14. 화학에너지의 수확 경로(2)

14. 화학에너지의 수확 경로(2)

  해당과정 중에서 글리세르알데하이드 3-인산이 산화되면서 에너지가 방출한다. 이때 NAD+가 NADH로 환원되며 에너지가 포획된다. 또한 기질 수준 인산화를 통해 방출되는 에너지는 많지 않지만, 기질로부터 ADP로 인산기를 직접 전달하여 ATP를 만들기에는 충분한 양이다. 해당과정의 최종산물인 피루브산은 포도당이 조금 더 산화된 것이다. 산소가 있다면 추가적인 산화가 일어나는 것이 가능하다. 이후 반응들은 원핵생물의 경우는 세포질에서 일어나지만, 진핵생물에서는 미토콘드리아 기질에서 일어난다. 해당과정을 요약한다면 첫 번째 단계에서 포도당 1분자당 2분자의 ATP 가수분해 에너지가 사용된다. 나머지 단계에서 포도당 1분자당 4분자의 ATP가 생성되며 실질적으로 2분자의 ATP가 생성된다고 볼 수 있다. 이 과정에서 2분자의 NADH가 생성된다. 진핵생물에서 피루브산은 미토콘드리아 기질로 수송되고 포도당의 호기성 이화작용의 나머지 단계가 진행된다. 여기서 피루브산은 2-탄소의 아세트산 분자와 이산화탄소로 산화되고, 아세트산은 조효소에 결합해 아세틸 CoA가 만들어진다. 조효소 A는 아세틸기의 운반체로써 다양한 생화학 반응에 이용된다. 아세틸 CoA 형성은 피루브산 탈수소효소 복합체에 의해 촉진되는 다단계 반응이다. 피루브산 탈수소 효소 복합체는 60개의 개별 단백질과 5개의 서로 다른 조효소를 가지고 있다. 전체 반응은 자유에너지 감소반응으로 이 반응에서 한 분자의 NAD+가 NADH로 환원된다. 하지만 아세틸 CoA의 주된 역할을 4-탄소 화합물인 옥살아세트산에 아세틸기를 제공해 6-탄소 분자인 시트르산을 만드는 것이다. 이를 통해 생명의 가장 중요한 에너지 수확 경로인 시트르산 회로가 시작된다.

 

시트르산 회로

  시트르산회로는 포도당을 완전히 산화시켜 CO2를 만든다. 아세틸 CoA는 시트르산회로의 시작점이다. 8개의 반응으로 이루어진 이 경로는 2-탄소인 아세틸기를 2분자의 이산화탄소로 완전히 산화시킨다. 이들 반응에서 방출되는 자유에너지는 GDP와 전자운반체인 NAD+, FAD에 의해 포획된다. 이 경로는 회로를 이루는데, 이는 시작 물질인 옥살아세트산이 마지막 반응에서 재생산되어서 다시 아세틸 CoA로부터 또 다른 아세틸기를 받을 수 있기 때문이다. 시트르산회로는 해당과정에 들어간 포도당 1분자당 두 번 작동한다. 즉, 미토콘드리아로 들어간 피루브산 1분자당 한 번 작동한다는 것을 알 수 있다. 시트르산회로 중에 말산 -> 옥살아세트산 단계에서 자유에너지 감소반응이며 이때 방출된 에너지는 NAD+에 포획되어 NADH가 만들어진다. 이런 종류의 반응이 4번 일어나 시트르산회로는 아세틸 CoA의 산화로부터 많은 양의 에너지를 수확한다. 시트르산회로에는 아세트산, 물, GDP, 산화된 전자운반체인 NAD+와 FAD가 투입된다. 이산화탄소, 환원된 전자운반체, 소량의 GTP가 산출된다. GTP 말단 인산의 에너지는 ATP로 전달된다. 따라서 시트르산 회로는 2개의 탄소를 CO2로 방출하고 4개의 환원된 전자운반체 분자를 생성한다. 산화된 포도당 1분자에 대해서 해당과정에서 2분자의 피루브산이 만들어지며, 피루브산은 산화된 후 시트르산회로를 2번 돌린다. 따라서 포도당 1분자가 산화되어 6개의 CO2, 10개의 NADH, 2개의 FADH2, 4개의 ATP를 만들게 된다. 지금까지 3-탄소 분자인 피루브산이 피루브산 탈수소효소와 시트르산회로에 의해서 완전히 CO2로 산화되는 과정을 알았고, 회로가 계속 돌아가려면, 시작 분자인 아세틸 CoA와 산화된 전자운반체가 모두 보충되어야만 한다. 전자운반체는 시트르산회로와 해당과정의 특정 단계의 반응에서 환원되기 때문에 다시 산화되어야 한다.

NADH -> NAD+ + H+ + 2e- FADH2 -> FAD + 2H+ +2e-

  이 산화 반응은 다른 분자가 환원되는 반응과 연계되어 있다. 산소가 있다면 이 분자가 최종적으로 전자를 받아 환원되어 H2O를 형성한다. 환원된 전자운반체의 재산화 과정에서 전자를 받아주는 산소가 없다면, 피루브산 산호와 시트르산회로는 계속 작동하기 힘들다. 하지만 전자는 산소에 직접 전달되지 않기 때문에 어떻게 전자가 O2에 전달되는지 산화적 인산화를 통해 알 수 있다.

  산화적 인산화는 산소가 존재할 때 전자운반체가 재산화되며 ATP가 합성되는 과정이다. 이 과정은 두 가지 구성요소로 구분된다. 첫 번째는 전자전달이 있다. NADH와 FADH2로부터 나온 전자는 막에 결합하여 있는 일련의 전자운반체인 호흡사슬을 통해 전달된다. 이 경로에 따른 전자의 흐름은 미토콘드리아 내막을 가로질러 미토콘드리아 기질 밖으로 양성자의 능동수송을 일으켜 양성자의 농도 기울기를 생성한다. 두 번째는 화학 삼투이다. 양성자는 통로 단백질인 ATP 합성효소를 통해 미토콘드리아 기질로 확산하여 되돌아가는데, ATP 합성효소는 이 확산을 ATP 합성과 연계시킨다. 양성자는 미토콘드리아 내막을 통과하지 못해서 양성자가 농도 기울기를 따라가는 유일한 길은 통로를 통하는 것뿐이다. 호흡사슬이 왜 효율적이지 않고 복잡한 과정을 거치는 것에 대한 답은 반응이 효율적으로 ATP에 저장되기에는 너무 많은 에너지를 방출한다. NADH가 NAD+로 산화되는 반응은 매우 큰 자유에너지 감소반응을 요구하기 때문에 이 한 단계의 반응을 사용하는 것은 세포 안에서 다이너마이트를 폭발시키는 것과 같다. 그렇게 폭발적으로 방출되는 에너지를 효율적으로 수확하여 생리적 용도로 돌리는 생화학적 방법은 없다. 포도당의 산화 동안 에너지의 방출을 조절하기 위해서 세포는 긴 호흡사슬을 진화를 시켜왔다. 일련의 반응으로 구성된 호흡 사슬의 각 단계는 한 번에 소량의 에너지를 방출한다.