생2칼럼 5회차)효소 보충+세포호흡 정리

안녕하세요! 생2 뽀개기입니다.

오늘 칼럼을 시작하기 전에 이 칼럼의 분량이 상당히 많을 것이라는 것을 알려드리고 시작하겠습니다. 저번에 못했던 내용하고 세포호흡 까지 다 하려니까... 후우 광합성은 쪼개서 해야겠네요.

-효소 보충설명

저번에 효소의 활성에 영향을 주는 요인들에 대해 설명을 못했습니다. 마저 설명해드리도록 하죠.

첫번째로는 온도와 pH가 있습니다.

효소는 각자 자신이 활동할 수 있는 최적의 온도와 pH를 갖고 있습니다. 이 온도나 pH에서 멀어질수록 효소의 활성도는 낮아지며, 효소의 변성이 일어날 수도 있습니다. 예를 들어서, 사람의 침에 있는 아밀레이스를 보도록 합시다. 아밀레이스는 체온인 36도 정도에서 최적 온도를 갖고, 입의 pH인 pH7에서 최고 활성도를 나타냅니다. pH나 온도가 변하면 활성도가 떨어지겠죠?

그런데, 북극새우의 몸 속에 있는 효소는 4도에서 최적의 온도를 갖습니다. 그 이유는 북극새우는 온도가 4도인 물에서 살기 때문이죠(물리 하는 사람들은 왜 4도인지 알겁니다).

두번쨰로는 기질농도가 있습니다.

기질 농도가 높아질수록 초기 반응 속도가 빨라지는 것은 당연한 얘기겠죠? 그러나 효소는 일정량만큼만 존재하기 때문에 기질의 농도가 아무리 높아져봤자 모든 효소가 기질과 결합하면 더 이상 반응 속도가 빨라질 수 없습니다(이 상태를 효소가 포화되었다고 말합니다). 따라서, 위의 그래프와 같은 형태를 띠게 되는 것입니다.

효소의 농도가 높아지면, 당연히 초기 반응 속도의 최댓값도 상승하게 됩니다.(a와 2a일 때를 비교해보면 쉽게 알 수 있습니다)

세번째로는 저해제가 있습니다.

위의 그림에서 저해제 ㄱ과 저해제 ㄴ이 등장합니다.

저해제 ㄱ처럼 기질과 구조가 비슷해서 효소의 활성부위에 결합할 수 있는 저해제를 '경쟁적 저해제'라 합니다. 경쟁적 저해제의 경우는 기질과 경쟁적으로 효소의 활성 부위에 결합하려 하기 때문에 A의 그래프와 같이 기질 농도가 높아진다면 저해 효과가 줄어들게 됩니다.(기질의 비율이 높아지기 때문)

반면에, 저해제 ㄴ은 활성부위가 아닌 부위에 결합하여 활성 부위를 변성시킵니다. 이러한 저해제를 '비경쟁적 저해제'라 합니다. 비경쟁적 저해제는 기질과 경쟁하지 않고 반응을 저해시킬 수 있기 때문에 기질 농도가 높아져도 저해 효과가 낮아지지 않습니다. 따라서, B와 같은 그래프를 보이게 됩니다.

아래 기출문제에서 그래프 문제를 하나 확인해보죠!

2020 9평

그래프를 대응시키자면 A-ㄱ-저해제 없음/B-ㄴ-경쟁적 저해제/C-ㄷ-비경쟁적 저해제가 되겠습니다.

ㄱ은 기질과 결합한 효소의 비율을 묻는 것인데, 초기 반응 속도가 높을수록 기질과 결합한 효소가 많다는 의미입니다. 따라서, A>B가 맞습니다.

ㄴ 선지는 효소-기질 복합체의 농도, 즉 생성물의 농도 그래프에서의 기울기를 묻고 있습니다. 접선의 기울기는 t1>t2이므로 ㄴ도 맞습니다.

ㄷ 선지는 틀렸습니다.

이런식으로 분수식이나 문제에서 주어진 표현이 어떤 것을 의미하는지 생각하면서 풀면 조금 더 수월하게 문제를 풀어나갈 수 있을 거라고 생각합니다. 정답은 ㄱ,ㄴ 4번입니다.

-세포호흡-

그러면, 본격적으로 세포호흡 들어가 보도록 하겠습니다. 우리가 알고 있는 세포호흡은 세포 내의 미토콘드리아에서 포도당을 분해하여 ATP를 만들어 낸다는 것입니다. 생2에서는 우리가 이 세포호흡의 과정, 즉 ATP가 어떻게 생산되는지 살펴볼 것입니다.

