생명과학 고3 세포호흡과 광합성 심화

전자전달계와 산화적 인산화

Q: 산화적 인산화라는 이름은 무슨 뜻인가요?

NADH·FADH2의 산화에서 얻은 에너지로 ADP에 인산을 붙이는(인산화) 방식이라는 뜻입니다. 해당 과정과 TCA 회로가 쓰는 기질 수준 인산화와 구별하기 위한 이름입니다.

미토콘드리아 내막에서 NADH/FADH2의 전자가 전달되며 양성자 기울기를 형성하고 ATP 합성효소로 대량의 ATP를 생산하는 유산소 호흡의 최종 단계이다.

미토콘드리아 내막에서 NADH와

FAD H_{2}

의 전자를 여러 단백질에 차례로 넘기며

H^{+}

를 막 밖으로 퍼내고, 그

H^{+}

기울기로 ATP 합성효소가 대량의 ATP를 만드는 산소 호흡의 마지막 단계입니다.

전자가 계단을 한 칸씩 내려올 때마다 나오는 힘으로 물(

H^{+}

)을 위층 물탱크로 퍼 올립니다. 그리고 그 물이 아래로 쏟아지며 수차(ATP 합성효소)를 돌립니다. 전자는 물을 퍼 올릴 뿐, ATP를 직접 만들지 않습니다.

쉽게 말하면

해당 과정과 TCA 회로가 만든 ATP를 다 합쳐도 몇 개 되지 않습니다. 세포 호흡이 얻는 ATP의 대부분은 바로 이 단계에서 나옵니다.

앞 단계들이 진짜로 모아 온 것은 NADH와 $FAD H_{2}$ , 즉 고에너지 전자를 실은 조효소입니다. 이 전자들이 미토콘드리아 내막에 박힌 단백질 복합체들에게 차례로 넘어갑니다. 전자를 받는 힘이 점점 강한 물질로 이어져 있어서, 전자는 에너지 계단을 한 칸씩 내려가듯 이동합니다. 이 전체가 연속적인 산화·환원 반응의 사슬입니다.

계단을 내려갈 때마다 방출되는 에너지는 곧바로 ATP가 되지 않습니다. 대신 복합체들이 그 에너지로 $H^{+}$ 를 기질에서 막 사이 공간으로 퍼냅니다. 그 결과 막 사이 공간의 $H^{+}$ 농도가 높아져 전위차와 농도차가 함께 생깁니다. 이렇게 저장된 기울기를 ATP 합성효소가 쓰는 원리가 화학삼투이고, 이렇게 만들어지는 ATP를 산화적 인산화라고 부릅니다.

계단의 맨 아래에서 전자를 받아 주는 것이 산소입니다. 산소는 전자와 $H^{+}$ 를 받아 물이 됩니다.

$\frac{1}{2} O_{2} + 2 H^{+} + 2 e^{-} \to H_{2} O$

산소가 없으면 계단 끝이 막혀 전자가 정체되고, 앞의 복합체들도 전자를 넘기지 못해 전부 멈춥니다. NADH는 $NA D^{+}$ 로 돌아가지 못하고, 그러면 TCA 회로도 해당 과정도 재료가 없어 멎습니다. 산소가 없을 때 세포가 순식간에 곤란해지는 이유는 산소가 '연료를 태워서'가 아니라 전자를 받아 줄 자리가 사라져서입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

우리가 마신 산소가 물이 되어 나온다

들이마신 $O_{2}$ 의 최종 행선지는 미토콘드리아 내막의 마지막 복합체이고, 거기서 물이 됩니다. 세포 호흡 반응식 오른쪽의 $6 H_{2} O$ 는 대부분 이렇게 만들어진 물입니다.
예시 2

