세포호흡의 단계
본문세포 호흡의 전체 반응식은 \(\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O}\)로 간단하다. 하지만 세포 안에서는 이 반응이 수십 단계로 나뉘어 일어난다. 포도당의 탄소 6개는 어느 단계에서 이산화 탄소로 빠져나가고, 포도당의 에너지는 어느 단계에서 무엇에 실릴까? ATP는 대부분 어디서 만들어질까?
3.2.1네 단계
첫 단계인 해당 과정은 세포질에서 일어나며, 포도당(탄소 6개) 1분자를 피루브산(탄소 3개) 2분자로 쪼갠다. 이때 ATP 2개(4개를 만들고 2개를 씀)와 NADH 2개가 생긴다. 산소가 필요 없다.
피루브산은 미토콘드리아 기질로 들어가 탄소 하나를 이산화 탄소로 내보내고 아세틸 CoA(탄소 2개)가 된다. 이때 NADH가 생긴다. 아세틸 CoA는 TCA 회로에 들어가 남은 탄소 2개를 모두 이산화 탄소로 내보내며 NADH, FADH₂, ATP를 만든다. 그래서 포도당의 탄소 6개는 피루브산 산화에서 2개, TCA 회로에서 4개가 이산화 탄소로 빠져나간다.
해당 과정 ATP 2, NADH 2 / 피루브산 산화 NADH 2, CO₂ 2 / TCA 회로 ATP 2, NADH 6, FADH₂ 2, CO₂ 4 / 전자 전달계에서 NADH 1개당 ATP 약 2.5개, FADH₂ 1개당 약 1.5개. 모두 합하면 ATP 약 32개이다.
그림 1에서 단계를 하나씩 넘겨 보자. TCA 회로까지 마쳐도 ATP는 4개뿐이다. 그런데 NADH 10개와 FADH₂ 2개가 포도당에서 떼어 낸 전자와 에너지를 들고 있다. 마지막 전자 전달계에서 이 전자가 산소에게 넘어가며 ATP 28개가 만들어진다.1
3.2.2산소의 역할
산소는 전자 전달계의 맨 끝에서 전자와 수소 이온을 받아 물이 된다. 산소가 없으면 전자가 갈 곳이 없어 전자 전달계가 멈추고, NADH가 NAD⁺로 되돌아가지 못해 TCA 회로도 멈춘다. 그래서 산소가 없으면 해당 과정의 ATP 2개만 남는다.
3.2.3예제 풀이
포도당 1 mol이 완전히 산화될 때 방출되는 에너지는 약 2870 kJ이다. 세포 호흡으로 ATP 32 mol이 만들어지고 ATP 1 mol에 30.5 kJ이 저장된다면 에너지 효율은 얼마인가? 전자 전달계가 만든 ATP는 전체의 몇 %인가?
ATP에 저장된 에너지는 \(32 \times 30.5 = 976\) kJ이므로 효율은 \(\dfrac{976}{2870} \approx 0.34\), 곧 약 34%이다. 나머지 66%는 열로 나와 체온을 유지한다.
전자 전달계(산화적 인산화)가 만든 ATP는 \(10 \times 2.5 + 2 \times 1.5 = 28\)개이므로 \(\dfrac{28}{32} \approx 88\%\)이다. 즉 ATP의 대부분은 산소를 쓰는 마지막 단계에서 나온다. 그래서 숨을 쉬지 못하면 ATP 생산이 8분의 1 아래로 떨어져, 많은 에너지를 쓰는 뇌와 심장이 가장 먼저 위험해진다.
아래 탐구 카드에서 세포 호흡이 포도당의 에너지를 꺼내는 과정과, 탄소 6개의 행방을 직접 따라가 보자.
- 교과서에 따라 ATP 수를 36~38개로 적기도 한다. 예전에는 NADH 하나에 ATP 3개로 계산했는데, 수소 이온 운반에 드는 비용을 정밀하게 재면서 2.5개로 바뀌었다.
세포 호흡은 해당 과정, 피루브산 산화, TCA 회로, 전자 전달계의 네 단계로 일어나며, 앞의 세 단계에서 포도당의 탄소가 이산화 탄소로 빠지고 에너지가 NADH와 FADH₂에 실린다. 그래서 처음 질문의 포도당 탄소 6개는 피루브산 산화와 TCA 회로에서 이산화 탄소로 나가고, 에너지는 전자 운반체에 실려 전자 전달계에서 ATP 약 28개로 바뀐다.