[목차] {{{+1 細胞呼吸 / Cellular Respiration}}} == 개요 == 생물이 유기 물질의 화학 에너지를 생명활동에 쓸 수 있는 [[에너지]]로 만드는 과정. 세포호흡을 통해 변환된 에너지는 [[ATP]] 내 인산결합의 결합에너지 형태로 저장된다. [[식물]]의 [[광합성]]과 얼추 정반대 과정으로 여겨지는 경우가 많은데, 엄밀하게는 정반대가 아니다. 왜냐하면 식물은 명반응 때 NADPH도 쓰기 때문이다.[* 참고로 사람도 NADPH를 쓸 때가 있는데 바로 세포호흡으로 생기는 산화스트레스를 완화하는 반응에 환원력을 제공하기 때문이다. 이것은 글루코소-1-인산에서 펜토스 인산 반응으로 생성된다.] == 설명 == 본질적으론 포도당이나 지방, 단백질을 연소하지 않고 [[ATP]]와 [[효소]]를 활용해 저온에서 화학 [[에너지]]로 변환시키는 과정으로, [[광합성]]과 함께 생물에게, 나아가 [[생태계]] 전체에서 에너지 순환이 가능하게 하는 주 원인이다. 포도당 1몰이 연소될 때는 686kcal이 통째로 열에너지가 되지만, 산소호흡에선 그 중 34%가 ATP 32개로 변환되고, 나머지 66%인 452.4kcal를 [[체온]]으로 쓰게 된다. [* "효율이 40%는 낮은 거 아닌가?"라고 생각하는 사람들이 있을 수도 있는데, 자동차의 에너지 효율은 20%를 거의 넘지 못한다. 인간이 지금까지 생각해낸 가장 이상적인 열기관의 효율도 58%라는 걸 감안하면, 엄청 높은 것.] 유산소 세포호흡의 경우 [[포도당]] 한 분자를 소모하여 [[이산화탄소]] 6분자, [[물]] 6분자[* 실제로는 6분자가 투입되어 12분자가 산출된다.]가 나오고, 32분자의 ATP를 생성해낸다. [[진핵생물]]의 경우에는 해당 과정에서 생성된 [[피루브산]]을 [[미토콘드리아]] 내부로 이동시켜야 하기 때문에 그 과정에서 ATP가 두 개 소모된다. == 산소호흡 == 산소 호흡은 포도당이 분해되는 과정에 따라, 크게 3가지 단계로 나눌 수 있다. 1. [[해당과정]]: 한 분자의 포도당을 두 분자의 피루브산으로 쪼갠다. 이 과정은 [[세포질]]에서 일어나며, 과정 결과 2[[ATP]]가 생성된다. 1. [[TCA 회로]]: 피루브산으로부터 다음 단계로 보낼 수소를 꺼내는 과정이다. 이 과정에서 피루브산이 산화되어 각종 유기산들이 되면서 CO2가 나온다. [[미토콘드리아]] 기질[* [[미토콘드리아]]는 이중막 구조로, 외막과 내막 사이의 빈 공간을 막간 공간, 내막의 내부 공간을 기질이라 한다.]에서 일어나며, 피루브산 1분자당 1[[ATP]]가 생성된다. 1. 산화적 인산화: 전 단계에서 나온 NADH와 FADH2가 가진 고에너지 전자를 이용하여 ATP를 합성한다. === [[해당과정]][* 당연히 '~에 해당한다.'의 해당이 아니고 당을 분해한다는 의미로 해당(解糖)이다.] === {{{+1 解糖 / Glycolysis}}} 해당과정은 한 글루코스 분자가 두 개의 피루브산으로 쪼개어지는 과정이며, 2개의 ATP를 형성하기도 한다. 또한 2개의 NAD+를 NADH로 만들어내는 중요한 역할을 한다. 