 = 2.5
○ FADH2 역가 = 총 이동하는 H+ 수 ÷ (4 H+ / 1 ATP) = (4 × 1 + 2) ÷ 4 = 1.5
○ 포도당 1분자가 해당과정에서 2 피루브산으로 되며 2 ATP와 2 NADH로 생산
○ 2 피루브산이 미토콘드리아로 들어가 산화 과정 및 시트르산 회로를 거치며 2 ATP + 8 NADH + 2 FADH2 생성
○ 팁. CO2가 방출되면 NADH가 생성됨
○ 팁. 말산이 OAA가 되는 과정을 제외하면 NADH가 생성될 때 CO2가 생성됨
○ 세포질의 NADH는 미토콘드리아 내막에 있는 셔틀을 통해야 하며, 이때 FADH2로 바뀔 수도 있음
○ 간, 심장, 신장 : 총 32 ATP 생성(38 ATP, 역가 1로 계산시), 말산-아스파르트산 셔틀
○ 골격근, 뇌 등 : 총 30 ATP 생성 (36 ATP, 역가 1로 계산시), 글리세롤-인산 셔틀
○ (참고) 예전에는 32 ATP로 계산했었음
○ 골격근과 뇌는 에너지를 빨리 얻어야 하므로 효율이 나빠도 글리세롤-인산 셔틀을 사용
○ 실제로는 자유인산이 미토콘드리아 내막을 이동할 때도 H+ 1개가 사용
⑤ 세포호흡 저해제
○ Ⅰ 억제제 : 로테논(rotenone), 바르비투르산, 피에리시딘
○ Ⅱ 억제제 : 말론산
○ Ⅲ 억제제 : 안티마이신
○ Ⅳ 억제제 : CN-, CO
○ ATP 합성효소 억제제 : 올리고마이신
○ 짝풀림제
○ DNP(2,4-dinitrophenol), valinomycin, 써모제닌 (갈색지방과 관련)
○ 짝풀림제는 H+의 이오노포어(ionophore)의 일종으로서 수소이온 농도기울기를 급격히 줄여 많은 열을 발생
| 전자전달 | ATP 합성 | |
| 전자전달 저해제 | 중지 | 감소 후 중지 |
| ATP 합성효소 억제제 | 감소 후 중지 | 중지 |
| 짝풀림제 | 증가 | 중지 |
저해제 요약
⑥ 지구온난화와 세포호흡
○ 온도 상승은 생물체의 대사율을 촉진하여 생장 발달 및 생식 속도 증가
○ 예 : 딱정벌레의 생활사 가속화 (2년 → 1년) → 가문비나무 삼림파괴
⑶ 포도당 신생합성(Gluconeogenesis(GNG), 葡萄糖新生合成)
탄수화물이 아닌 물질을 가지고 포도당을 합성하는 과정을 말한다. 동식물부터 진균, 세균 같은 미생물까지 존재하는 과정이며, 척추동물에서는 주로 간에서 일어난다. 공복, 단식, 저탄수화물식단, 또는 격렬한 운동 같이 탄수화물이 부족해지는 상황에서 혈당 수치를 유지한다. 몇몇 중간 과정에서의 예외를 제외하면 전체적으로는 해당과정의 역과정이며, 당합성(glycogenolysis)와는 다르다.
탄수화물이 아닌 물질로 당을 만드는 과정이기는 하지만 아쉽게도 지방산 그 자체는 재료로 쓸 수 없다. 지방산의 베타 산화 과정에서 나오는 아세틸 CoA는 2개의 이산화탄소로 완전 산화되어 배출되기 때문. 대신 이 때 인체는 지방을 분해하여 지방산의 연결부인 글리세롤만을 가져다 신생합성에 쓴다.
⑷ 무기호흡 : 혐기성 호흡과 발효
① 전자전달 중단 및 해당과정 지속 → 피루브산, NADH 축적, NAD+ 고갈 → 반응중단
② 무기호흡을 하는 이유 : 해당과정에 NAD+를 공급하기 위함
○ 피루브산을 환원시켜 젖산, 에틸알코올 등을 생산하면서 NADH를 NAD+로 산화시킴
○ 한 쌍의 해당과정과 무기호흡은 2 ATP를 생산하게 됨
③ 종류 1. 젖산발효(lactic acid fermentation) : 근육세포, 유산균 등에서 일어남
○ 반응 1. 해당과정 : 포도당 → 2 피루브산
○ 반응 2. 피루브산 환원 : 2 피루브산 → 2 젖산
○ 젖산은 간에서 분해
○ 피루브산에서 젖산으로 환원 시 lactate dehydrogenase (유전자명 : LDHA)가 관여
○ 와버그 효과(Warburg effect) : 암세포는 효율적인 세포호흡 대신 젖산발효를 많이 함
○ 뇌에서도 젖산 발효를 하며 휴식기에 젖산을 배출하는 것으로 알려짐
④ 종류 2. 알코올 발효(alcohol fermentation) : 효모 등에서 일어남
○ 반응 1. 해당과정 : 포도당 → 2 피루브산
○ 반응 2. 탈탄산과정 : 2 피루브산 → 2 아세트알데히드 + 2CO2
○ 반응 3. 아세트알데히드 환원 : 2 아세트알데히드 → 2 에틸알코올
○ 피루브산에서 아세트알데히드로의 탈탄산 반응은 pyruvate carboxylase가 관여
○ 아세트알데히드에서 에틸알코올로 환원 시 alcohol dehydrogenase가 관여
⑤ 종류 3. 아세트산 발효(acetic acid fermentation) : 산소가 관여함. 온전한 의미에서 발효가 아님
⑸ 기타 포도당의 분해대사
① EMP(Embden-Meyerhof-Parnas) pathway : 해당과정
○ ATP를 생성하는 반응
