이화작용을 통해 전자를 추출하여 에너지를 얻는 방법

포도당 이화작용 동안 방출된 에너지의 일부를 세포가 ATP 생성으로 어떻게 이끌는지 이해하기 위해서는 포도당 분자의 C-H 결합에 있는 전자를 자세히 살펴볼 필요가 있습니다. 8장에서 언급한 바와 같이 전자가 한 원자에서 제거되어 다른 원자에 기증되면 전자의 위치에너지도 전달됩니다. 이 과정에서 전자를 받는 원자는 감소합니다. 우리는 전자가 한 원자에서 다른 원자로 완전히 이동하는 것을 포함한 것처럼 전부 또는 전혀 없는 방법으로 환원에 대해 이야기했습니다. 이것은 종종 일어나는 일입니다. 그러나 때로는 환원에 따라 공유결합 내에서의 공유 정도가 단순하게 달라질 수도 있습니다. 자, 이 논의를 다시 한번 되돌아보고 전자의 이동이 불완전할 때 무슨 일이 일어날지 생각해 봅시다.

이화작용을 통해 전자를 추출하여 에너지를 얻는 방법

산화 환원에 대해 자세히 보기

포도당의 이화작용은 산화환원반응입니다. 포도당의 C-H 결합에서 공유 전자는 탄소와 수소 핵이 원자가 전자에 대해 거의 동일한 친화성을 가지기 때문에 C와 H 원자 간에 거의 동일하게 공유됩니다(즉, 그것들은 동일한 전기 음성도를 나타냅니다). 하지만 포도당의 탄소 원자가 산소와 반응해 이산화탄소를 형성하면 새로운 공유결합 전자는 서로 다른 위치에 놓이게 됩니다. 똑같이 공유되는 것이 아니라 포도당의 탄소 원자와 연관된 전자는 산소가 매우 전기 음성이기 때문에 CO2의 산소 원자로 크게 이동합니다.
이러한 전자는 탄소 원자로부터 멀리 끌어내기 때문에, 포도당의 탄소 원자는 산화되어(전자의 손실), 산소 원자는 감소했습니다(전자의 이득). 마찬가지로 포도당의 수소 원자가 산소 원자와 결합해 물을 형성하면 산소 원자는 공유 전자를 강하게 끌어당겨 다시 산소가 감소하고 포도당이 산화됩니다. 이 반응에서 산소는 포도당의 원자를 산화시키기 때문에 산화(전자 흡인)제입니다.

에너지의 방출

포도당의 산화를 이해하는 열쇠는 공유 전자의 에너지에 초점을 맞추는 것입니다. 공유결합에서는 돌을 언덕 위로 굴리기 위해 에너지가 사용되는 것과 마찬가지로 원자에서 전자를 제거하기 위해 에너지가 가해져야 합니다. 원자가 전기 음성일수록 전자를 떼어내기 위해 올라가야 하는 에너지 언덕은 가파릅니다. 그러나 바위가 언덕을 굴러 떨어지는 것을 허용할 때 에너지가 방출되는 것과 마찬가지로 전자가 더 적은 음의 원자에서 멀어지고 더 많은 음의 원자에 가까워지면 에너지가 방출됩니다. 포도당의 이화작용에서는 전자가 산소에 더 가까운 위치로 이동하기 때문에 포도당이 산화되면 에너지가 방출됩니다.

 

포도당은 풍부한 C-H 결합을 가지고 있기 때문에 에너지가 풍부한 식품입니다. 산화 환원의 관점에서 보면 포도당은 원자에서 멀리 떨어진 전자를 풍부하게 보유하고 있어 모두 산소에 접근할 수 있습니다. 산화적 호흡에서는 C-H 결합 수소 원자가 단순히 포도당에서 산소로 이동하는 것뿐만 아니라 원자가 전자의 위치가 이동하기 때문에 에너지가 방출됩니다. 이 시프트는 ATP를 만드는 데 사용할 수 있는 에너지를 방출합니다.