세포호흡은 크게 세 단계로 분류됩니다. 1-해당과정 2-피루브산의 산화+TCA 회로(편의상 묶었어요) 3-산화적 인산화

이 세 단계의 과정을 꼼꼼히 아는 게 생명과학2에서 매우 중요합니다! 세포호흡 단원에서만 2문제가 출제될 정도니까 여기 개념은 꼭 빠짐없이 숙지하셔야겠죠?(사실 5점 꽁으로 주는 겁니다)

1. 해당과정 

(인터넷에 있는 사진들은 과하게 복잡한 그림이 많아서 수능특강 그림을 가져왔습니다)

해당과정은 세포질에서 일어나는 세포호흡의 첫번째 단계입니다. 포도당이 세포질로 유입되면, 이 포도당에 2ATP가 소모되어 과당2인산이 됩니다. 여기까지를 에너지 투자기라고 합니다. 에너지를 투자(사용)해서 과당 2인산을 만들었기 때문이죠. 에너지 투자기 이후에는 에너지 회수기가 진행되는데 위의 그림처럼 과당 2인산이 분해된 뒤, 2분자의 NADH(+수소이온)가 생성되고 다시 4분자의 ATP가 생성되어서 2분자의 피루브산(C3H4O3)가 남게 됩니다.

정리해보도록 하겠습니다. 해당과정에서는 -2+4=+2ATP가 순생성되었고, 2분자의 NADH, 그리고 2분자의 피루브산이 생성되었습니다. 이 피루브산은 미토콘드리아 안으로 들어가서 다음 과정인 TCA 회로에 진입하게 됩니다. 또한, 해당과정에서는 산소가 필요없습니다. 따라서, 산소호흡을 하지 않는 생물들도 해당과정을 진행시킬 수 있다는 뜻입니다.

(cf. 중간과정의 물질 이름은 G3P, DPG이지만 굳이 알필요는 없습니다)

2. 피루브산의 산화와 TCA 회로

위 그림은 피루브산의 산화와 TCA 회로를 간략하게 나타낸 그림입니다.

각각의 과정을 하나하나씩 쭈욱 설명하도록 하겠습니다.

A. 피루브산의 산화

피루브산이 미토콘드리아 내부로 유입되면 피루브산에 탈탄산 효소가 작용하여 CO2가 방출됩니다. 탈수소 효소도 작용해서 NADH 한 분자도 생성이 됩니다. 또한, 조효소 CoA도 피루브산에 결합하게 되면 최종적으로 피루브산은 아세틸CoA로 바뀌게 됩니다. 아세틸 CoA는 3탄소인 피루브산에서 CO2하나가 빠진 거니까 2탄소겠죠?

B. 아세틸 CoA와 옥살아세트산이 합쳐져서 시트르산이 됩니다. 이 떄 CoA는 떨어져나갑니다.

C. 시트르산은 6탄소 화합물입니다.(옥살=4탄소+아세틸CoA=2탄소) 여기서 또다시 탈탄산 효소와 탈수소 효소가 한 번 씩 작용하여 CO2와 NADH가 생성되고 알파-케토글루타르산이 남습니다.

D. 알파-케토글루타르산에서 탈탄산효소, 탈수소효소, 기질 수준 인산화가 모두 적용되어 석신산이 남습니다. 석신산은 4탄소 화합물이 되겠죠.

E. 석신산에 탈수소 효소가 작용하는데, 이 때는 조효소 FAD가 사용됩니다! 그래서 FADH2가 생성되고 푸마르산이 남습니다. 푸마르산은 다시 말산으로 전환됩니다.

F. 말산에 탈수소 효소가 작용하여 NADH 한 분자가 생성되고 옥살 아세트산이 생성됩니다.

따라서, 피루브산 한 분자가 TCA 회로를 돌면 3CO2, 4NADH, 1FADH2가 생성된다는 것을 알 수 있습니다.

그런데, 피루브산은 총 두 분자이기 때문에 6CO2, 8NADH, 2FADH2가 생성되겠죠?

이 산물들을 가지고 다음 산화적 인산화에서 ATP를 뽑아낼 것입니다.

+수정: 현재는 TCA 회로의 중간산물 이름들이 빠졌습니다! 수특에 나와있지 않은 것으로 확인했습니다. 굳이 중간산물의 이름을 모두 외울 필요는 없습니다.

3. 산화적 인산화

지금까지 해당과정과 피루브산 산화, TCA 회로에서 생성된 NADH 와 FADH2로부터 ATP를 뽑아내는 과정입니다. 그동안 진행되었던 반응들에서 생성물들을 다 뽑아내 보자면,

해당과정: 2ATP + 2NADH

피.산+TCA 회로: 8NADH + 2FADH2 +2ATP

지금까지 나온 산물들을 쭉 정리해 보았습니다. 이 산물들을 가지고 산화적 인산화를 진행할 겁니다. 

