세포호흡(4) - 산화적 인산화와 전자전달계

앞서 해당과정과 피루브산 산화, TCA 과정을 통해 여기까지 생성된 물질을 정리해보자.

해당과정 : 2ATP 소모, 4ATP 생성, 2NADH 생성, 2 피루브산 생성
피루브산 산화 및 TCA 회로(포도당 1분자 기준) : 6CO₂ , 8NADH, 2FADH₂ , 2ATP 생성
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총 4ATP, 10NADH, 2FADH₂, 6CO₂가 생성되었다.
우리는 계속해서 산소 호흡 후, 32ATP를 획득해야함을 잊지 말자.

포도당의 분해는 끝났지만, 우리에게는 4ATP 밖에 없다.
남은 28ATP를 얻기 위해서 10NADH, 2FADH₂에 저장되어 있는 전자의 고에너지를 이용해 ATP로 전환되는 과정이 필요함을 알 수 있다.

산화적 인산화

드디어 마지막 단계이다. 
10NADH, 2FADH₂가 미토콘드리아 내막의 특수한 단백질 시스템(전자전달계)으로 운반한 전자의 에너지로부터 ATP가 합성되는 과정을 산화적 인산화라고 한다.

일단 NADH, FADH₂가 가지고 있는 전자의 에너지 준위부터 알아보자.

에너지가 다소 많은 전자들이 전자전달계를 통해 산화 환원 과정을 거치면서 에너지를 잃는다.
에너지는 사라지는게 아니라 전환되기 때문에 이 고에너지 전자가 방출한 에너지를 통해 전자전달계의 단백질들 중 일부는 H+을 미토콘드리아의 막사이 공간에서 미토콘드리아 기질로 능동수송한다.

전자전달계 정리
1) 여러 단백질 복합체로 구성됨
2) 전자에 대한 친화력이 작은 전자운반체부터 큰 전자운반체 순으로 배열됨
  (에너지를 많이 잃은 약한 전자도 받아줄 수 있기 때문에 뒤로 갈수록 전자 운반체의 전자에 대한 친화력이 큼)
3) NADH, FADH₂에 의해 운반된 전자는 전자 운반체를 연쇄적으로 산화,환원시키면서 전달
4) 최종적으로 산소를 환원시켜 물을 생성
5) 높은 에너지를 가진 전자는 에너지를 단계적으로 방출, 이 에너지 중 일부가 ATP 합성에 이용되고 나머지는 열로 방출됨

전자 전달계

생물학에서 에너지 측면의 인산화(phosphorylation)는 ATP를 합성한다는 뜻으로 주로 쓰이며,
해당과정과 TCA회로에서는 기질 수준 인산화로 ATP를 합성하고,
전자전달계를 통해서는 산화적 인산화로 ATP를 합성한다. 이 때, 수소 이온의 농도기울기를 이용하므로 화학 삼투 인산화라고 부르기도 한다.

NADH는 전자전달 복합체 1번에 전자를 전달하며 총 3번의 수소 이온을 퍼낸다고 생각하면 된다.(복합체 1, 3, 4)
FADH2는 전자전달 복합체 2번에 전자를 전달하며 총 2번의 수소이온을 퍼낸다고 생각하면 된다.(복합체 3, 4)
그러므로 NADH와 FADH2가 만드는 수소이온의 농도기울기 정도가 다르며, NADH가 조금 더 많이 만들기 때문에 ATP 역시 NADH의 전자로 인해 만들어지는 분자수가 조금 더 많다.

NADH : 1 분자당 2.5ATP 합성 가능
FADH2 : 1 분자당 1.5ATP 합성 가능

NADH는 10분자이므로 25ATP, FADH2는 2분자이므로 3ATP가 합성되므로, 도합 28ATP를 획득할 수 있다.

비로소 우리는 산소를 이용한 세포 호흡 과정에서 획득하기로 했던 32ATP를 모두 얻게 되었다.
향후 이 ATP들은 우리가 살아가는데 필요로 하는 다른 에너지들로 전환이 되며 다양한 부분에 사용될 것이다.

화학삼투 인산화

화학 삼투 : 전기 화학적 농도 차에 따라 반투과성 막을 통한 이온의 이동
산화적 인산화(=화학 삼투 인산화)
미토콘드리아 내막을 경계로 형성된 수소이온의 농도기울기에 따라 수소이온이 ATP 합성효소를 통해 수소이온 농도가 높은 막 사이 공간에서 수소이온 농도가 낮은 미토콘드리아 기질로 촉진확산되면서 ATP가 합성되는 과정

 

글로 설명을 하다보면 부족한 부분들이 많이 있다. 참고로 AP나 일반생물학을 공부하는 학생들 입장에서는 빠진 내용들이 눈에 잘 보일 것이다.(ATP 합성효소를 통해 수소이온이 촉진확산 될 때, F0/F1 복합체 중 누군가 회전을 한다던지 하는...) 앞으로도 최대한 과학고 학생들이 이해하기 쉽게 설명하기 위함이니 불필요한 부분은 과감하게 생략할 예정이다.