Chapter 3. Bioenergetics and Metabolism

 

본 게시글은 학부 '세포생물학' 강의를 토대로 필자가 이해한 내용을 작성하였습니다.

 

 

 

 

 

3.1 Metabolic Energy and ATP

 

The Laws of Thermodynamics

 

제 1법칙 : 에너지 보존 법칙

• 계(system)와 그 주변의 총 에너지는 일정하게 유지된다.
• 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 전환될 수 있다.

 

제 2법칙

• 계의 무질서도(엔트로피, entropy)는 시간이 지남에 따라 증가
• 계는 자발적으로 더 큰 엔트로피 상태로 변화
• 깁스 자유 에너지(Gibbs Free Energy, G)
  • ΔG = ΔH - TΔS
  • ΔG < 0이면 반응 A → B가 자발적으로 진행된다.

 

ATP의 역할(The Role of ATP)

• 세포 내 조건에서 ΔG > 0인 반응은 추가적인 에너지원이 필요하다.
• For example :
  • A ⇌ B ΔG = + 10 kcal / mol
  • C ⇌ D ΔG = -20 kcal / mol
  • 결합된 반응 : A + C ⇌ B + D ΔG = -10 kcal / mol

 

Adenosine 5'-triphosphate(ATP, 아데노신 5'-삼인산)

• 세포 내 자유 에너지의 저장고 역할을 한다.
• ATP의 인산 사이 결합은 고에너지 결합(High-energy bonds)으로 알려져 있다.
• ATP의 가수분해(ATP → ADP + Pi)
• 표준 자유 에너지 변화 : ΔGº' = - 7.3 kcal / mol
• 실제 세포 저건에서 ΔG는 약 -12 kcal / mol

 

 

 

 

해당작용(Glycolysis)

• 포도당의 분해는 세포 에너지의 주요 공급원
• 반응식 : C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

 

해당작용

• 거의 모든 세포에서 공통적으로 발생하는 포도당 분해의 초기 단계
• 무산소 반응
• 포도당을 피루브산(Pyruvate)으로 분해하여 ATP 2분자와 NADH 2분자를 순생성한다.
• 두 단계로 구성 : 에너지 소비 단계 → 에너지 생성 단계
• 세포질에서 일어난다.

Glycolysis(Energy consumed)

 

 

Glycolysis(Energy produced)

 

 

 

시트르산 회로(The Citric Acid Cycle, TCA cycle)

• 피루브산의 다음 대사 단계는 CoA-SH(코엔자임 A) 존재 하에서의 산화적 탈카복실화
• CoA-SH는 다양한 대사 반응에서 아실기(Acyl groups)의 운반체로 작용한다.
• 전기화학적 기울기(Electrochemical Gradient)
• pH 기울기와 전위차(Electric potential)를 모두 포함한다.

 

 

 

The derivation of energy from lipids

 

산화적 인산화와 전자전달계(Oxidative phosphorylation & Electron transport)

 

 

 

Chemiosmotic coupling

 

• Electronichemical gradient
  • Both the pH gradient and the electric potential

 

 

 

 

광합성(Photosynthesis)

• 명반응(Light Reactions)
  • 햇빛에서 흡수한 에너지를 이용하여 H2O를 O2로 산화시키면서 ATP와 NADPH를 합성한다.

• 암반응(Dark Reactions)
  • 명반응에서 생성된 ATP와 NADPH를 사용하여 CO2와 H2O로부터 탄수화물을 합성
  • 진핵세포에서는 명반응와 암반응 모두 엽록체(Chloroplasts)에서 발생

 

전자 전달(Electron Transport)

• 엽록소(Chlorophylls)
  • 광합성 색소(Photosynthetic pigments)가 햇빛을 흡수
  • 빛의 흡수로 전자가 높은 에너지 상태로 들뜨게 되어, 햇빛의 에너지가 잠재적인 화학 에너지로 전환된다.

Electron transport

 

• 광합성 중심(Photocenters)
  • 엽록체 막 내에서 광합성 색소들이 조직화된 구조
  • 각 포토센터는 수백 개의 색소 분자를 포함한다.

Electron transtport

 

 

 

 

켈빈 회로(Calvin cycle) - Glucose의 합성

 

 

 

 

탄수화물(Carbonhydrates)

 

Gluconeogenesis(포도당 신생합성)

 

Polysaccharides의 합성

 

 

 

 

지질(Lipids)

• 지질은 중요한 에너지 저장 분자이자 생물학적 막의 주요 구성 성분
• 아세틸 CoA로부터 합성되며, 이는 지방산 산화의 역반응과 유사한 과정
• 지방산은 성장하는 사슬에 아세틸 CoA에서 유래한 2탄소 단위를 단계적으로 추가하여 합성
• 각 2탄소 단위의 추가에는 ATP 1분자와 NADPH 2분자가 소모
• 진핵세포의 세포질에서 지방산 생합성의 주요 생성물은 16탄소 지방산 팔미트산(Palmitate)

단백질(Proteins)

• 탄수화물과 지질과는 달리, 단백질(및 핵산)은 질소를 포함한다.
• 질소는 다양한 유기체에서 서로 다른 원천으로부터유기 화합물에 포함 

 

• 단백질 생합성(아미노산 생합성)

 

 

• 펩타이드 결합의 형성

 

 

 

 

핵산(Nucleic Acids)

• 뉴클레오타이드는 탄수화물과 아미노산으로부터 합성될 수 있다.
• 뉴클레오타이드 생합성의 시작점은 인산화된 Ribose-5-phosphate
• RNA와 DNA는 뉴클레오사이드 nucleoside monophosphates
• Nucleoside triphosphates(뉴클레오사이드 삼인산)은 RNA와 DNA 합성의 활성화된 전구체로 작용