세포의 해당과정

세포의 에너지 생산과 관련된 세부적인 과정으로, 세포 내부에서 미세한 균형을 유지하고, 세포가 생존하기 위해 필요한 에너지를 만들어냅니다. 이러한 과정이 세포 소기관의 DNA와 미토콘드리아 세포와 관련이 있으며, 세포의 기능적 중요성과 구조적 특징에 대한 이해를 높일 수 있습니다.

세포의 해당과정

해당과정 (Glycolysis)

해당 과정은 세포 내부에서 이루어지며, 세포 소기관의 DNA와 미토콘드리아 세포가 중요한 역할을 합니다. 원시 생물의 대사는 포도당에 초점을 맞추고 있었습니다. 포도당 분자는 다양한 방법으로 분해할 수 있지만, 원시 생물은 결합 반응으로 ATP의 합성을 촉진하기에 충분한 자유 에너지를 방출하는 포도당 분해 과정을 진화시켰습니다. 당분 해라고 불리는 이 프로세스는 세포질에서 일어나, 글루코스를 피루브산의 2개의 탄소 분자로 변환하는 10의 반응 시퀀스를 포함합니다. 이 변환을 통과하는 포도당 분자마다 세포는 기질 수준의 인산화를 통해 2개의 ATP 분자를 그물 모양으로 만듭니다.

프라이밍(Priming)

프라이밍은 당분해의 전반부는 포도당 1분자를 3 탄소화합물의 2 분자인 글리세르알데히드 3-인산(G3P)으로 변환하는 5가지 연속반응으로 구성되어 있습니다. 이러한 반응은 ATP의 소비를 필요로 하기 때문에 에너지를 필요로 하는 과정입니다. 

해당과정은 스텝별로 나열해 보면,

 

스텝 A: 포도당 프라이밍. 포도당을 2개의 3탄소 인산화 분자로 쉽게 분할할 수 있는 화합물로 바꿈으로써 3개의 반응이 '소'가 됩니다. 이러한 반응 중 2개는 ATP의 분열을 필요로 하기 때문에 이 단계에서는 세포가 2개의 ATP 분자를 사용해야 합니다.

 

스텝 B: 분해 및 재배치. 나머지 한 쌍의 반응의 첫 단계에서는, A단계의 6 탄소 생성물은 2개의 3 탄소 분자로 분할됩니다. 하나는 G3P이고, 다른 하나는 두 번째 반응에 의해 G3P로 변환됩니다.

 

기질 수준의 인산화 (Substrate-Level Phosphorylation)

당분해 후반부에서는 추가로 5가지 반응이 G3P를 피루브산으로 변환하여 ATP를 생성합니다. 전체적으로 당 분해는 10가지 효소 촉매 반응의 연속이며, 몇몇 ATP가 더 많이 생성하기 위해 투자됩니다.

스텝 C: 산화. 2개의 전자와 1개의 양성자가 G3P에서 NAD+로 이동하여 NADH를 형성합니다. NAD+는 이온이며, 새로운 공유 결합 전자는 둘 다 G3P에서 온다는 점에 유의하십시오.

스텝 D: ATP 생성. 4가지 반응이 G3P를 또 다른 3 탄소 분자인 피루브산으로 변환합니다. 이 과정은 2개의 ATP 분자를 생성합니다. 각 포도당 분자는 2개의 G3P 분자로 분할되어 있기 때문에 전체적인 반응 시퀀스에서는 ATP의 2 분자와 NADH의 2 분자와 피루브산의 2 분자가 생성됩니다:

 

4 ATP(스텝 D의 2개 G3P 분자 각각에 대해 2 ATP)
– 2 ATP (스텝) A의 2가지 반응으로 사용)

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2 ATP

세포 내 비표준 조건 하에서는, 생성된 각 ATP 분자는 표준 조건에서 전통적으로 인용되는 7.3이 아니라 포도당의 몰당 약 12kcal(50kJ)의 에너지를 포착하는 것을 나타냅니다. 이는 당분해가 약 24kcal/mole(100kJ/mole)에서 수확된다는 것을 의미합니다. 이것은 큰 에너지가 아닙니다. 포도당 화학결합의 총에너지양은 1몰당 686kcal(2870kJ)이므로 당분해는 포도당 화학에너지의 3.5%밖에 수확하지 않습니다.

방출되는 에너지의 양에 관해서는 이상적이지 않지만 당분해는 ATP를 생성합니다. 10억 년 이상에 걸쳐 지구상 혐기성 생명체의 첫 단계로, 그것은 헤테로 영양 생물이 유기 분자로부터 ATP를 생성하는 주요한 방법이었습니다. 많은 생화학적 경로와 마찬가지로 당분해는 후방으로 진화한 것으로 생각되며, 프로세스의 마지막 단계는 가장 오래된 것입니다. 따라서 해당 후반 G3P의 ATP 수율 분해는 ATP를 생성하는 데 사용된 초기 헤테로트로프였을 수 있습니다. 포도당에서 G3P의 합성은 아마도 G3P의 대체원이 고갈된 후에 나타날 것입니다.

