물리학의 기본 법칙에 따라 모든 생명체는 생명을 유지하기 위해 어떤 형태로든 환경으로부터 에너지를 필요로합니다. 분명히, 다른 유기체는 성장, 수리 및 번식과 같은 일상적인 과정을 구동하는 세포 기계에 전력을 공급하기 위해 다양한 소스에서 연료를 수확하는 다양한 수단을 진화 시켰습니다.
식물과 동물은 분명히 음식을 얻지 못합니다 (또는 실제로 아무것도 "먹을 수없는"유기체에서 동등한 것). 유사한 수단과 각각의 내부는 연료 원에서 추출 된 분자를 동일한 방식으로 원격으로 분해하지 않습니다. 어떤 유기체는 생존을 위해 산소를 필요로하고, 다른 유기체는 그것에 의해 죽고, 또 다른 유기체는 그것을 견딜 수 있지만 그 부재시에는 잘 기능합니다.
탄소가 풍부한 화합물의 화학 결합에서 에너지를 추출하기 위해 생명체가 사용하는 다양한 전략에도 불구하고 일련의 10 가지 대사 반응을 총칭하여 해당 작용 원핵 생물 (거의 모두가 박테리아)과 진핵 생물 (대부분 식물, 동물 및 균류)에서 거의 모든 세포에 공통적입니다.
당분 해: 반응물 및 제품
해당 과정의 주요 투입물과 산출물에 대한 개요는 세포가 어떻게 전환되는지 이해하기위한 좋은 출발점입니다. 외부 세계에서 에너지로 모인 분자는 신체의 세포가 지속적으로 존재하는 무수한 생명 과정을 유지합니다. 약속 된.
당분 해 반응물은 종종 포도당과 산소로 나열되지만 물, 이산화탄소 및 ATP (아데노신 세포 과정을 강화하는 데 가장 일반적으로 사용되는 분자 인 삼인산 (triphosphate)은 해당 과정 산물로 제공됩니다. 다음과 같이 :
씨6H12영형6 + 6O2 -> 6 CO2 + 6 시간2O + 36 (또는 38) ATP
일부 텍스트처럼 이것을 "당분 해"라고 부르는 것은 잘못된 것입니다. 이것은 순 반응입니다 호기성 호흡 전체적으로 해당 과정이 초기 단계입니다. 자세히 보시다시피 해당 과정의 산물 자체는 실제로 피루 베이트이며 ATP 형태의 적당한 에너지입니다.
씨6H12영형6 -> 2C3H4영형3 + 2 ATP + 2 NADH + 2 H +
NADH 또는 NAD +는 탈 양성자 상태 (니코틴 아미드 아데닌 디 뉴클레오타이드)는 소위 고 에너지 전자 운반체이며 에너지 방출과 관련된 많은 세포 반응의 중간체입니다. 여기서 두 가지 사항에 유의하십시오. 하나는 해당 과정만으로는 완전한 호기성 호흡만큼 ATP를 방출하는 데 거의 효율적이지 않습니다. 해당 과정에서 생성 된 피루 베이트는 전자 수송에 도달하는 탄소 원자로가는 도중에 크렙스 회로로 들어갑니다. 체인. 해당 과정이 세포질에서 일어나는 반면, 호기성 호흡의 후속 반응은 미토콘드리아라고 불리는 세포 기관에서 발생합니다.
당분 해: 초기 단계
5 개의 탄소 원자와 1 개의 산소 원자를 포함하는 6 개의 고리 구조를 포함하는 포도당은 특수 수송 단백질에 의해 원형질막을 가로 질러 세포로 이동합니다. 일단 안으로 들어가면 즉시 인산화됩니다. 이것은 두 가지 일을합니다. 분자에 음전하를 주며, 사실상 세포 내에 포획합니다. 쉽게 원형질막을 가로 질러) 분자를 불안정하게 만들어 더 작은 현실로 나에게 구성 요소.
새로운 분자는 글루코스 -6- 포스페이트 (G-6-P)라고하는데, 포스페이트 그룹은 글루코스의 6 번 탄소 원자 (고리 구조 외부에있는 유일한 것)에 부착되기 때문입니다. 이 반응을 촉매하는 효소는 헥소 키나아제입니다. "hex-"는 "six"( "six-carbon sugar"에서와 같이)에 대한 그리스어 접두사이며 키나아제는 한 분자에서 포스페이트 그룹을 긁어내어 다른 곳에 고정시키는 효소입니다. 이 경우 인산염은 ATP에서 가져와 ADP (adenosine diphosphate)를 그대로 남깁니다.