이를 좀 자세하게 설명하자면 한 글루코스 분자가 들어간 이후에 세포질에서 일어나는 반응인데, 여기서 과정을 또 크게 4가지로 나눌 수 있다. * 인산화 반응: 글루코스 (혹은 아무런 헥소스)가 두 개의 ATP에 의하여 인산화가 일어나며, 헥소스 이인산 (Hexose Biphosphate)이 생겨난다. 여기서 ATP를 2개 소모하고, 이를 투자기라고도 한다. * 분해: 헥소스 이인산이 둘로 나뉘어져서 트라이오스 인산 (Triose Phosphate)을 만들어 낸다. * 산화 반응: 수소 분자가 트라이오스 인산에서 떨어져 나가고, 이 과정에서 총 2개의 NAD가 NADH로 비산화 된다. * ATP 형성: 4개의 ATP 분자가 2개의 트라이오스 인산을 피루빈산으로 만드는 과정에서 형성된다. 이를 회수기라고도 한다. 결과적으로 총 2개의 ATP[* 4(회수기에 만들어진 ATP)-2(투자기에 쓴 ATP)=2]와 2 개의 NADH 그리고 2개의 피루브산이 만들어지게 되는 것이다. 산소를 사용하지 않고, 반응 전후의 탄소 개수에 변함이 없기 때문에 이 과정에서 이산화탄소를 방출하지 않는다. === 피루브산 탈탄산화 === Link Reaction Link Reaction은 간단한 반응으로, 그저 피루브산 하나가 세포기질에서 [[미토콘드리아]] 내부로 들어온다. 이때 NADH를 하나 더, 산화 반응을 통해 만들어내고. 피루브산은 이산화 탄소의 형태로 탄소 입자 하나가 탈락한다. TCA회로가 산소를 직접적으로 사용하는 호흡 과정이 아니지만 이 탈탄산 반응에서 나오는 NADH를 전자전달계에서 산화시키려면 산소를 필요로 한다. 그리고 나머지 2개의 탄소로 구성된 분자는 조효소 A와 화합하여서 아세틸 조효소 A (Acetyl CoA)를 만들어 낸다. === [[TCA 회로]] === 해당과정으로 생성된 피루브산이 [[미토콘드리아]] 기질로 유입되어 산화되는 과정. NADH, FADH, 이산화 탄소, ATP가 생성된다. 자세한 내용은 [[TCA 회로]] 참조. === [[산화적 인산화]] === NADH와 FADH로부터 얻은 고에너지 전자를 이용해 미토콘드리아 막간공간과 기질 사이의 수소이온 농도차를 만들어, 화학삼투로 ADP에 인산을 붙여. ATP를 만드는 과정. 자세한 내용은 [[산화적 인산화]] 참조. == 에너지 효율 == 앞서 말했듯이 [[포도당]] 1분자가 산소호흡을 통해 최대 32개의 ATP([[아데노신3인산]])가 생성된다. 이때 포도당 1몰에는 686kcal의 에너지가, ATP 1몰에는 7.3kcal의 에너지가 저장되어 있으므로 산소 호흡의 에너지 효율은 약 34%이다. 이전에는 약 40%라고 알려져 있었지만, 15개정 교육과정으로 포도당 1분자당 생성하는 ATP가 38ATP에서 32ATP로 수정됨에 따라 에너지 효율도 감소하였다. == 호흡기질에 따른 산화 == === 탄수화물의 산화 === 다당류 중합체인 글리코젠과 마찬가지로 중합체 탄수화물인 녹말이 포도당으로 분해되며 세포 호흡에 이용된다. (1)포도당 포도당은 [[해당과정]]을 거쳐 2개의 [[피루브산]]으로 전환되어 [[TCA 회로]]를 거쳐 마지막으로 [[산화적 인산화]]의 순서를 통하여 진행된다. (2)[[과당]](fructose), [[갈락토스]](galactose) 과당과 갈락토스는 각각 프럭토키네이스(Km= 0.5 mM)와 갈락토키네이스(Km = 0.8 mM)에 의해서 간에서 인산화가 진행된다. 