산화적 인산화는 미토콘드리아의 내막에서 일어나는 반응으로, NADH와 FAHD2가 가지고 있는 수소 이온들을 이용하여 ATP를 뽑아내는 것입니다. 그 원리를 지금부터 설명하도록 하겠습니다.

먼저 미토콘드리아 내막은 세포막과 비슷하게 인지질 이중층으로 구성되어 있으며, 그 속에 효소 단백질들이 있습니다. 효소 단백질들은 전자를 운반하는 산화 환원 반응을 담당하고 있습니다. NADH와 FADH2에서 각각 수소 이온과 전자가 빠져 나오면 전자는 전자 운반체를 따라 이동하게 되고 최종적으로 산소와 수소 이온과 합쳐져서 물이 생성됩니다. 이 때, 처음에는 고에너지를 가졌던 전자가 전자 전달계를 따라 이동하면서 에너지를 잃는데, 이 에너지로 수소 이온을 능동수송합니다. 미토콘드리아 기질 쪽에 있는 수소 이온들을 막 사이 공간으로 운반시키는 것이죠. 이렇게 수소 이온의 농도 기울기가 형성되고, 미토콘드리아 내막에 있는 ATP 합성 효소를 통해 수소 이온이 촉진확산됩니다. 그러면서 ATP가 생성되는 것입니다.

ATP가 생성되는 정확한 개수를 구하려면 NADH와 FADH2로부터 생성될 수 있는 ATP 개수를 알아야 하는데, NADH는 하나당 2.5개, FADH2는 1.5개입니다(재수생+필자 당황). 네 저번에 말씀드린 개정파트죠. 기존에는 숫자가 달랐어요. 하여튼 그래서 지금까지 나온 NADH와 FADH2 개수를 토대로 계산해보면 10X2.5 + 2X1.5 = 28ATP에다가 기질 수준 인산화로 생성된 4ATP를 더하면 총 32ATP가 포도당 한 분자에서 나오는 거군요!

산화적 인산화에서는 산소가 사용되기 때문에 이 반응은 위에서 언급한 해당과정과는 달리 산소가 없으면 중단됩니다. 그리고, 산소가 없으면 NADH와 FADH2도 다시 환원될 수 없기 때문에, NADH와 FADH2를 기반으로 돌아가는 TCA 회로도 중단되게 됩니다.(해당과정에도 NADH가 개입되지만, 이것은 '발효'라는 방법으로 해결이 가능합니다)

이렇게 세포호흡의 전 과정을 정리해보았습니다. 휴! 힘들군요. 칼럼 진도를 나가야 하다 보니까(이 칼럼의 원래 주목적은 킬러 파트를 중점적으로 다루는 것입니다. 광합성도 사실 빨리 끝내버리고 싶지만...) 다음 시간에는 발효를 뛰어넘고 바로 광합성으로 진행하도록 하겠습니다. 발효에 대해 궁금하신 점 있다면 쪽지나 댓글로 질문해주세요!

기출문제를 잠시 살펴보도록 하겠습니다.

2020수능

a는 위치상 NADH고 b는 FADH2입니다.

ㄱ은 맞고 ㄴ은 틀렸습니다(암기 암기)

ㄷ을 주의해야 하는데, 전자전달계로 전달되는 전자의 개수와 생성되는 ATP 개수는 다릅니다! NADH 한분자건 FADH2한분자건 전자전달계로는 두 개의 전자가 전달된다는 것을 기억하시길 바랍니다!

(왜냐하면, 1/2 O2+2H⁺ +2e- =H2O 이기 때문)

2020 9평

ㄱ맞습니다. ㄴ도 맞습니다. TCA 회로는 미토콘드리아 기질에서 일어나므로 ㄱ에서 일어나는 반응이죠.

H+의 능동수송 방향이라 했으니까 기질->막 사이 공간이면 ㄱ->ㄴ이므로 ㄷ은 맞는 선지입니다.

답은 ㄱ,ㄷ... (진짜 잘못봤음)이 아니라 ㄱ,ㄴ,ㄷ 여러분 이상한 실수 하면 안돼요...

꼭! 내용상 오류는 댓글이나 쪽지로 알려주시길 바랍니다! 여러분의 지적이 더 나은 칼럼을 만듭니다.

오늘도 칼럼 읽어주셔서 감사합니다! 좋아요 많이 눌러주세요! 그럼 이만 ㅇㅅㅇ

-본 칼럼은 언제까지나 칼럼일 뿐, 핵심 개념들을 요약한 정도입니다. 생명과학2를 처음 독학하시는 분들께서는 꼭 상세한 개념도 공부해 주시길 바랍니다.-