[대학생물] 호기성 호흡

이화작용(catabolism) : 복잡한 분자 -> 더 작은 구성성분

동화작용(anabolism) : 단순한 재료 -> 복잡한 분자

 

전체 반응경로

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O -> 6CO₂ + 12H₂O + APT

 

포토당이 이산화 탄소가 되는 것은 산화 반응, 산소가 물이 되는 것은 환원 반응이다.

 

1. 호기성호흡의 4단계

단계	요약	반응 위치	에너지산물
해당과정	포도당 -> 피부르산	세포질	2ATP, 2NADH
아세틸조효소A	피르브산이 분해되어 조효소A와 결합. 아세틸조효소A 형성	미토콘드리아	CO2, NADH
시트르산 회로	아세틸조효소A의 아세틸 부분이 CO2로 분해	미토콘드리아	2ATP, NADH, FADH2
전자전달 화학삼투	전자가 사슬을 따라 이동하며 농도 구배 형성 양성자가 농도 구배를 따라 확산되면서 ATP합성	미토콘드리아	32-34ATP

 

호기성호흡에 포함된 대부분의 반응들은 세가지 형태로 분류된다.

탈수소반응 : 2개의 수소원자들이 기질로부터 제거되어 NAD+ 또는 FAD+로 전달되는 반응

탈카르복시화반응 : 카르복실기(-COOH) 부분이 이산화탄소분자 형태로 기질로부터 제거되는 반응

준비반응 : 다시 탈수소반응이나 탈카르복시화반응을 거칠 수 있도록 하는 준비 반응

 

1.1. 해당과정(glycolysis)

해당과정은 산소를 필요로 하지 않으므로 호기조건과 혐기조건 아래서 모두 진행 될 수 있다.

6탄당의 포도당 분자가 3탄당의 피루베이트 2분자로 전환된다.

포토당에 들어있던 에너지의 일부가 포획되어 2ATP, 2NADH분자가 생성된다.

반응에 필요한 ADP, NAD⁺, 무기인산이 풍부한 세포질 내에서 일어난다.

해당과정은 또 세부적으로 2개의 단계를 거친다.

 

1. 제 1단계 : 에너지 투자단계

   포도당(6탄당)은 비교적 안정한 분자라서 쉽게 파괴되지 않는다.

   두 번의 인산화반응에서 하나의 인산기가 ATP에서 당으로 전달되어 인산화 당(6탄당)이 형성된다.

   인산화 당은 포도당에 비해 불안정하며 효소에 의해 디하이드록시아세톤인산(3탄당)과 G3P(3탄당)로 전환된다.

   디하이드록시아세톤도 효소에 의해 G3P로 전환된다. 즉 2개의 G3P가 형성된다.

    

   포도당 + 2ATP(6탄당) -> 2G3P(3탄당) + 2ADP

    

2. 제 2단계 : 에너지 포획단계

   G3P는 피루베이트로 전환되면서 2개의 수소원자가 제거되며 산화된다.

   2개의 수소 원자는 세포질 내의 NAD⁺와 결합(2개의 NADH 형성)

   기질수준인산화 과정에서 ADP -> ATP

    

   2G3P + 2NAD⁺ + 4ADP -> 2피루베이트 + 2NADH + 4ATP

    

즉 1단계에서 ATP 2개가 사용되어 2단계에서 ATP 4개가 생성되므로 2개의 ATP 순익이 생긴다.

 

1.2. 피루베이트 -> 아세틸조효소A 과정

피루베이트는 산화적 탈카르복시화 과정에 의해 2탄소 조각인 아세틸기가 된다.

아세틸기는 조효소A에 붙어 아세틸조효소A를 생산한다. (조효소A는 판토넨산으로부터 세포 내에서 만들어짐)

이 반응을 촉매하는 피루베이트 탈수소효소는 72개의 폴리펩티드사슬로 수정된 복합체이다.

 

2 피루베이트 + 2NAD⁺ 2CoA -> 2 아세틸조효소A + 2NADH + 2CO₂

 

1.3. 시트르산 회로

aka TCA회로(Tricarboxylic acid cycle), 크렙스 회로(Krebs cycle)

세부적으로 8개의 단계를 거친다.

  (1) 아세틸조효소A 결합 파괴. 2탄소 아세틸기 + 4탄소 옥살로아세트산 -> 6탄소 시트르산

  (2) 물분자가 제거되고 다시 결합되면서 iso-시트르산 형성(준비반응)

  (3) iso-시트르산은 탈수소화, 탈카르복시화되어 5탄소 화합물 알파케토글루타르산 형성           -2NADH, 2CO₂

  (4) 알파케토글루타르산은 다시 탈수소화, 탈카르복시화되어 숙시닐조효소A형성(촉매 사용)        -2NADH, 2CO₂

  (5) 숙시닐조효소A가 숙신산으로 전환(기질 수준의 인산화)

  (6) 숙신산이 탈수소반응으로 산화됨 -> 푸마르산 형성                                                -2FADH₂

  (7) 푸마르산 + 물 -> 말산

  (8) 말산이 탈수소화되어 옥살초산 형성                                                                  -2NADH

 

Result = 2ATP + 6NADH + 2FADH₂ + 4CO₂

 

1.4. 전자전달사슬

위 일련의 반응들로 생성된 NADH와 FADH2가 전자전달계에서 산화적 인산화과정을 거친다.

  복합체1 : NADH-유비퀴논 산화환원효소에서 NADH로부터 전자를 받는다. -> 유비퀴논 생성, 양성자 전잘

  복합체2 : 숙신산-유비퀴논 환원효소에서 FADH2로부터 전자를 받는다. -> 유비퀴논 생성

  복합체3 : 유비퀴논-시토크롬C 산화환원효소에서 유비퀴논으로 부터 전자를 받는다. -> 양성자 전잘

  복합체4 : 시토크롬C 산화효소에서 복합체3으로 전자를 받는다.  -> 양성자 전달

이 전자들은 분자의 산소를 환원하여 물을 생성한다.

 

 

위 과정을 통해 전자전달사슬은 양성자 구배를 형성한다. 이 포텐셜 에너지는 ATP생성에 사용된다.

 - "화학삼투이론" by Peter Mitchell

1.5. 호기성 호흡의 결과

포도당 한 분자의 호기성호흡은 최대 36~38ATP를 만들어낸다. (위 표 참조)

NADH -> 3ATP, FADH -> 2ATP

 

2. 포도당 이외 영상소의 에너지 생산

포도당 이외의 다른 영양소들도 에너지원으로 사용한다. 예를 들어, 포토당의 산화 보다 지방산의 산화에 의해 더 많은 에너지를 얻을 수 있다. 단백질로도 에너지를 생성 할 수 있다.

(포도당, 아미노산 -> 최대 38ATP ,  지질 -> 최대 44ATP)

 

아미노산

알라닌 - 탈아미노반응을 거쳐 피루베이트로 전환 => 해당과정의 최종 산물

글루타메이트 - 옥살아세테이트를 만들고 알파케토글루타레이트로 전환 => 시트르산 회로의 중간 산물

 

트리아실글리세롤

글리세롤 - G3P또는 다른 화합물로 전환 => 해당과정에서 사용

지방산 - 아세틸조효소A로 전환 => 시트르산에서 사용