$FAD H_{2}$ 가 NADH보다 ATP를 적게 만드는 이유

$FAD H_{2}$ 는 NADH보다 낮은 지점에서 전자를 넘깁니다. 계단을 몇 칸 건너뛰고 아래에서 출발하는 셈이라, 퍼 올리는 $H^{+}$ 가 적고 결국 만들어지는 ATP도 적습니다. 즉 ATP 개수는 전자가 얼마나 높은 곳에서 출발하는가로 결정됩니다.
예시 3

갈색 지방과 열

만약 $H^{+}$ 가 ATP 합성효소를 거치지 않고 다른 통로로 새어 돌아온다면, 기울기의 에너지는 ATP가 아니라 열이 됩니다. 실제로 갓난아기와 겨울잠을 자는 동물의 갈색 지방 조직은 이 원리로 체온을 올립니다. 전자전달과 ATP 합성이 별개의 사건이라는 가장 강력한 증거이기도 합니다.

자주 하는 오해

전자전달계가 ATP를 직접 만든다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움전자가 이동하면서 나오는 에너지가 바로 ATP가 된다

실제로는전자전달계는 ATP를 만들지 않습니다.

H^{+}

기울기를 만들 뿐이고, ATP는 ATP 합성효소가 따로 만듭니다.

두 사건은 분리되어 있습니다. 그래서 전자전달은 정상인데

H^{+}

가 다른 곳으로 새면 ATP는 만들어지지 않고 열만 납니다(갈색 지방). '에너지를 일단

H^{+}

기울기라는 형태로 저축한 뒤 나중에 찾아 쓴다'는 두 단계 구조를 이해해야 산화적 인산화라는 이름이 비로소 말이 됩니다.

산소가 없으면 전자전달계만 멈춘다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움산소가 끊기면 마지막 단계만 못 하고, 앞의 TCA 회로와 해당 과정은 계속 돌아간다

실제로는TCA 회로도 함께 멈춥니다. 해당 과정만 발효의 도움으로 겨우 이어집니다.

전자전달계가 멈추면 NADH가

NA D^{+}

로 되돌아가지 못합니다.

NA D^{+}

는 TCA 회로와 해당 과정 모두의 필수 재료이므로, 뒤가 막히면 앞이 밀려서 함께 멈춥니다. 발효는 이 중 해당 과정만이라도 살리려고

NA D^{+}

를 자체 재생하는 우회로입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

조효소고3 TCA 회로고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

화학삼투고3

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

산화·환원 반응고2

같은 단원의 개념 — 세포호흡과 광합성

광계 I·II고3 광합성고3 광합성 영향 요인고3 명반응고3 발효고3 세포 호흡고3 탄소 고정 반응(캘빈 회로)고3 해당 과정고3 화학삼투고3 TCA 회로고3

자주 묻는 질문

Q1왜 전자를 한 번에 산소에게 주지 않고 여러 단계를 거치나요?

NADH의 전자를 산소에게 직접 주면 그 큰 에너지가 한꺼번에 열로 터져 나와 세포가 쓸 수 없습니다. 계단을 여러 칸으로 나누면 각 칸에서 나오는 적당한 크기의 에너지를

H^{+}

퍼내기에 쓸 수 있습니다.

Q2산화적 인산화라는 이름은 무슨 뜻인가요?

NADH·

FAD H_{2}

의 산화에서 얻은 에너지로 ADP에 인산을 붙이는(인산화) 방식이라는 뜻입니다. 해당 과정과 TCA 회로가 쓰는 기질 수준 인산화와 구별하기 위한 이름입니다.

Q3청산가리 같은 독이 왜 치명적인가요?

전자전달계의 마지막 복합체를 막아 전자가 산소에게 넘어가지 못하게 하기 때문입니다. 산소를 아무리 들이마셔도 쓸 수 없게 되어, 산소가 없는 것과 같은 상태가 됩니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 생명과학 · 세포호흡과 광합성 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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$H^{+}$ 기울기가 정확히 어떻게 ATP가 되는지가 남았습니다. 화학삼투로 넘어가면 미토콘드리아와 엽록체가 같은 원리를 쓴다는 것도 함께 보입니다.

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