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8.12: ATP 수율
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8.12: ATP 수율

세포 호흡(cellular respiration)은 포도당 분자당 30-32개의 아데노신삼인산(adenosine triphosphate, 줄여서 ATP) 분자를 생성합니다. 대부분의 ATP는 산화적 인산화(oxidative phosphorylation)와 및 전자전달계(electron transport chain)에서 발생하지만, 4개의 ATP는 사전에 획득됩니다 (2개는 해당과정(glycolysis)에서, 2개는 시트르산회로(citric acid cycle)에서).

전자전달계는 내부 미토콘드리아 막에 내장되어 있으며 4개의 주요 단백질 복합체(I, II, III, IV)와 ATP 합성효소(ATP synthase)로 구성되어 있습니다. NADH와 FADH2는 이러한 복합체에 전자(electron)를 전달하여 양성자(proton)를 막간공간(intermembrane space)으로 펌프질합니다. 이러한 양성자 분포는 막 전체에 걸쳐 농도 구배(concentration gradient)를 생성합니다. 이러한 농도 구배는 양성자가 ATP 합성효소를 통해 미토콘드리아 기질로 다시 흐를 때 ATP의 생성을 촉진합니다.

NADH가 복합체 I에 전달하는 전자 2개당 복합체 I과 III는 각각 양성자 4개를 펌프질하고 복합체 IV는 양성자 2개를 펌프질하여 총 3개의 복합체가 양성자 10개를 펌프질합니다. 복합체 II는 NADH가 시작한 전자전달에 관여하지 않습니다. 한편, FADH2는 전자 2개를 복합체 II에 전달하며, 이렇게 전달된 전자 2개당 총 6개의 양성자가 펌프질 됩니다 (복합체 III가 양성자 4개, 복합체 IV가 양성자 2개를 펌프질합니다).

ATP 1개를 합성하려면 양성자 4개가 필요합니다. NADH 1개당 양성자 10개가 펌프질되므로, NADH 1개는 ATP 2.5개를 생성합니다 (즉, 10/4). FADH2 1개당 양성자 6개가 펌프질되므로, FADH2 1개는 ATP 1.5개를 생성합니다 (즉, 6/4).

세포 호흡은 포도당 분자 1개당 최대 10개의 NADH와 2개의 FADH2를 생성합니다. NADH 1개는 2.5 ATP를 생산하고, FADH2 1개는 1.5 ATP를 생성하므로, 총 25 + 3, 즉 28개의 ATP가 산화적 인산화에서 생성됩니다. 산화적 인산화 이전에 4개의 ATP가 생성되었으므로, 세포 호흡 전체를 보면 포도당 분자 1개당 최대 32개의 ATP를 생성합니다.

여기서 중요한 것은 해당과정은 세포액(cytosol)에서 일어나고 전자전달계는 (진핵생물의 경우) 미토콘드리아에서 일어난다는 것입니다. 미토콘드리아 막은 NADH가 침투할 수 없으므로, 해당과정에 의해 생성된 NADH의 전자 2개는 미토콘드리아에 따로 운반해야 합니다. 전자는 일단 미토콘드리아 내부로 들어가면 NAD+ 또는 FAD로 전달될 수 있습니다. 전자운반체(electron carrier)에 따라 다른 ATP 수율을 고려할 때, 세포 호흡의 총 수율은 포도당 분자 1개당 ATP 30개에서 32개입니다.


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