다음 단계는 포도당 -6- 인산을 과당 -6- 인산 (F-6-P)으로 전환하는 것입니다. 이것은 단순히 원자의 재 배열 또는 이성 질화이며 더하기 나 빼기가없는 것입니다. 포도당 고리 내의 탄소 원자 중 하나가 고리 바깥쪽으로 이동하여 5 개의 원자 고리를 남깁니다. 장소. (과당은 일반적이고 자연적으로 발생하는식이 요소 인 "과일 설탕"이라는 것을 기억할 수 있습니다.)이 반응을 촉매하는 효소는 포스 포 글루코스 이성화 효소입니다.
세 번째 단계는 포스 포프 럭 토키나 제 (PFK)에 의해 촉매되고 과당 1,6- 비스 포스페이트 (F-1,6-BP)를 생성하는 또 다른 인산화입니다. 여기에서 두 번째 인산염 그룹은 이전 단계에서 고리에서 뽑힌 탄소 원자에 결합됩니다. (화학 명명법 팁 :이 분자를 "이 인산"이 아닌 "이 인산"이라고 부르는 이유는 두 개의 인산염이 탄소-인산 결합 반대편에 하나가 다른 탄소 원자에 결합되는 것이 아니라 다른 탄소 원자에 결합되었습니다.) 이전의 인산화 단계에서 공급 된 인산염은 ATP 분자에서 나오므로 이러한 초기 해당 과정에는 다음과 같은 투자가 필요합니다. 두 개의 ATP.
해당 과정의 네 번째 단계는 현재 매우 불안정한 6 개 탄소 분자를 글리 세르 알데히드 3- 인산염 (GAP)과 디 히드 록시 아세톤 인산염 (DHAP)의 두 가지 다른 3 개 탄소 분자로 분해합니다. Aldolase는 이러한 절단을 담당하는 효소입니다. 이 세 개의 탄소 분자의 이름을 보면 각각이 부모 분자에서 인산염 중 하나를 얻는다는 것을 알 수 있습니다.
당분 해: 최종 단계
작은 에너지 입력으로 인해 포도당이 조작되고 거의 동일한 조각으로 나뉘어 진 상태에서 해당 과정의 나머지 반응은 순 에너지를 생성하는 방식으로 인산염의 재생을 포함합니다 이득. 이것이 발생하는 기본적인 이유는 이러한 화합물에서 인산염 그룹을 제거하는 것이 더 많기 때문입니다. 단순히 ATP 분자에서 직접 가져 와서 다른 물질에 적용하는 것보다 에너지 적으로 유리합니다. 목적; 해당 과정의 초기 단계를 "돈을 써야만 돈을 벌어야한다"라는 옛 격언을 생각해보십시오.
G-6-P 및 F-6-P와 마찬가지로 GAP 및 DHAP는 이성질체입니다. 분자식은 동일하지만 물리적 구조는 다릅니다. GAP는 포도당과 피루 베이트 사이의 직접적인 화학적 경로에있는 반면 DHAP는 그렇지 않습니다. 따라서 해당 과정의 다섯 번째 단계에서는 triose phosphate isomerase (TIM)라는 효소가 담당하고 DHAP를 GAP로 전환합니다. 이 효소는 인간의 모든 에너지 대사에서 가장 효율적인 효소 중 하나로 설명되어 약 100 억 (10 억)의 비율로 반응 속도를 높입니다.10).
여섯 번째 단계에서 GAP는 glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase에 의해 효소의 영향을 받아 1,3-bisphosphoglycerate (1,3-BPG)로 전환됩니다. Dehydrogenase 효소는 이름에서 알 수있는 것과 정확히 일치합니다. 수소 원자 (또는 원하는 경우 양성자)를 제거합니다. GAP에서 방출 된 수소는 NAD + 분자로 이동하여 NADH를 생성합니다. 이 단계로 시작하여 회계 목적으로 포도당의 초기 분자가 다음과 같이되기 때문에 모든 것이 2로 곱해집니다. 두 GAP 분자. 따라서이 단계 후에 두 개의 NAD + 분자가 두 개의 NADH 분자로 환원됩니다.
해당 과정의 초기 인산화 반응의 사실상 반전은 일곱 번째 단계에서 시작됩니다. 여기에서 효소 phosphoglycerate kinase는 1,3-BPG에서 인산염을 제거하여 3-phosphoglycerate (3-PG)를 생성하고 인산염은 ADP에 착륙하여 ATP를 형성합니다. 다시 말하지만, 이것은 해당 과정에 들어가는 모든 포도당 분자에 대해 2 개의 1,3-BOG 분자를 포함하기 때문에 이는 2 개의 ATP가 전체적으로 생산되어 1 단계에 투자 된 2 개의 ATP를 취소 함을 의미합니다. 그리고 세.