 

모든 세포는 해당분해 사용

당분해 반응 시퀀스는 진화하는 모든 생화학적 과정 중에서 가장 초기의 것이었다고 생각됩니다. 그것은 분자 산소를 사용하지 않고 혐기성 환경에서 쉽게 발생합니다. 그 모든 반응은 세포질 내에서 자유롭게 발생하며, 어떠한 세포기관이나 막 구조와도 관련되어 있지 않습니다. 모든 생물은 당분해를 할 수 있습니다. 그러나 현재 대부분의 생물은 호기성 호흡을 통해 포도당에서 상당히 많은 에너지를 추출할 수 있습니다.

산소가 없을 때의 에너지 수율은 비교적 낮은데, 왜 지금도 당분해가 일어나는 것입니까? 그 대답은 진화는 점진적인 과정이며 변화는 과거의 성공을 개선함으로써 일어난다는 것입니다. 이화대사에서 당분해는 하나의 중요한 진화적 기준을 충족했습니다: 그것은 개선이었습니다. 당분해가 되지 않는 세포는 경쟁상 불리한 위치에 있었고,
그리고 당분해가 가능한 세포만이 생명의 초기 경쟁에서 살아남았습니다. 그 후의 카타보릭 대사의 개선은, 이 성공에 근거해 구축되었습니다. 당 분해는 진화 과정에서 폐기된 것이 아니라 화학 에너지를 더 추출하는 출발점이 되었습니다. 신진대사는 오래된 건물의 벽을 덮듯이 한 층의 반응이 다른 층에 더해지면서 진화했습니다. 현재의 거의 모든 유기체는 그 진화적 과거의 대사 기억으로서 당분해를 실시하고 있습니다.

 

대사증후군의 폐쇄: NAD+의 재생

당 분해 배열의 순 반응을 잠시 검사식은 다음과 같습니다.
포도당 + 2ADP + 2Pi + 2 NAD + →
         피루브산염 × 2 + ATP × 2 + NADH × 2 + H2O × 2

당분해에는 세 가지 변화가 있음을 알 수 있습니다. (1) 포도당은 피루브산의 2 분자로 변환되고, (2) ADP의 2 분자는 기질 수준의 인산화를 통해 ATP로 변환되며, (3) NAD+의 2 분자는 NADH로 환원됩니다.

 

NADH를 재활용할 필요성

포도당으로 변환할 수 있는 식품 분자가 이용 가능한 한, 세포는 그 활동을 촉진하기 위해 끊임없이 ATP를 생성할 수 있습니다. 그러나 그렇게 함으로써 NADH를 축적하고 NAD+ 분자의 풀을 고갈시킵니다. 세포에는 대량의 NAD+가 포함되어 있지 않으며, 당분해를 지속하려면 NADH를 NAD+로 재사용해야 합니다. NAD+ 이외의 몇몇 분자는 최종적으로 G3P에서 추출된 수소 원자를 수용하고 환원해야 합니다. 2개의 분자가 이 중요한 작업을 수행할 수 있습니다.

1. 유산소 호흡. 산소는 뛰어난 전자 수용체입니다. 일련의 전자 이동을 통해 G3P에서 채취된 수소 원자는 산소에 기부되어 물을 형성할 수 있습니다. 이것은 진핵생물의 세포 내에서 산소가 존재하는 경우에 일어나는 일입니다. 왜냐하면
공기에는 산소가 풍부하며, 이 과정은 호기성 대사라고도 불립니다.

2. 발효. 산소를 사용할 수 없는 경우 유기 분자는 대신 수소 원자를 받아들일 수 있습니다. 이러한 발효는 호기성 호흡이 가능한 생물조차도 대부분의 생물의 대사에 중요한 역할을 합니다.

당분해에 의해 생성되는 피루브산염의 운명은 이 두 과정 중 어느 것이 일어나는가에 달려 있습니다. 호기성 호흡 경로는 피루브산염을 아세틸-CoA라고 불리는 분자로 산화하는 것으로 시작되며, 이후 클레브스 사이클이라고 불리는 일련의 반응으로 더욱 산화됩니다. 대조적으로 발효 경로는 피루브산의 전부 또는 일부 환원을 포함합니다. 우선 유산소 호흡 검사부터 시작해서 발효에 대해 간단히 살펴보도록 하겠습니다.

당분해는 포도당 분자의 결합을 재구성함으로써 소량의 ATP를 생성합니다. 당분해에서는 NAD+의 2분자가 NADH로 환원됩니다. 당분해를 계속하려면 NAD+를 재생해야 합니다.