세포호흡 식량에서에너지수확 -...
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PowerPoint® Lectures forCampbell Essential Biology with Physiology, Third Edition– Eric Simon, Jane Reece, and Jean Dickey
Chapter 6
세포호흡: 식량에서 에너지 수확
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그림 6.0 활동 중인 근육모든 운동선수와 마찬가지로 단거리 선수도 이들의 근육에 동력을 주기위해 세포호흡에 의존한다.
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우리와 함께하는 생물학:마라톤 선수와 단거리 선수
• 단거리선수가 단거리 경주와 장거리 경주 둘 다 잘하는경우는 거의 없음 [그림 6.0]
• 육상선수의 근육에서의 차이로 인해 단거리 경주가 유리할지 아니면 장거리 경주가 유리할 지가 결정됨
• 우리의 다리를 움직이는 근육은 주요한 두 종류의 근섬유를가지고 있음
– 느린 근섬유
– 빠른 근섬유
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• 느린 근섬유는
– 강력하지 못하나
– 지속 시간이 길고
– 산소(O2)를 사용하여 ATP를 만들어 낸다
• 빠른 근섬유는
– 훨씬 강력하나
– 대신 아주 빨리 피로해지며
– 산소 없이 ATP를 만들어 낼 수 있다
• 모든 사람의 근육은 느린 근섬유와 빠른 근섬유 둘 다가지고 있지만 이들 섬유의 구성 비율은 서로 다름
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생물권에서 에너지의 흐름과 화학순환
• 동물들은 태양에너지를 우리가 소비하는
– 당의 화학에너지나
– 그 밖의 다른 유기분자로 전환하는 능력을 지닌 식물에 의존함
• 광합성(photosynthesis)은
– 유기분자를 만드는 화학과정에 동력을 주기 위해 태양에서 온 빛에너지를 사용한다
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6.1 생산자와 소비자
• 식물과 그 밖의 다른 독립영양생물(autotroph)은
– 무기영양분으로부터 그들 자신의 모든 유기물을 스스로만들어낸다
• 종속영양생물(heterotroph)은
– 이들은 무기물로부터 유기물을 만들어내지 못하는 우리 인간과 그밖의 다른 동물들을 포함한다
• 생태계는 식량을 얻기 위해 전적으로 광합성에 의존하므로따라서 독립영양생물은 생산자(producer)가 됨
• 종속영양생물은 식물이나 다른 동물을 먹기 때문에 이들은소비자(consumer)가 됨
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6.2 광합성과 세포호흡 사이의 화학순환
• 광합성의 재료는 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)[그림 6.1]
– 이산화탄소는 식물의 잎을 통해 공기로부터 얻음
– 물은 식물의 뿌리를 통해서 축축한 흙으로부터 얻음
• 잎의 세포에 있는 엽록체는
– 빛 에너지를 사용하여 CO2 와 H2O의 원자를 재배열하여 아래와같은 물질을 생산한다
– 당(포도당과 같은)
– 그 밖의 다른 유기분자
– 산소
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햇빛에너지가생태계로 들어온다
광합성
세포호흡
C6H12O6
포도당
O2
산소
CO2
이산화탄소
H2O
물
세포가 하는 일에 동력을 제공한다
열에너지는 생태계를 떠나간다
ATP
그림6.1 생태계에서 에너지흐름과 화학순환
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• 동물과 식물은 세포호흡(cellular respiration)이라고부르는 화학적 과정을 수행하는데, 이 과정은
– 주로 미토콘드리아에서 일어나며
– 유기분자에 저장되어 있는 에너지를 수확하고
– O2를 사용하며
– ATP를 생산한다
• 세포호흡의 폐기물은
– 이산화탄소와 물인데
– 이들은 광합성의 재료로 사용된다
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• 동물세포는 오직 세포호흡만 수행함
• 식물은
– 광합성과
– 세포호흡을 수행
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세포호흡: 유산소 조건에서 식량에너지의 수확
• 세포호흡은
– 식량으로부터 화학에너지를 수확하여 이것을 ATP 에너지로전환하는 주된 방법이다
– 유산소(aerobic) 과정, 즉 이 과정은 산소를 필요로 한다
• 세포호흡과 호흡은 밀접한 관련이 있음[그림 6.2]
– 세포호흡은 세포가 자신의 주위환경과 기체교환을 필요로 한다
– 세포는 산소 가스를 받아들인다
– 세포는 이산화탄소 가스를 노폐물로 방출한다
– 우리가 숨을 쉬는 것도 혈액과 밖의 공기 사이에 이와같이 똑같은기체교환이 일어난다.
