세포호흡과 TCA회로

세포 호흡은 아데노신 삼인산(ATP)의 형태로 에너지를 생성하기 위해 세포에서 발생하는 기본적인 생물학적 과정입니다. 이는 세포가 근육 수축, 능동 수송, 생합성 등과 같은 다양한 기능에 사용할 수 있는 에너지를 방출하기 위해 유기 분자(일반적으로 포도당)를 분해하는 일련의 대사 반응입니다. 세포 호흡은 가장 단순한 원핵세포부터 복잡한 다세포 유기체에 이르기까지 모든 살아있는 유기체의 생존과 기능에 필수적입니다. 세포 호흡은 세 가지 주요 단계로 나눌 수 있습니다. 다음 내용은 세포호흡과 TCA회로에 관련된 내용입니다.

세포호흡

해당과정

해당과정은 세포호흡의 첫 번째 단계이며 세포의 세포질에서 일어납니다. 산소 없이 포도당을 분해해 에너지를 얻는 과정입니다. 해당과정 동안 포도당(6 탄소 설탕) 한 분자가 피루브산(3 탄소 화합물) 두 분자로 분해됩니다. 해당과정에는 2개의 ATP 분자가 필요하지만 4개의 ATP 분자와 2개의 NADH(전자 운반체 분자) 분자가 생성됩니다.

시트르산 회로(크렙스 회로)

시트르산 회로는 진핵 세포의 미토콘드리아에서 일어납니다. 해당과정에서 생성된 각 피루브산은 아세틸 CoA로 전환되어 시트르산 회로로 들어갑니다. 주기 동안 아세틸 CoA가 산화되어 주기당 NADH 3 분자, FADH2(또 다른 전자 운반체) 1 분자, ATP 1 분자가 생성됩니다. 옥살아세트산이 재생되면 사이클이 완료됩니다. 포도당 한 분자의 순 생산량(2주기) 6 NADH, 2 FADH2 및 2 ATP입니다.

전자전달계(ETC)와 산화적 인산화

세포호흡의 마지막 단계는 미토콘드리아 내부막에서 일어납니다. 해당과정과 시트르산 회로에서 생성된 NADH와 FADH2는 전자전달계에 전자를 기증합니다. 전자는 내부 미토콘드리아 막에 있는 일련의 단백질 복합체를 통과하면서 에너지를 방출합니다. 이 에너지는 미토콘드리아 내부 막을 가로질러 양성자(H+ 이온)를 펌핑하는 데 사용되어 양성자 구배 또는 전기화학적 구배를 생성합니다. ATP 합성효소를 통해 양성자가 미토콘드리아 기질로 다시 유입되면 아데노신 이인산(ADP)이 ATP로 인산화됩니다. 이 과정을 산화적 인산화라고 합니다. 산소는 최종 전자 수용체로, 사슬 끝에서 전자를 받아들일 때 물을 형성합니다. 산화적 인산화를 통한 ATP 생성은 세포 호흡에서 ATP의 대부분을 생성합니다. 세포 호흡의 전반적인 화학반응식은 다음과 같습니다.

포도당 + 산소 > 이산화탄소 + 물 + ATP

세포 호흡은 유산소 과정이라는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 즉, ATP 생산을 최대화하려면 산소가 필요하다는 의미입니다. 산소가 없으면 세포는 젖산 발효(동물의 경우) 또는 에탄올 발효(효모 및 일부 박테리아의 경우)와 같은 과정을 포함하는 혐기성 호흡을 수행할 수 있습니다. 이러한 공정은 효율성이 낮고 부산물로 젖산이나 에탄올이 생성됩니다. 세포 호흡은 포도당에 저장된 에너지를 ATP로 변환하기 위해 세포에서 발생하는 중요한 과정이며, 이는 다양한 세포 기능에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있습니다. 이는 해당과정, 시트르산 회로, 전자전달계를 포함하며, 산소는 산화적 인산화를 통한 효율적인 ATP 생산에 중심 역할을 합니다.

