세포호흡이란 무엇인가?

유기체는 음식으로부터 에너지를 수확하지만, 이 에너지는 세포에 의해 직접적으로 사용될 수 없습니다. 세포는 영양소에 저장된 에너지를 보다 유용한 형태인 아데노신삼인산(adenosine triphosphate, 줄여서 ATP)으로 변환합니다.

ATP는 필요할 때 빨리 방출할 수 있는 화학 결합에 에너지를 저장합니다. 세포는 세포호흡(cellular respiration) 과정을 통해 ATP의 형태로 에너지를 생산합니다. 세포호흡에서 나오는 많은 에너지가 열로 방출되지만, 그중 일부는 ATP를 만드는 데 사용됩니다.

세포호흡 중 몇몇 산화환원반응(oxidation-reduction, 줄여서 redox)은 유기 분자에서 다른 분자로 전자(electron)를 전달합니다. 여기서 산화(oxidation)는 전자 손실을, 환원(reduction)은 전자 획득을 의미합니다. 전자운반체(electron carrier) NAD⁺와 FAD는 각각 환원된 형태인 NADH와 FADH₂와 함께 세포호흡의 여러 단계에서 중요한 역할을 합니다.

어떤 원핵생물(prokaryote)은 산소가 필요하지 않은 무산소(anaerobic; 혐기성) 호흡을 합니다. 대부분의 유기체는 훨씬 더 많은 ATP를 생산하는 유산소(aerobic; 호기성) 호흡을 합니다. 유산소 호흡은 포도당과 산소를 이산화탄소와 물로 분해함으로써 ATP를 발생시킵니다.

유산소 호흡과 무산소 호흡 모두 산소가 필요하지 않은 해당과정(glycolysis)으로부터 시작됩니다. 해당과정은 포도당을 피루브산(pyruvate)으로 분해하여 ATP를 생성합니다. 산소가 없을 경우, 피루브산이 발효해서 해당과정을 지속하기 위한 NAD⁺를 생성합니다. 여러 종류의 효모는 이를 통해 알코올 발효를 합니다. 인간의 근육 세포는 산소가 고갈되면 유산(lactic acid) 발효를 합니다. 따라서 무산소 호흡은 발효로 끝납니다.

한편, 유산소 호흡은 피루브산 산화와 함께 계속됩니다. 피루브산 산화는 시트르산회로(citric acid cycle)로 들어가는 아세틸 CoA(acetyl CoA)를 생성합니다. 시트르산회로는 아세틸 CoA의 결합 에너지를 방출하는 여러 산화환원반응으로 구성되며, ATP와 환원된 전자운반체 NADH와 FADH₂를 생성합니다.

세포호흡의 마지막 단계인 산화적 인산화(oxidative phosphorylation)는 ATP의 대부분을 생성합니다. NADH와 FADH₂는 전자전달계(electron transport chain)를 통해 전자를 전달합니다. 전자전달계는 양성자를 배출하는 데 사용되는 에너지를 방출하고, 배출된 양성자는 ATP 합성을 가능하게 하는 양성자 구배(proton gradient)를 형성합니다.