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숨쉬기
세포호흡근육세포
폐
CO2
CO2
O2
O2
그림 6.2 숨쉬기는 세포호흡과 어떤 관련이 있나
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6.3 세포호흡의 전체방정식
• 세포호흡에서 사용되는 공통적인 연료분자는 포도당임
• 세포호흡 중에 포도당에 일어나는 전체방정식:
포도당 산소 이산화탄소 물 에너지
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6.4 세포호흡에서 산소의 역할
• 세포호흡은 포도당 한 분자당 ATP를 38분자까지 만들어 낼수 있음
• 세포호흡 과정에서 수소와 이에 결합되어 있는 전자는파트너를 바꾼다
– 수소와 이것의 전자가 당으로부터 산소로 옮겨가 물을 형성한다
– 이러한 수소의 전달이 산소가 세포호흡에서 없어서는 안되는이유가 된다
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산화환원반응
• 한 물질로부터 다른 물질로 전자를 옮기는 화학반응을
– 산화환원반응[그림 6.3]
– 또는 리독스반응(redox reaction)이라고 부른다
• 산화환원반응에서 전자를 잃게 되면 산화(oxidation)라부름
• 산화환원반응에서 전자를 얻게 되면 환원(reduction)이라고부름
C6H12O6 CO2O2 H2O
포도당 산소 이산화탄소 물
6 66
환원
산화
산소가 전자(그리고 수소)를 얻는다
포도당이 전자(그리고 수소)를 잃는다
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열에너지의방출
12
H2 O2
H2O
그림 6.3 간단하게 표시한 산화환원 반응
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• 산소는 세포호흡 과정에서 포도당은 산화되고, 반면에산소는 환원됨
• 산소로의 전자전달은 왜 에너지를 방출하게 되는가?
– 전자들이 포도당으로부터 산소로 움직여 갈 때, 이것은 마치전자들이 아래로 떨어지는 것과 같음
– 이때 전자의 이러한 “떨어짐”은 세포호흡 과정에서 에너지를방출하게 됨
• 세포호흡은
– 통제된 전자의 “떨어짐”
– 마치 전자가 에너지 사다리를 단계적으로 내려가는 것과 같음
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NADH와 전자전달계
• 전자가 포도당으로부터 산소로 자신의 길을 따라가는경로는 많은 단계가 관여함[그림 6.4]
• 첫 번째 단계는 NAD+라고 부르는 전자수용체임
– 유기연료로부터 NAD+로 전자의 전달은 NAD+를 NADH로환원시킴
• 이들 경로의 나머지는 전자전달계(electron transport chain)로 이루어져 있는데, 이것은
– 일련의 산화환원반응이 관여하며
– 궁극적으로 많은 양의 ATP를 만들게 유도한다
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식량으로부터 전자
ATP를 만드는데쓸 에너지의단계적 방출
수소와 전자와 산소는합해져 물을 만든다
NADHNAD
H
H
ATP
H2O
O2
2 2
2
2
21
e e
e e
e
e
그림 6.4 식량에너지의 수확에서 산소의 역할
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6.5 세포호흡의 개괄
• 세포호흡은
– 대사경로의 한 예인데, 이것은 세포에서 일련의 반응으로이루어져 있다
• 세포호흡에 관여하는 모든 반응은 세 개의 주요 단계 나눌수 있는데, [그림 6.5]
– 해당과정과
– 시트르산회로와
– 전자전달이다
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세포질
세포질
세포질
동물세포 식물세포
미토콘드리아
미토콘드리아
NADH에 의해운반된고에너지 전자
NADH에 의해주로 운반된고에너지 전자
시트르산회로 전자전달계
해당과정
포도당2
피루브산
ATP ATP ATP
그림 6.5 세포호흡의 안내지도
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6.6 세포호흡의 세 단계
• 6-탄소 포도당이 반으로 쪼개져, 2개의 피루브산이만들어짐[그림 6.6]
• 이 2분자는 이제 고에너지 전자를 NAD+에 주어 NADH를형성함