○ 화학반응식 : C6H12O6 + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ → 2C3H4O3 + 2ATP + 2NADH + 2H+
② TCA cycle
○ ATP를 생성하는 반응
○ 화학반응식 : C3H4O3 + 3H2O + ADP + Pi + 4NAD+ + FAD → 3CO2 + 4(NADH + H+) + FADH2 + ATP
○ 메커니즘 : 위 참고
③ HMP(hexose monophosphate pathway)
○ PPP(pentose phosphate pathway), pentose shunt, Warburg-Dickens pathway라고도 함
○ 지방산 합성 등의 동화과정에 필요한 NADPH를 만드는 반응
○ 화학반응식 : C6H12O6 + 12NADP+ + 3O2 + ATP → 6CO2 + 12NADPH + ADP + Pi
○ 포도당-6-인산이 완전히 이산화탄소로 환원되어 12 분자의 NADPH를 생성할 수 있음
○ 이 반응에서 탄소수가 다른 당이 합성될 수 있음
○ 섭취한 핵산의 분해로 얻은 5탄당도 HMP pathway로 대사됨
○ 메커니즘
○ 산화적 phase : NADPH 생성
○ 비산화적 phase : 5탄당 등 생성
○ 반응 장소
○ 동물 세포 : 세포질
○ 식물 세포 : 색소체, 세포질; 색소체에서 우세
○ 간, 유선, 부신에서 가장 활발하며 환원력의 60 % 이상을 담당
○ 기본 역할 : 생합성 반응에 필요한 탄소계 골격물질과 동화작용을 지탱하기 위한 환원력 제공
○ 다량의 NADPH : 생체분자 생합성에 필요한 환원력을 제공해 주는 효소
○ ribose-5-phosphate : 뉴클레오티드의 염기, 조효소의 재료, 히스티딘의 주요 전구체
○ ribulose-5-phosphate : Krebs 회로에 참여
○ erythrose-4-phosphate : aromatic amino acid의 재료
○ glyceraldehyde-3-phosphate : EMP 및 TCA cycle에 참여
④ ED(Enter-Doudoroff) pathway
○ 화학반응식 : C6H12O6 + ADP + Pi → C2H5OH + 2CO2 + ATP
○ Zymomonas mobilis, Pseudomonas saccharophilia 등에서 발견
○ Zymomonas mobilis : 그람 양성, 고농도의 에탄올을 짧은 시간 내 생성
⑤ PK(phosphoketolase) pathway
○ 특징 : phosphateketolase가 참여
○ phosphateketolase : glyceraldehyde-3-phosphate, acetyl phosphate, pentose phosphate로 쪼개짐
⑹ 탄수화물, 단백질, 지질 대사
① 개요
○ 1순위 에너지원 : 탄수화물
○ 2순위 에너지원 : 지질
○ 3순위 에너지원 : 단백질. 단백질 고유의 기능이 많으므로 단백질이 분해될 정도면 굉장히 위험한 상황
② 글리코겐 분해 과정
○ 거의 모든 조직이 글리코겐을 가질 수 있음
○ 글리코겐 저장 조직 : 간, 근육, 신장, 과립체 형태로 세포질에 존재
○ 글리코겐 분해 : 비환원말단의 α 1→4 결합 가인산분해효소 → 이동효소 → α 1→6 글루코시드 가수분해효소
출처 : 이미지 클릭
Figure. 11. 글리코겐 분해과정
③ 단백질 분해
④ 단백질 합성
⑤ 지질 분해
⑥ 지질 합성
⑺ 장기별 당 분해
① 간
○ GLUT2에 의해 흡수
○ 경로 1. PPP
○ 경로 2. TCA cycle
② 지방조직
○ 인슐린에 의해 조건부 발현되는 GLUT4가 발현됨
○ 경로 1. 당 흡수 → PPP pathway → DNA 골격 형성
○ 경로 2. 당 → acetyl coA → TCA cycle
○ 경로 3. 당 → 지방산 → 트리아실글리세리드로 저장
③ 근육조직
○ 인슐린에 의해 조건부 발현되는 GLUT4가 발현됨
○ PPP pathway가 일어나지 않음
④ 뇌
○ 가장 포도당 수송을 잘하는 GLUT1이 발현됨 : 뇌는 포도당을 많이 필요로 하기 때문
○ 포도당은 BBB를 통과할 수 있으며 인슐린은 뇌의 포도당 대사에 영향을 주지 않음
⑻ 반응지수
① P:O ratio
○ pi와 oxygen의 비율로 산화적 인산화에 의해 하나의 산소원자가 물로 환원 시 생성되는 ATP의 양
○ 2O2 + 2H+ → H2O
② 호흡률(RQ, respiratory quotient) : 생성 이산화탄소 몰 수 / 반응 산소 몰 수
③ 산소전달률(OTR, oxygen transfer rate) : 공기중에 있는 산소가 용액에 용해되는 속도
④ 산소요구도(OUR, oxygen uptake rate) : 배양액의 단위량에 포함되는 미생물의 산소 호흡속도