과당의 경우 해당과정과 비슷하게 진행되는 과당분해를 한다. 과당은 효소 프럭토키네이스에 의해 과당 1-인산으로 전환되고, 과당 1-인산은 효소 알돌레이스β에 의해 다이하이드록시아세톤 인산과 글리세르알데하이드로 분해된다. 이때 해당과정 속 글리세르알데하이드 3-인산과 달리 인산기를 가지고 있지 않다. 따라서 효소 트리오키네이스를 통해 글리세르알데하이드를 인산화시켜 글리세르알데하이드 3-인산으로 전환시켜준다. 이후는 해당과정의 나머지 과정을 동일하게 진행하며 이후 동일하게 TCA회로와 산화적인산화를 통해 ATP를 합성한다. 갈락토스의 경우 주된 대사 경로는 를루아르 경로이다. 를루아르 경로는 β-D-갈락토스를 UDP-포도당으로 전환시키는 과정이다. 첫단계는 Mutarotase,GALM (변광회전효소)를 이용해 β-D-갈락토스를 α-D-갈락토스로 전환시킨다. 이후 갈락토키네이스(GALK)를 통해 α-D-갈락토스를 갈락토스 1-인산으로 인산화시킨후 갈락토스 1-인산 유리딜기 전이효소(GALT)가 UDP-포도당의 UDP를 갈락토스 1-인산으로 전이시킴으로써 UDP-갈락토스를 형성한후 UDP-갈락토오스를 UDP-갈락토스 4-에피머화효소(GALE)을 통하여 UDP-포도당으로 상호변환시킨다. 이후 과당과 마찬가지로 나머지 해당과정과 TCA회로, 산화적인산화 과정을 통하여 ATP 합성을 진행한다. === 단백질의 산화 === 단백질은 소화를 통해서 [[아미노산]]으로 분해된다. 아미노산은 탈아미노 작용으로 아미노기(-NH2)가 제거된후 다양한 유기산과 [[암모니아]](NH3)로 전환된다. 다양한 유기산은 [[피루브산]], 아세틸 CoA, TCA 회로의 중간산물중 하나로 전환된후 해당과정을 거치지 않고 TCA 회로와 산화적인산화를 통해 ATP를 합성한다. === 지방의 산화 === 지방은 지방산과 글리세롤로 분해되어 호흡기질로 사용된다. (1)[[글리세롤]]의 경우 글리세롤는 글리세르알데하이드 3-인산(G3P)로 전환된후 나머지 해당과정과 TCA회로, 산화적 인산화를 거쳐 ATP를 합성한다. (2)[[지방산]]의 경우 지방산은 β-산화작용을 통해 아세틸 CoA로 분해된후 해당과정을 거치지 않고 TCA 회로, 산화적인산화를 거쳐 ATP를 합성한다. == 호흡률 == 호흡률(RQ : Respiratory Quotient)은 호흡 기질이 세포 호흡에 의해 산화될 때, 발생한 CO2(이산화탄소) 부피비를 소모한 O2(산소) 부피비로 나눈것이다. 호흡률 = 방출된 CO2(이산화탄소)의 부피(방출량)/소비된 O2(산소)의 부피(흡수량) 탄수화물의 호흡률=1, 단백질의 호흡률=약0.8, 지방의 호흡률=약0.7 이다. == 여담 == 동식물의 세포 호흡은 [[산소]]를 소모하여 [[이산화탄소]]를 배출하므로 생물권의 [[탄소]]를 기권으로 이동시키는 역할을 한다. 2020년 기준, 중학교 과정에선 2학년 2학기 생물 시간에 잠깐 설명되고, 고등학교 과정에선 [[생명 과학Ⅱ]]에서 세포호흡에 관한 자세한 내용을 다룬다. [[분류:세포]]