[생화학] 세포호흡 Part I (에너지 투자기)

    생명체가 생명 활동을 하기 위해서는 생체 에너지 화폐 단위인 ATP가 필요합니다. ATP는 아데노신에 3개의 인산이 붙은 형태로, 이 분자를 얻는 과정에서는 유기물을 분해하여 에너지를 얻는 과정이 필수적입니다. 실제 에너지를 얻는 유기물을 분해하기 위해서 우리 몸에서는 해당 과정, 크렙스 회로, 산화적 인산화 이 3단계를 거쳐서 포도당이라는 유기물을 분해하여 38개의 ATP를 얻습니다. 앞에서 38개의 ATP라고 설명했지만 현재 학자들마다 이견이 많은데 이는 산화적 인산화에서 이용되는 NADH₂와 FADH₂가 몇개의 ATP를 만들수 있는가에 대해서 아직까지 논란이 많기 때문입니다. 그런 관계로 이 글에서는 38개의 ATP의 관점으로 설명하도록 하겠습니다.

 수준은 생명과학 II에서 생화학 조금 건들이는 수준이 될 것 같아요. 어렵더라도 아 이런게 있구나 싶은 느낌으로 봐주시면 감사하겠습니다!

    처음으로 포도당이 세포질에 들어가게 되면 세포질에서 해당과정이라는 과정이 일어나게 됩니다. 이때 해당과정은 포도당을 전구물질로 하여 Pyruvate(피루브산)을 만드는 과정입니다. 분류하기 좋아하는 과학자들은 해당과정을 크게 에너지 투자기와 에너지 회수기로 구분하였는데 이 중 '에너지 투자기'라는 과정이 제일 첫 번째로 진행됩니다. 왜 에너지 투자기라고 부르는지 궁금해 하실 수도 있는데, 에너지 투자기로 부르는 이유는 ATP에 존재하는 인산기를 물질에 붙임으로써 해당 물질(예시로 든 과정에서는 포도당입니다)의 에너지 준위를 올리기 때문이라고 설명드릴 수 있을 것 같네요. (음 그냥 ATP라는 에너지가 있는데 이를 사용하기 때문에라고 이해하시면 좋습니다) 아래에 넣은 사진은 해당과정에서 제일 처음으로 일어나는 포도당(Glucose)이 Hexokinase에 의해 포도당 6-인산(Glucose 6-Phosphate)으로 변화하는 과정입니다. 이 과정에서 앞서 전술하였듯 ATP는 고에너지 인산결합을 하나 끊고 ADP로 변화하게 되고 포도당은 ATP에서 인산기를 하나 받아 6번 탄소에 인산기가 붙은 포도당 6-인산(Glucost 6-Phosphate)로 바뀌게 됩니다. 이렇게 물질 자체의 에너지 준위가 올라가면서 반응이 일어나기 위한 Ea(활성화 에너지, 에너지 문턱)을 넘는 것이 쉬워지는 거죠.

    6번 탄소에 인산기를 성공적으로 부착한 포도당 6-인산(Glucose 6-phosphate)은 Phosphogluco-isomerase에 의해 과당 6-인산(Fructose 6-phosphate)로 변화하게 됩니다. 포도당과 과당은 6개의 탄소를 동일하게 가지고 있는 구조 이성질체인데 포도당에 비해 과당이 에너지 준위가 더욱 높기 때문에 (왜냐하면 여섯개의 탄소를 가지고 있는 당인데 육각형이 아니라 오각형이면 상대적으로 곁가지에 큰 덩어리를 가지고 있기 때문에 불안정합니다) 해당과정을 정상적으로 진행하기 위해서는 포도당 6-인산을 과당 6-인산으로 바꾸어주는 과정이 필요한 것입니다. 따라서 Phosphglucose isomerase가 이 반응을 매개하여 포도당 6-인산(Glucose 6-phosphate)은 에너지 준위가 더 높은 과당 6-인산(Fructose 6-phosphate)으로 탈바꿈하게 됩니다.



    다음 과정입니다. 앞선 과정으로 만들어진 과당 6인산(Fructose 6-phosphate)은 Phosphofructokinase에 의해 과당 1,6-이인산(Fructose 1,6-phosphate)가 됩니다. Phosphofructokinase는 이름의 뒷부분에 kinase가 붙었듯이 ATP에서 인산기 하나를 떼어 해당 물질에 붙임으로써 해당 물질의 에너지준위를 높여주는 역할을 하게 되는데요, 이 과정에서 인산기는 과당 6인산의 1번 탄소에 붙게 됩니다.





    앞 과정을 통해 만들어진 과당 1,6-이인산은 Aldolase에 의해 두개의 분자로 쪼개지게 됩니다. 이 두개의 분자는 DHAP와 G3P입니다. DHAP는 에너지 회수기라는 과정에서 쓰이지 않는 물질이지만 G3P의 경우 에너지 회수기에서 궁극적으로 피루브산으로 변하게 되는 물질입니다. 따라서 G3P는 만들어 지는 족족 다음 과정으로 전환되기 때문에 르샤틀리에의 원리에 의해 DHAP가 일정비율 지속적으로 G3P로 변환되게 됩니다. 이 변화하는 과정에서는 Isomerase, 즉 이성질화효소가 효소로 작용하게 되는데, 이 과정이 가능한 이유는 DHAP와 G3P는 서로 구조이성질체 관계이기 때문입니다. (DHAP는 3탄당 케토스, G3P는 3탄당 알도스입니다.) 따라서 우리는 만들어지는 DHAP를 모두 G3P로 만들어 피루브산으로 만들 수 있다고 생각할 수 있습니다. 이 이유로 인해 일부 책에서는 과당 1,6-이인산(Fructose 1,6-phosphate)이 G3P 두분자를 만든다고 서술하기도 합니다.







세포호흡에 대한 첫 번째 글이 마무리되었습니다. 어떠셨는지요. 모르는 것은 가감없이 댓글로 남겨주시기 바랍니다. 시간이 날 때마다 답변 드리겠습니다. (이 주제 말고도 다양한 이야기는 환영합니다.) 긴 글 읽어주셔서 감사합니다. 모두들 좋은 날 되시길 바랍니다 :D