[생물학] Ch.10 - Cell Respiration

Catabolic pathways yield energy by oxidizing organic fuels

유기 분자들의 분해 반응은 exergonic하고, 생명체는 catabolic pathway를 통해 생명 활동에 필요한 에너지를 얻는다.

Catabolic Pathways

• Fermentation - 산소 없이 일어나는 당의 분해 반응
• Aerobic respiration - 유기 분자와 산소를 소모해 ATP를 생성
• Anaerobic respritation - aerobic respiration과 비슷하나 산소를 사용하지 않는 반응
• Cellular respiration - 세포 안에서 일어나는 respiration (주로 aerobic respiration)

포도당과 산소를 소모하는 Cellular respiration의 반응식은 아래와 같다.

$C _6 H_{12}O_6 ​ +6O_2 ​ \to 6CO_2 ​ +6H_2O+Energy(ATP+heat)$

이 반응은 Oxidation-reduction reaction, 또는 Redox reaction에 해당한다. 화학 반응에서 어떤 물질이 전자를 (온전히 혹은 부분적으로) 잃는 것을 Oxidation(산화), 전자를 얻는 것을 Reduction(환원)이라고 하며, 다른 물질을 산화시키는 물질을 oxidizing agent, 다른 물질을 환원시키는 물질을 reducing agent라고 한다.

위의 반응식에서는 C6H12O6가 산화되었고, O2가 환원되었다.

생명체 내에서, cellular respiration의 반응은 한 번에 폭발적으로 일어나는 것이 아니라 mitochondria 내부에 여러 단계에 걸쳐 일어난다. 생체 분자의 에너지를 단계적으로 뽑아내는 데 쓰이는 분자는 Nicotinamaide adenine dinucleotide(NAD+)라는 coenzyme이다. respiration 과정에서 NAD+는 oxidizing agent로 작용하여 생체 분자의 고에너지 전자와 H+ 이온을 단계적으로 가져간다. NAD+의 reduced form을 NADH라 한다. NADH로 옮겨진 전자는 Electron transport chain을 거치며 결과적으로 새로 합성된 ATP에 에너지를 전달한다.

각 단계에서 NAD+가 환원되는 반응에는 Dehydrogenase라는 효소가 관여한다.

Cellular Respiration은 크게 3가지 단계로 나누어 볼 수 있다.

Cellular Respiration

• Glycolysis - glucose를 pyruvate 2분자로 분해하는 과정
• Pyruvate oxidation & citric acid cycle - pyruvate를 이산화 탄소로 완전히 분해하는 과정
• Oxidative phosphorylation - electron transfer chain과 chemiosmosis에 의해 ATP가 합성되는 과정

약 90%의 ATP가 oxidative phosphorylation(산화적 인산화)을 통해 합성된다. 하지만 인산화 효소에 의해 인산기가 ADP로 직접 이동하는 substrate-level phosphorylation(기질 수준 인산화)을 통해 합성되기도 한다.

Glycolysis harvests chemical energy by oxidizing glucose to pyruvate

Glycolysis는 당을 '쪼개는' 반응이다. glycolysis는 에너지를 사용하는 단계와 얻는 단계로 나눌 수 있는데, 사용하는 단계에서 2 ATP를 소모하고, 얻는 단계에서는 4 ATP와 2 NADH가 생성된다. 최종적으로 에너지 순이익은 2 ATP + 2 NADH라 할 수 있다.

Glycolysis의 단계

1. Glucose + ATP --> Glucose 6-phosphate + ADP (인산기 추가)
2. --> Fructose 6-phosphate
3. + ATP -> Fructose 1,6-biphosphate + ADP (인산기 추가)
4. --> G3P & DHAP (반으로 나눔)
5. DHAP --> G3P (이성질체 간 전환)
6. 2 G3P + 2 NAD+ --> 2 1,3-Bisphosphoglycerate + 2 NADH + 2 H+
7. + 2 ADP --> 2 3-Phosphoglycerate + 2 ATP (기질 수준 인산화)
8. --> 2 2-Phosphoglycerate
9. --> 2 PEP + 2 H2O
10. + 2 ADP --> 2 Pyruvate + 2 ATP (기질 수준 인산화)

After pyruvate is oxidized, the citric acid cycle completes the energy-yielding oxidation of organic molecules

pyruvate가 mitochondria로 수송되어 분해되려면, 먼저 acetyl coenzyme A (acetyl CoA)로 전환되어야 한다. 이 과정에서 pyruvate가 완전히 산화되어 CO2 1분자를 내놓고, NAD+ 1분자를 환원시키며, Coenzyme A와 결합하여 acetyl CoA가 된다.

citric acid cycle은 mitochondria 내에서 acetyl CoA가 단계적으로 산화되면서 에너지를 내놓는 회로이다. 한 cycle에서 ATP는 1분자만 생성되지만, 대부분의 에너지는 NAD+와 FAD에 전달된다. Tricarboxylic acid (TCA) cycle 혹은 Kreb cycle이라고도 불린다.

Citric acid cycle의 단계

1. Acetyl CoA + Oxaloacetate --> CoA-SH + Citrate
2. Citrate --> Isocitrate (이성질체 전환)
3. Isocitrate + NAD+ --> α-Ketoglutarate + NADH + H+ + CO2
4. α-Ketoglutarate + CoA-SH + NAD+ --> Succinyl CoA + NADH + H+ + CO2
5. Succinyl CoA + Pi + GDP --> Succinate + CoA-SH + GTP (GTP + ADP --> GDP + ATP)
6. Succinate + FAD --> Fumarate + FADH2
7. Fumarate + H2O --> Malate
8. Malate + NAD+ --> Oxaloacetate + NADH + H+

During oxidative phosphorylation, chemiosmosis couples electron transport to ATP synthesis

electron transport chain은 mitochondria의 안쪽 세포막에 붙어 있는 4개의 multiprotein complex들이다. mitochondria의 안쪽 세포막은 접혀 들어간 cristae 구조를 가지고 있어 표면적이 극대화되고, 많은 electron transport chain을 가지고 있다. NADH, FADH2으로부터 electron transport chain을 따라 고에너지 전자가 전달되며 에너지를 방출하고, 최종적으로는 O2 분자에 전자가 전달되어 H2O가 만들어지게 된다.

