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