 

에너지를 수확하는 단계

일반적으로 단일 단계에서 에너지 방출이 클수록 그 에너지는 열로서 방출되며(랜덤 분자 운동) 더 유용한 경로로 유도되는 일이 적어집니다. 휘발유 연소에서는 자동차의 휘발유 탱크 내 휘발유가 한 번에 모두 폭발하거나 아니면 기통 내에서 아주 작은 폭발이 연속적으로 발생하거나 같은 양의 에너지가 방출됩니다. 휘발유 속 에너지를 한 번에 조금씩 방출함으로써 수확 효율이 높아지고 더 많은 에너지를 사용해 피스톤을 밀어 차를 움직일 수 있습니다.

같은 원리가 세포 내 포도당 산화에도 적용됩니다. 모든 수소가 한 번에 모든 자유 에너지를 방출하는 폭발적인 단계에서 산소로 이동한 경우, 세포는 유용한 형태로 그 에너지를 거의 회수하지 않습니다. 대신 세포는 자동차와 마찬가지로 조금씩 연료를 태웁니다. 포도당의 C-H 결합에 포함된 6개의 수소는 총칭하여 당분해와 클레브스 사이클이라고 불리는 효소 촉매 반응으로 단계적으로 제거됩니다. 하고 싶은 말이 태산 같았다
이러한 반응에 대해서는 이 장에서 이미 기술하고 있습니다. 수소는 조효소 운반체인 NAD+로 옮김으로써 제거된다는 것을 기억해 주십시오(그림9.15). 8장에서 설명한 NAD+는 매우 범용성이 높은 전자 수용체로 에너지를 가진 전자를 세포 전체에 셔터링함. 포도당 에너지를 수확할 때 NAD+는 1차 전자 수용체 역할을 합니다.

 

전자에 대하여

이러한 반응을 조사할 때는 전하의 변화에 현혹되지 않도록 하십시오. 항상 전자를 따라주세요. 효소는 포도당에서 2개의 수소, 즉 2개의 전자와 2개의 양성자를 추출하여 전자와 1개의 양성자를 NAD+로 이동시킵니다. 또 다른 양성자는 수소 이온인 H+로서 주위 용액으로 방출됩니다. 이 전송은 NAD+를 NADH로 변환합니다. 즉, 1개의 양의 전하를 가진 NAD+에 2개의 음전자와 하나의 양성자가 추가되어 전기적으로 중성적인 NADH가 형성됩니다.

NADH에 의해 포획된 에너지는 한 번에 모두 수확되는 것은 아닙니다.
산소로 직접 전달되는 것이 아니라 산소가 있으면 NADH가 운반하는 2개의 전자가 전자전달 사슬을 따라 전달됩니다. 이 사슬은 미토콘드리아의 내막에 박힌 일련의 분자, 대부분 단백질로 구성되어 있습니다. NADH는 전자를 전자 수송 사슬의 상부로 보내고 산소는 그것들을 하부에서 포착합니다. 산소는 다음에 합류합니다
수소 이온이 물을 형성함. 사슬의 각 단계에서 전자는 조금 더 많은 음의 캐리어로 이동하고 그 위치는 약간 시프트합니다. 따라서 전자는 에너지 경사를 아래로 이동합니다. 프로세스 전체에서 표준 조건 하에서 합계 53 kcal/mole(222 kJ/mole)이 방출됩니다. 이 사슬을 따라 전자가 이동함으로써 에너지를 서서히 꺼낼 수 있습니다.

다음 섹션에서는 이 에너지가 어떻게 ATP 생산을 촉진하는지에 대해 설명합니다.

포도당의 이화는 전자를 산소 원자에 더 가까운 위치에 재배치하여 에너지를 방출하는 일련의 산화 환원 반응을 수반합니다. 이렇게 해서 전자 운반체로 NAD+를 이용해서 포도당 분자에서 단계적으로 에너지를 채취합니다.