• 해당과정은
– 6탄소 포도당이 쪼개어지기 위해서는 포도당 한 분자당 두 분자의ATP가 사용됨
– 효소가 연료분자로부터 인산기가 ADP에 전달되어 네 분자의ATP가 직접 만들어짐[그림 6.7]
• 따라서 해당과정은 포도당 한 분자 당 최종적으로 두분자의 ATP를 생산함
1단계: 해당과정
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에너지 투자기
탄소 원자
인산기
고에너지 전자
설명
포도당
2 ATP2 ADP
투입 생산
에너지 수확기
NADH
NADH
NAD
NAD2 ATP
2 ATP
2 ADP
2 ADP
2 피루브산
그림 6.7 해당과정
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ADPATP
P
P P
효소
그림 6.7 인산을 직접 전달하여 ATP 합성
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2단계: 시트르산회로
• 시트르산회로(크렙스회로)가 당의 분해를 완성함
• 해당과정으로부터 얻어진 피루브산은 시트르산회로에서사용될 수 있도록 먼저 준비되어야 함 [그림 6.8]
• 시트르산회로는
– 시트르산회로는 아세트산 분자를 최종적으로 CO2로 분해됨으로써당의 에너지를 추출하며[그림 6.9]
– 일부 에너지는 ATP를 직접 생산하는데 사용되고
– NADH와 FADH2를 만들어낸다.
에너지 수확: 크렙스회로(Blast Animation: Harvesting Energy: Krebs Cycle)
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(해당과정으로부터) (시트르산회로로)연료의 산화는NADH를 만든다
피루브산은CO2로써 탄소하나를 잃는다
아세트산은조효소A에결합한다피루브산
아세트산아세틸 CoA
조효소 A
CoA
CO2
NAD NADH
투입 생산
그림 6.8 해당과정과 시트르산회로 사이의 연결: 피루브산이 아세틸CoA로 전환
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3 NAD
ADP P
3 NADH
FADH2FAD
아세트산
시트르산
수용체분자
시트르산회로
ATP
2 CO2
투입 생산
그림 6.9 시트르산회로
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3단계: 전자전달계
• 전자전달은 우리 세포가 대부분의 ATP를 만들기 위해필요로 하는 에너지를 방출함
• 전자전달계(electron transport chain)의 분자들은미토콘드리아 내막에 배치되어 있음
– 전자전달계는 미토콘드리아 내막을 가로질러 수소이온(H+)을퍼내는 전자의 “떨어짐”에 의해 방출되는 에너지를 사용하는화학기계로 그 기능을 함 / 이들 이온은 위치에너지를 저장하고있음
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• 수소이온이 막을 통해 되돌아갈 때 이들은 에너지를방출함[그림 6.10]
– 수소이온은 ATP 합성효소(ATP synthase)를 통해 흐름
– ATP 합성효소는
이 흐름으로부터 에너지를 취하고 ATP를 합성한다
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그림 6.10 전자전달이 어떻게 ATP합성효소라는 기계를 움직이나
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• 시안화물은 치명적인 독인데, 이것은
– 전자전달계에 있는 단백질 복합체 중 하나에 결합한다
– 전자가 산소로 전달되는 것을 막는다
– ATP는 생성을 멈추게 한다
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6.7 세포호흡의 유연성
• 세포호흡은 포도당 이외에도 여러 다른 식량분자를“태울”수 있는데, 그것들은 [그림 6.11]
– 다양한 종류의 탄수화물과
– 지방과
– 단백질이다
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식량
다당류 지방 단백질
당 글리세롤 지방산 아미노산
해당과정 아세틸CoA
시트르산회로 전자전달계
ATP
그림 6.11 식량으로부터의 에너지
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세포질
