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1. 세포 호흡과 에너지 대사
1.1. 세포 호흡 과정
세포 호흡은 포도당을 비롯한 유기물 형태의 에너지원을 전자전달계를 활용하는 산화를 통해 세포에서 사용할 수 있는 에너지 형태인 ATP를 생산하는 과정이다. 세포 호흡은 크게 해당과정, TCA 회로, 전자전달계 및 ATP 생성의 세 단계로 이루어진다.
해당과정에서는 포도당이 무산소 반응을 통해 두 분자의 피루브산으로 분해된다. 이 과정에서 에너지 투자기에서 2개의 ATP가 소비되지만, 에너지 회수기에서는 총 4개의 ATP가 생산되어 결과적으로 1분자의 포도당으로부터 2분자의 ATP가 형성된다. 또한 이 과정에서 2분자의 NADH가 형성된다.
해당과정에서 생성된 피루브산은 아세틸-CoA로 전환된 후 TCA 회로로 유입된다. TCA 회로에서는 아세틸-CoA가 2분자의 CO2로 산화되는데, 이 과정에서 방출된 전자는 NADH와 FADH2 형태로 저장되며 1분자의 GTP가 형성된다.
전자전달계는 전자 공여체와 전자 수용체 사이에 전자를 전달하는 연속된 막 단백질 복합체로 이루어져 있다. 전자가 전자전달계를 거치는 동안 연속적인 산화환원 반응이 일어나며, 전자는 최종적으로 산소에 전달된다. 이 과정에서 막을 통한 양성자의 능동 수송이 일어나면서 막을 경계로 양성자 농도 및 전기 포텐셜 에너지 기울기가 형성된다. 이를 원동력으로 하여 양성자가 ATP 합성 효소를 통해 이동하면서 ATP가 형성되는데 이를 산화적 인산화라 한다.인체 내에서 세포 호흡은 포도당을 분해하여 ATP를 생산하는 주요 에너지 대사 경로이다. 호흡 과정에서 생성된 ATP는 근육 수축, 신경 전달, 능동 수송 등 다양한 생명활동에 사용된다. 특히 심장, 뇌 등 고에너지 요구 기관에서 ATP는 필수적인 역할을 한다.
해당과정은 세포질에서 일어나며, 포도당을 2분자의 피루브산으로 분해한다. 이때 2분자의 ATP가 소비되지만, 4분자의 ATP가 생성되어 순 수익은 2분자의 ATP이다. 또한 2분자의 NADH가 생성되어 TCA 회로와 전자전달계에서 추가 ATP 생산에 기여한다.
TCA 회로는 미토콘드리아 기질에서 일어나며, 아세틸-CoA를 완전히 산화시켜 CO2와 환원력(NADH, FADH2)을 생성한다. TCA 회로 1회전 시 1분자의 GTP가 생성되며, 이는 ADP 인산화를 통해 ATP로 전환된다.
전자전달계는 미토콘드리아 내막의 효소 복합체들에 의해 구성되며, 해당과정과 TCA 회로에서 생성된 환원력(NADH, FADH2)을 이용하여 ATP 합성을 위한 양성자 경사를 형성한다. 이 과정에서 다량의 ATP(최대 36-38ATP)가 생산된다.
따라서 세포 호흡의 세 단계는 유기물 분해, TCA 회로, 전자전달계 및 산화적 인산화로 이어지며, 이를 통해 세포가 사용할 수 있는 에너지 형태인 ATP가 생산된다고 할 수 있다.
1.2. 호흡과 관련된 효소의 특성
호흡과 관련된 효소의 특성은 다음과 같다.
효소는 화학 반응을 촉진하기 위해 반응물(기질)과 특이적으로 결합한다. 이때 효소의 결합 부위는 기질과 상보적인 구조, 전하, 친수성 및 소수성 특성을 갖고 있어 유사한 기질 분자를 구별할 수 있다. 효소-기질 복합체가 형성되면 결합에너지에 의해 반응의 활성화 에너지가 낮아져 반응 속도가 증가한다.
세포 호흡 과정에는 다양한 효소들이 관여한다. 해당 과정에서는 헥소키나아제, 피루브산 키나아제, 락트산 탈수소효소 등이 작용한다. TCA 회로에서는 피루브산 탈수소효소 복합체, 이소구연산 탈수소효소, 알파케토글루타르산 탈수소효소 등이 기능한다. 전자전달계에서는 NADH 탈수소효소 복합체, 스타킨, 시토크롬 산화효소 등이 전자 전달을...
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