8 단계에서 3-PG는 포스 포 글리세 레이트 뮤 타제 덕분에 2- 포스 포 글리세 레이트 (2-PG)로 전환됩니다.이 포스 포 글리세 레이트 뮤타 아제는 남아있는 포스페이트 그룹을 추출하여 탄소 한 개 위로 이동시킵니다. Mutase 효소는 전체 분자의 구조를 상당히 재배 열하는 것이 아니라, 그들은 단지 하나의 "잔류 물"(이 경우 인산염 그룹)을 새로운 위치로 이동시키면서 전체 구조를 남깁니다. 손대지 않은.
그러나 9 단계에서는 2-PG가 효소에 놀라 제에 의해 포스 포에 놀 피루 베이트 (PEP)로 전환되기 때문에 이러한 구조 보존이 문제가됩니다. 에놀은 alk_ene과 알코올의 조합입니다. 알켄은 탄소-탄소 이중 결합을 포함하는 탄화수소이고 알코올은 수산기 (-OH)가 추가 된 탄화수소입니다. enol의 경우 -OH는 PEP의 탄소-탄소 이중 결합에 관련된 탄소 중 하나에 부착됩니다.
마지막으로 해당 과정의 열 번째이자 마지막 단계에서 PEP는 효소 pyruvate kinase에 의해 pyruvate로 전환됩니다. 이 단계에서 다양한 행위자의 이름에서 ATP의 또 다른 두 분자가 프로세스에서 생성되는 것으로 의심되면 (실제 반응 당 하나) 맞습니다. 인산염 그룹은 PEP에서 제거되고 근처에 숨어있는 ADP에 추가되어 ATP와 피루 베이트를 생성합니다. 피루 베이트는 케톤으로, 비 말단 탄소 (즉, 분자의 끝) 산소와의 이중 결합 및 다른 탄소와 두 개의 단일 결합에 관여 원자. 피루 베이트의 화학식은 C입니다.3H4영형3하지만 이것을 (CH3) CO (COOH)는 해당 과정의 최종 산물을보다 잘 보여줍니다.
에너지 고려 사항과 피루 베이트의 운명
방출 된 에너지의 총량 (에너지 "생산"이 잘못된 이름이므로 "생산"이라고 말하는 것은 잘못된 것입니다)은 포도당 분자 당 2 개의 ATP로 편리하게 표현됩니다. 그러나 수학적으로 더 정확하게 말하자면, 이것은 또한 글루코스 몰당 88 킬로 줄 (kJ / mol)이며, 이는 몰당 약 21 킬로 칼로리 (kcal / mol)에 해당합니다. 물질의 몰은 Avogadro의 분자 수 또는 6.02 × 10을 포함하는 물질의 질량입니다.23 분자. 포도당의 분자량은 180g을 약간 넘습니다.
이전에 언급했듯이 호기성 호흡은 포도 당당 30 개 이상의 ATP 분자를 유도 할 수 있기 때문에 해당 과정의 에너지 생산만을 사소한 것으로 간주하고 가치 없는. 이것은 완전히 사실이 아닙니다. 약 35 억년 동안 존재해온 박테리아는 진핵 생물에 대한 요구 사항이 거의없는 매우 단순한 생명체이기 때문입니다. 하다.
사실, 전체 계획을 머릿속에 세워두면 호기성 호흡을 다르게 볼 수 있습니다. 생산은 확실히 생화학 적이며 진화론적인 경이로움이며, 대부분 그것을 사용하는 유기체는 절대적으로 그것. 이것은 산소가 발견되지 않을 때 호기성에 전적으로 또는 크게 의존하는 유기체를 의미합니다. 신진 대사 (즉, 이 토론을 읽는 모든 유기체)는 산소.
어쨌든 해당 과정에서 생성 된 대부분의 피루 베이트는 미토콘드리아 기질로 이동합니다. 전체 세포의 세포질) 및 구연산 회로 또는 트리 카르 복실 산이라고도하는 크렙스 회로에 들어갑니다. 주기. 이 일련의 반응은 주로 NADH와 FADH라는 관련 화합물 인 많은 고 에너지 전자 운반체를 생성하는 데 사용됩니다.2, 그러나 또한 원래 포도당 분자 당 2 개의 ATP를 생성합니다. 이 분자는 미토콘드리아 막으로 이동하여 궁극적으로 34 개의 ATP를 더 많이 방출하는 전자 수송 연쇄 반응에 참여합니다.
산소가 충분하지 않은 경우 (예: 격렬하게 운동 할 때) 일부 피루 베이트는 발효되고 피루 베이트가 젖산으로 전환되어 대사에 사용하기 위해 더 많은 NAD +를 생성하는 일종의 혐기성 대사 프로세스.