이화작용의 요소들과 산화 환원

이화작용은 다양한 생산기작이 있다

첫번째로 언급할 것은 화학유기영양체(Chemoorganotrophs)로 발효와 호흡을 한다

Fermentation

발효(Fermentation)은 혐기성 이화작용으로 유기화합물을 전자공여체와 전자수용체로 사용한다

이는 고에너지 매개물로 직접 합성과 효소반응을 하며 ATP는 기질수준 인산화(Substrate level phosphorylation)을 한다

호흡(Respiration)은 화합물이 산소(O2)를 대체로 최종전자수용체에 산화되는 이화작용이다

이는 산화적 인산화(Oxidative phosphorylation)라 하며 지금부터 많이 언급하게 될 양성자 동력(Proton motive force)를 소모하여 생성되는 것이다

발효와 호흡을 비교할때, 산소를 사용하는 호흡이 발효보다 ATP를 더 많이 생성하는 점이 있다

Glycolysis

발효과정에서 좋은 기질은 포도당으로, 이 포도당은 피루브산(Pyruvate)으로 전환되며 해당과정(Glycolysis)를 통하여 에너지를 발생하게 된다

해당과정은 총 3단계로 분리되어 진다

1단계는 준비(Preparatory)로, 중간 대사물질을 생산하는 것이다

2단계는 산화 환원 반응으로 ATP를 보존하며 피루브산을 생성하는 것이다

3단계는 산화 환원 반응을 통해 발효 생산물(Fermentation product)를 생산해 내는 것이다

이로써 해당과정은 2개의 ATP를 생성해낸다

여기서에서 중요한 점은 NAD+를 전자전달체로 사용하며, NADH는 NAD+로 다시 산화하는 것으로 반복적인 일을 하는 것이다

호흡과 전자전달체로 들어와서, 유기호흡, 즉 호기성호흡(Aerobic respiration)은 최종 전자수용체로 O2, 산소를 이용한 산화이다

이는 발효보다 높은 ATP를 생성해내며 전자전달체에 의해 생성된 양성자 돌력으로 ATP를 만드는 것으로 이를 산화적 인산화라고 위에서 언급하였다

여기에서 전자전달체의 전자전달계는 세포의 막과 관련, 연관되어 있다

첫번째, 최초 공여체에서 마지막 수용체로 전자의 전달을 매개하는 것이다

두번째, 에너지 보존으로 막에서 참여하며, 산화 환원 효소가 참여하는 것이다

산화 환원 효소에는 많은 것들이 있다

NADH 탈수소효소(NADH dehydrogenases), 플라보 단백질(Flavo proteins)과 철-황 단백질(Iron-sulfur proteins), 그리고 사이토크롬(시토크롬, Cytochromes) 등이 있다

NADH 탈수소 효소는 세포막 내부표면에 있는 단백질로 NADH와 결합하는 부위가 있고 NADH가 NAD+로 전환할때 전자와 양성자(2e-,2H+)를 받는다

NADH 탈수소 효소로 부터 2개의 전자와 양성자를 받은 플라보 단백질은 비타민 리보플라빈 유도체를 포함한다

이는 플라빈 부분이 2e-와 2H+를 받고 환원을 하거나, 2e-를 전달계의 다음 전달체에 줘 산화하는 보결분자단이다

플라빈 부분은 FMN(플라빈 모노뉴클레오티드, Flavin adenine mononucleotide)와 FAD(플라빈 아데닌 디뉴클레오티드, Flavin adenine dinucleotide)가 존재한다

철-황 단백질은 페레독신(Ferredoxin)으로 Fe2S2의 형태로 존재하는 것이며, 시토크롬은 헴에 있는 철원소에 단일전자로 산화, 환원하는 것이다

비단백질 요소로 퀴논(Quinone)이란 것이 잇는데 이는 소수성으로 막 내에서 자유롭게 움직이며 2e-를 전달체에 전달해주며 철-황 단백질과 시토크롬 사이의 연결체로 참여한다

양성자 동력에 들어와서, 양성자 동력이란 전자전달체로 막에 정렬이 되어 있는 것인데, 양성자가 전자로부터 분리되며 전자를 전달하는 것이다

NADH 탈수소효소를 통해서 NADH에서 전자전달계로 2개의 전자와 2개의 양성자를 받으며, NADH와 세포질에서 물이 분해되어 막 외부 표면에 H+가 방출되는 것이다

막내부는 OH-가 증가하게 되며 막 외부와 내부의 pH 차이가 생긴다

이로써 pH와 전자화학 전위(Electrochemical potential)을 통해 양성자 동력, pmf 를 형성하게 된다