산화와 환원의 결합

충분히 큰 음의 자유 에너지 변화를 수반하는 대사 반응은 ATP 합성과 연결될 수 있다는 것이 이론적으로 가능하다. 많은 이화 반응(catabolic reactions)에서 기질의 산화가 일어나는데 그것은 간단히 다음과 같이 나타낼 수 있다:

 

AH + 1/20 = A + HO 이런 종류의 반응의 LG는 전형적으로 -120에서 - 200 kJ mol-1 사이이며 연결 기작이 존재한다면 이론상으로 4 내지 6 분자의 ATP 합성에 이용될 수 있다. 그러 나 그림 7.1에 있는 것과 같이 기질과 연관된 환원력(reducing power)이 보전될 필요가 있으며 이것은 생합성 반응에 이용될 수 있다.

 

이처럼 이런 종류의 많은 기질 들은 ATP를 합성하는 대신 산화 반응이 운반체(carrier) 분자의 환원과 연결되어 환원력과 많은 가용 자유 에너지를 보전하게 된다. 운반체 분자는 nicotinamide adenine dinucleotide(NAD), Z nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP)이며 그 구조는 그림 7.4에서 보는 바와 같다. 기질의 산화는 따라서 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 

AH + NAD = A + NADH NADH의 산소 분자에 의한 산화는 약 -170 kJ mol의 AG를 갖고 있으므로 어떤 의미에서는 이것 역시 고에너지 화합물로 간주될 수 있다. NADH 또는 NADPH에 보전된 에너지와 환원력은 합성 반응에 (주로 NADPH) 또는 산화적 인산화 반응(주로 NADH)에 이용될 수 있다.

 

7.3 에너지 생성 대사

 

다음 미생물의 에너지 생성 대사에는 3가지 주된 종류로 호흡(respiration), 발효(fer mentation), 광합성 (photosynthesis)이 있다. 호흡 또는 발효에 의존하는 종속영양 생물체(heterotroph)에서는 탄소기질이 전형적으로 에너지, 환원력, 그리고 생합성 반응에 이용되는 중간 대사물을 공급한다.

 

독립 영양체(autotroph)에서는 에너지와 탄 소 공급원이 다르다. 그러나 종속 영양체에서 기질의 산화는 중요한 에너지원이 되는데 산소에 의한 AH의 산화와 같은 전형적인 산화는 여러 분자의. ATP 합성에 충분한 에너지를 방출할 수 있기 때문에 이화 경로가 일반적으로 많은 수의 분리된 단계로 이루어져 있다는 것이 놀라운 일이 아니다. 이것은 또한 생합성의 개시점으 로 작용하는 많은 중간 대사물을 생성하는 장점을 가지고 있다.

 

7.3.1 기질 수준의 인산화

 

해당 과정 이용할 수 있는 아주 다양한 기질들을 미생물들이 어떻게 분해하는가를 여기서 구체적으로 설명하는 것은 불가능하다. 그러나 주요 미생물군과 그들이 이용할 수 있는 기질의 일부가 표 7.1에 있다. 대신 포도당의 이용(해당 과정, glycolysis)은 기 질의 이용과 관련된 원리의 대표적인 예로 설명하고자 한다.

 

탄수화물은 호기성, 혐기성 생물체 모두에 의해 기질과 영양물 저장 분자로 꽤 널리 이용되기 때문에 해 당 과정은 미생물 세계에서 중요한 분해 경로가 된다. 해당 과정에 관련된 모든 반응 들의 모식도가 그림 7.5에 나와 있다. 포도당이 대사 되기 위해서는 먼저 활성화되어 야만 한다. 이것은 세포에 의한 에너지 소모를 요구하는데 2 분자의 ATP의 가수분 해와 인산기의 6탄당 분자로의 단계적 이동을 통해 일어난다(이 책에서 가는 인산 기를 나타내며 Pi는 무기 인산을 나타낸다.

 

인산화된 6탄당은 분리되어 2 개의 3탄 당으로 되고 이것들은 NAD의 환원과 연결된 반응에서 무기 인산에 의해 다시 인산 화 된다. 그 결과 생성되는 화합물인 glycerate - 1,3-dig 은 고에너지 화합물이라고 부르는데 그것이 가수분해 시 ATP보다 큰 자유 에너지를 갖기 때문이다. 예상했던 것과 같이 그것의 glyceraldehyde-3- 7 로부터의 합성은 양의 AG 값을 가진다. 그러나 세포가 반응물과 생성물의 농도를 조절하는 방식으로 실질적인 합성(net synthesis)이 일어난다.

