여러 세포질에서 일어나는 해당과정(glycolysis)은 포도당을 두 분자의 피루브산으로 쪼개는 것이다. 미토콘드리아의 기질 또는 원핵세포의 세포질에서 피루브산은 아세틸CoA로 산화된다. 이때 시트르산 회로(citric acid cycle)는 아세틸CoA를 CO2로 산화시킨다. 시트르산 회로의 일부 단계에서 전자들은 NAD+로 전달된다. NADH의 전자들은 전자전달 사슬로 전달되고 최종적으로 이 전자들은 H+와 산소와 결합하여 물을 형성한다. 이러한 산화환원 사슬에서 방출된 에너지는 산화적 인산화(oxidative phosrphorylation)에 의해서 ATP를 합성하는데 사용된다. 산화적 인산화는 전자전달과 화학삼투를 포함하는 과정이다.
포도당 한 분자가 CO2로 산화될 때 최대한 32 분자의 ATP가 생성된다. 이때 약 10%의 ATP는 기질 수준 인산화(substrate-level phosphorylation)에 의해서 형성된다. 기질 수준 인산화 반응에서 일부 효소는 기질 분자의 인산기를 ADP로 전달한다.
무기호흡을 통해서 ATP를 생성하는 생명체들은 최종 전자수용체로서 산소를 사용하지 않는 전자전달사슬을 가지고 있다. 어떤 세균은 전자를 받기 위해서 황이온을 사용하여 H2O 대신에 H2S를 생성한다.
세포가 산소나 전자전달사슬 없이 ATP를 생성하는 것이 가능한가? 발효에서 해당과정의 포도당 산화는 기질수준 인산화로 총 2 ATP를 생산하고 NADH는 피루브산 또는 피루브산 유도체로 전자를 전달하여 NAD+로 재순환된다.
알코올 발효(alcohol fermentation)에서 피루브산은 아세트알데하이드로 전환되고 이때 CO2가 방출된다. 이때 아세트알데하이드는 NADH에 의해서 환원되어 에탄올(에틸알코올)을 생성하고 NAD+가 재생산된다. 젖산발효(lactic acid fermentation)에서 피루브산은 NADH에 의해서 직접 젖산으로 환원되면서 NAD+를 재순환시킨다. 근육 세포는 에너지 수요가 높고 O2 공급이 낮으면 젖산발효로 ATP를 만든다.
발효와 유기호흡과 무기호흡 모두는 산화제로서 NAD+를 가지는 해당과정을 사용한다. 이때 포도당과 다른 유기 연료들은 피루브산으로 전환된다. NADH를 NAD+로 다시 산화시키기 위해서 발효는 최종전자수용체로서 피루브산 또는 아세트알데하이드와 같은 유기 분자들을 사용한다. 호흡은 전자들이 전자전달사슬 아래로 통과할 때 최종전자 수용체로서 산소나 다른 전기음성도가 큰 분자(무기호흡에서)를 사용한다.
절대 혐기성 생명체(obligate anaerobes)는 발효나 무기호흡으로 ATP를 만들고 산소에 의해서 중독된다. 효모와 많은 세균과 같은 조건부 혐기성 생명체(facultative anaerobes)는 산소의 존재 여부에 따라서 발효 또는 유기호흡으로 ATP를 만든다.
해당과정은 발효와 호흡 모두에서 발견되는 공통적인 과정이다. 가장 광범위하게 나타나는 이러한 물질대사 과정은 고대의 원핵세포에서 진화된듯하다. 산소 없이 세포질에서 일어나는 해당과정의 성질은 해당과정이 고대에서 진화했다는 것을 증명하는 것이다.
탄수화물은 세포 호흡에 사용될 수 있는 유일한 유형의 유기 분자인가? 단백질은 아미노산으로 소화되고 이 아미노산은 탈아미노화(아미노기가 제거되는)되어서 해당과정 또는 시트르산 회로의 몇 군데로 들어간다. 지방의 소화는 글리세롤을 형성하는데 글리세롤은 해당과정으로 들어가고 지방산은 베타산화(beta oxidation)에 의해서 2탄당 조각으로 쪼개진다. 이때 2탄당 조각은 아세틸CoA로서 시트르산 회로로 들어간다.
음식의 유기 분자들 또한 생합성을 위한 탄소골격을 제공한다. 아미노산과 같은 어떤 단량체는 직접 세포의 거대 분자들로 통합된다. 해당과정과 시트르산 회로의 어떤 중간화합물들은 이화반응 경로를 위한 전구체로서 작용한다. 탄수화물과 지방과 단백질들은 서로 상호 전환되어 세포의 필요를 충족시킨다.
참고자료: 캠벨 생명과학 요약