TCA 회로

시트르산 회로 또는 크렙스 회로라고도 알려진 TCA(트리카르복실산) 회로는 진핵 세포의 미토콘드리아와 원핵세포의 세포질에서 일어나는 중심 대사 경로입니다. 이는 세포 호흡의 중요한 부분으로, 아데노신 삼인산(ATP) 형태의 에너지 생성에 중요한 역할을 합니다. TCA 회로는 포도당, 지방산, 아미노산 등 다양한 연료원에서 파생된 분자인 아세틸 CoA를 산화시켜 ATP 및 기타 에너지 운반체를 생성하는 일련의 화학 반응입니다. 다음은 TCA 회로의 주요 단계와 구성요소에 대한 개요입니다.

아세틸 CoA

TCA 회로는 조효소 A(CoA)에 부착된 2개의 탄소 분자인 아세틸 CoA가 회로에 들어갈 때 시작됩니다. 아세틸 CoA는 포도당 분해(해당분해를 통해) 또는 지방산(베타 산화를 통해) 분해 등 다양한 소스에서 파생됩니다.

옥살아세트산과의 조합

아세틸 CoA는 옥살로 아세트산이라는 4 탄소 화합물과 결합하여 구연산염(6 탄소 분자)을 형성합니다. 이 단계는 구연산염 합성효소에 의해 촉매 됩니다.

구연산염 이성질체화

구연산염은 일련의 효소 촉매 반응을 거쳐 궁극적으로 이소구연산염으로 이성질화 됩니다. 이러한 반응에는 구연산염이 cisaconitate로 전환된 후 isocitrate로 전환되는 과정이 포함됩니다.

이소시트레이트 탈수소효소

다음 단계에서는 isocitrate dehydrogenase라는 효소에 의해 isocitrate가 산화됩니다. 이 반응은 NADH를 생성하고 이소시트레이트를 알파케토글루타레이트로 전환시킵니다.

알파케토글루타레이트 탈수소효소 복합체

알파케토글루타레이트는 해당과정에서 피루브산 탈수소효소 복합체와 유사한 알파케토글루타레이트 탈수소효소 복합체에 의해 추가로 산화됩니다. 이 단계에서는 또 다른 NADH 분자가 생성되고 알파케토글루타레이트가 석시닐CoA로 전환됩니다.

석시닐 CoA에서 석시네이트로

SuccinylCoA는 succinylCoA 합성효소의 효소작용을 통해 succinate로 전환됩니다. 이 반응은 기질 수준의 인산화를 통해 한 분자의 ATP 또는 GTP(구아노신 삼인산)를 생성합니다.

석신산 탈수소효소

석신산염 탈수소효소에 의해 석신산염이 푸마르산염으로 산화됩니다. 이 효소는 미토콘드리아 내부 막에 내장되어 있고 전자 전달 사슬의 일부로서 전자를 사슬에 직접 전달한다는 점에서 독특합니다.

푸마레이트에서 말레이트로

푸마르산염은 푸마라 제 효소의 작용을 통해 말산염으로 전환됩니다.

말레이트 탈수소효소

TCA 회로의 마지막 단계는 말산염을 산화시켜 옥살아세트산을 재생시키는 과정입니다. 이 반응으로 또 다른 NADH 분자가 생성됩니다. TCA 회로는 순환 경로이며, 주기의 각 라운드마다 아세틸 CoA 한 분자가 완전히 산화되어 NADH 3 분자, FADH2 1 분자(석신산 탈수소효소 단계에서), FADH2 1 분자가 생성됩니다. 이러한 전자 운반체(NADH 및 FADH2)는 계속해서 전자 전달 사슬에 참여하여 산화적 인산화를 통해 ATP를 생성하기 위해 전자를 줍니다.

 

TCA 회로는 세포 호흡의 중요한 부분으로, 다양한 연료 분자의 산화와 전자 전달 사슬에 공급되어 상당한 양의 연료를 생성하는 에너지가 풍부한 분자(NADH 및 FADH2)의 생산을 위한 허브 역할을 합니다.