 

반응물이 훨씬 많은 평형 혼합물에서 반응물의 농도가 증가하면 방정식 (7.1)의 분모의 크기가 증가하고 생성물의 실질적인 합성이 일어나면 서 방정식 (7.1)의 분자가 증가하게 된다. 그 결과 새로운 평형에 도달하게 되면 Ken 값은 일정하게 된다. 또한 반응 혼합물에서 생성물을 제거하여 그 농도가 낮아지면 다시 실질적 합성이 일어나게 된다. 해명된 모든 반응 저 활성화되어 ATP의 가수분 서가는 인산 2 개의 3탄 이해 다시 인산 화합물이라고 이다.

 

예상했던 값을 가진다. 적인 합성(net 농도가 증가 이 일어나면 하게 되면 Kea 도가 낮아지면 Glycerate 1,3-dig는 ADP를 직접 인산화시킬 수 있으며 이 반응의 생성물로 나오는 glycerate-3- 가는 다음의 인산화가 일어나기 전에 이성질 현상을 거치게 된다.

 

이렇게 고에너지 인산 화합물로부터 직접 ATP가 만들어지는 과정을 기질 수 준의 인산화 반응(substrate-level phosphorylation)이라 한다. 포도당으로부터의 실질적 반응은 다음과 같이 나타내 진다: 해당 과정의 중요한 특성은 ATP의 실질적 생성과 세포가 갖고 있는 NAD를 이용 한 보다 산화된 3탄 소 최종 생성물의 형상이다. 이런 방식으로 포도당이 대사 될 때 또 하나의 중요한 결과는 여러 가지 중간 대사물의 생성이 합성 반응의 개시점으로 작용하는 상당히 다양한 유기화합물들을 제공할 수 있다는 것이다.

 

예를 들면 3탄 당 유도체들은 지질과 일부 아미노산의 합성에 이용되며 피루브산(pyruvate)과 포스포에 놀 피루브산(phosphoenolpyruvate)은 다른 아미노산 등의 합성에 요구된다. 해당 과정은 호기성이든 혐기성이든 모든 생물체에서 본질적으로 동일한 경로로 일어난다. 호기성 호흡(aerobic respiration)과 혐기성 발효(anaerobic fermentation) 사이의 근본적 차이와 특히 호기성 대사에서 산소 분자의 중요한 역할은 피루브산의 형성 후에 일어나는 반응에 달려있다.

 

7.3.2 호기성 호흡

 

포도당이 피루브산으로 분해되면서 약 170 kJ mol'의 자유 에너지를 방출한다. 그러나 이것은 기질의 완전한 산화 때보다는 훨씬 낮은 값이다. 호흡의 주된 최종 산물은 이산화탄소이며 포도당으로부터의 생성 시에 약 3000 kJ mol'의 에너지를 방출한다: glucose + 60 = 6CO. + 6HO 포도당의 완전 산화로부터의 에너지 생성은 그것의 피루브산까지의 대사에서 나 오는 것의 약 20배가 된다.

 

여기에서도 세포는 단 한 번의 높은 에너지 생성 단계로 완전한 산화를 일으키지 않고 일련의 반응들을 통해 일으킨다. 또한 세포는 프루브 산에서 유래한 유기탄소를 산화하는데 직접 산소 분자를 이용하지 않는다. (a) TCA cycle 피루브산(CH · CO. COOH)으로부터 이산화탄소를 얻기 위해서는 반드시 탈수소 반응(dehydrogenation)이 필요하다.

 

그러나 먼저 피루브산으로부터 아세틸기(CH. CO-)가 떨어져서 NAD의 환원과 연결된 반응에서 조효소 A(coenzyme A, CoA)라고 하는 운반체 분자에 전달되어야 한다: CH3 · CO · S · CoA+CO2+NADH, CH3 COCOOH+NAD+COASH – 아세틸 기는 그다음에 4탄 소 화합물인 옥살 초산(oxaloacetate)으로 전달되어 구연산(citrate)을 형성한다.

 

CH.CO. S-CoA + HOOC.CO. CH.COOH + H. HOOC-CH(COH(COOH) 2 CHCOOH + CoASH 8개의 중간 대사물을 포함한 일련의 반응(그림 7.6)에서 4번의 탈수소 반응(즉 NAD 4 분자의 환원), 2번의 수화반응(hydration, 물의 첨가)과 2번의 탈탄산 반응 (decarboxylation, CO2의 제거)을 거쳐 옥살 초산이 다시 만들어진다.