NADH를 통해 electron transport chain에 전자가 전달되면 전자는 flavoprotein(FMN), iron-sulfur protein(Fe·S), ubiquinone(Q)을 차례로 지나게 된다. 그 다음부터 산소에 이르기 전까지는 cytochrome이라는 단백질로 이루어진 부분들을 지나는데, heme group이라고 부르는 cytochrome의 prosthetic group에는 철 원자가 존재하여 전자를 받아 옮길 수 있다.

전자가 이동하는 동안, electron transport chain은 전자의 에너지를 이용해 H+ 이온을 mitochondrial matrix에서 intermembrance space로 능동 수송한다. 이렇게 수송된 H+는 내막 내외의 H+ 농도 차에 의해 발생하는 chemiosmosis(화학 삼투)로 인해, ATP synthase를 거쳐 다시 matrix로 돌아간다. 여기서 ATP synthase는 ATP를 합성하는 효소로, H+ 이온의 흐름에서 발생하는 회전 에너지를 이용해 ADP와 무기 인산을 ATP로 합성한다.

이론적으로, glucose 한 분자가 cellular respiration을 거치면 대략 32 ATP를 생성할 수 있다. 나머지 에너지는 열에너지의 형태로 방출된다. 하지만 chemiosmosis 등 간접적인 과정들로 인해 하나의 glucose가 몇 개의 ATP를 만드는지 정확히 알기는 어렵다.

Fermentation and anaerobic respiration enable cells to produce ATP without the use of oxygen

위에서 살펴본 oxidative phosphorylation 과정에서, 최종적으로 전자를 받는 산소는 필수적이었다. 하지만 산소 없이 에너지를 얻는 대사 과정도 있는데, anaerobic respiration과 fermentation이 그것이다. anaerobic respiration은 electron transport chain이 똑같이 사용되지만, 산소 대신 다른 물질을 최종 전자 수용체로 사용하는 과정을 말한다.

Fermentation(발효)은 electron transport chain에서의 과정 없이, NADH의 전자를 pyruvate에 다시 전달함으로써 NAD+를 regeneration시키며 에너지를 얻는 과정이다. 예시로는 Alcohol fermentation과 Lactic acid fermentation이 있다.

Alcohol fermentation

1. glucose + 2 NAD+ --(glycolysis)--> 2 Pyruvate + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP
2. 2 Pyruvate --> 2 CO2 + 2 Acetaldehyde
3. 2 Acetaldehyde + 2 NADH + 2 H+ --> 2 Ethanol + 2 NAD+

Lactic acid fermentation

1. glucose + 2 NAD+ --(glycolysis)--> 2 Pyruvate + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP
2. 2 Pyruvate + 2 NADH + 2 H+ --> 2 Lactate + 2 NAD+

위 두 반응에서는 aerobic respritation과 다르게, 최종 전자 수용체가 pyruvate 혹은 acetaldehyde이다.

산소가 있는 환경과 없는 환경에서 모두 생명 활동을 할 수 있는 facultative anaerobes에게, pyruvate는 산소 유무에 따라 대사 경로가 분기되는 지점이다.

Glycolysis and the citric acid cycle connect to many other metabolic pathways

glucose뿐만 아니라 다양한 분자들이 glucose와 유사한 대사 과정을 통해 ATP 합성에 이용될 수 있다. 이당류나 다당류는 glucose와 같은 단당류로 분해되어 glycolysis와 citric acid cycle을 거친다.

단백질의 경우도 아미노기를 제거하는 deamination을 거치면 glycolysis와 citric acid cycle를 거칠 수 있다. 이때 빠져나오는 질소는 암모니아나 요소 등의 형태로 외부로 배출된다.

지방의 경우도 에너지원으로 사용될 수 있다. glycerol은 glyceraldehyde 3-phosphate(G3P)로 전환되는데, 이는 glycolysis의 중간 산물이다. fatty acid도 beta oxidation을 거쳐 쪼개지게 되는데, 쪼개진 각 조각이 acetyl CoA가 되어 citric acid cycle에 들어가게 된다. 일반적으로 지방은 탄수화물보다 2배 더 많은 에너지를 만들어낸다.

인체에는 섭취하지 않은 물질을 합성해 보충하기 위한 anabolic pathway도 존재한다. 대표적인 것이 gluconeogenesis로, glucose 섭취가 부족할 경우 탄수화물이 아닌 물질에서 glucose를 합성하는 반응 경로이다.

이런 anabolic pathway와 catabolic pathway가 적절히, 필요한 만큼 일어나도록 하는 시스템을 생명체는 갖추고 있다. respiration은 주로 피드백 작용에 의해 통제되는데, respiration의 산물이 많아지면 glycolysis의 중간 단계 효소의 활동을 억제하는 방식이다. 중요한 효소 중 하나는 Phosphofructokinase이다. 이 효소는 allosteric한 효소로, AMP 농도가 높을 때 활동이 자극되고, ATP나 Citrate 농도가 높을 때 활동이 억제된다.

References

1. Campbell, N. A., Urry, L. A., Cain, M. L. et al. 『Biology: A Global Approach』. 12th ed. Pearson Education Ltd.(2021). p164-185