미토콘드리아
NADH
시트르산회로
전자전달계
해당과정
포도당2
피루브산
2ATP
2ATP
NADHNADH
FADH2
포도당당 최대:
2아세틸CoA
약34 ATP
직접합성에의해
직접합성에의해
ATP합성효소에의해
2 2
2
6
약38 ATP
그림 6.12 세포호흡 중 ATP 산출의 요약
• 세포호흡은 포도당 한 분자당 ATP를 38분자까지 만들 수 있음
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발효: 무산소 조건에서 식량에너지의 수확
• 우리의 일부 세포는 짧은 시간 동안 산소 없이도 일을 할수가 있음
• 발효(fermentation)는 무산소(anaerobic)상태에서식량에너지를 수확함
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6.8 사람 근육세포에서의 발효
• 수업에 늦어서 뛰기 시작한다면, 우리의 근육은 무산소조건에서 일하도록 강요를 받음 폐에서 근육세포로혈류를 통해 산소를 운반하는 속도에 비해 세포에서 ATP를소비하는 속도가 더 크기 때문
• 근육세포가 무산소 상태에서 약 15초 동안 기능을 한다음에는
– 발효과정을 통해 ATP를 만들기 시작할 것이다
• 발효는 ATP를 만들기 위해 해당과정에 의존함
• 해당과정은
– O2를 요구하지는 않지만
– 포도당이 피루브산으로 쪼개질 동안에 2분자의 ATP를 생산한다
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• 해당과정에서 생산된 피루브산은
– NADH에 의해 환원되고 NAD+를 재생시키므로 해당과정은계속해서 작동된다 [그림6.13]
• 사람의 근육세포에서는 젖산이 부산물임
발효의 개관(Animation: Fermentation Overview)
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그림 6.13 발효: 젖산 생산 생산
포도당
합성 생산
2 ATP
2 NAD 2 NADH 2 NADH 2 NAD
2 H
2 ADP
2 피루브산2 젖산
해당과정
2 P
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과학연구의 과정:젖산 축적은 근육을 타게 만드는가?
• 관찰: 무산소 조건하에서 근육은 젖산을 생산한다
• 의문: 젖산의 축적이 근육 피로의 원인인가?
• 가설: 젖산의 축적이 근육의 기능을 멈추게 만들 것이다
• 실험: 젖산이 확산되는 조건과 젖산이 확산되지 않는조건에서 개구리의 근육을 검사하였다[그림 6.14]
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전지
측정된 힘
전지
측정된 힘
전류에 의해자극된
개구리 근육
용액이 젖산의 확산을막는다
용액이 젖산의 확산을허용한다; 근육은두 배나 오랫동안일을 할 수 있다
그림 6.14 근육의 피로를 측정할 수 있는 힐의 실험장치
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• 결과: 젖산이 확산되도록 만들었을 때, 수행능력이 크게나아졌다
• 결론: 젖산 축적이 근육조직에서 기능부전의 일차적인원인이다
• 하지만 최근 증거는 근육기능에 있어 젖산의 역할이명확하지 않음을 암시하고 있다.
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6.9 미생물의 발효
• 많은 종류의 미생물이 발효만으로도 충분히 살아갈 수 있음
• 발효를 이용하는 미생물에 의해서 생산된 젖산은 다음 같은여러 생산품을 얻는데 사용됨
– 치즈와 사워크림과 요구르트
– 콩간장, 오이 절임
– 소시지와 같은 육류제품
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• 현미경적 곰팡이의 한 종류인 효모는
– 다른 유형의 발효를 사용하며
– 젖산 대신에 CO2와 에탄올을 생산한다[그림 6.15]
• 이러한 유형의 알코올 발효는
– 맥주와
– 포도주와
– 빵을 만드는데 이용한다
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포도당
2 ATP
2 NAD 2 NADH 2 NADH 2 NAD
2
2 P
2 피브르산2 에틸알코올
해당과정
투입 생산
2 CO2 방출
효모발효에 의해만들어진 기포가있는 빵
맥주발효
2 ADP
H
그림 6.15 발효: 알코올 생산