생명과학 고3 세포호흡과 광합성 심화

해당 과정

세포질에서 포도당이 피루브산으로 분해되며 ATP 2분자와 NADH를 생성하는 과정이다.

세포질에서 포도당(탄소 6개) 한 분자를 피루브산(탄소 3개) 두 분자로 쪼개면서 ATP 2분자와 NADH 2분자를 얻는, 세포 호흡의 첫 단계입니다.

장작을 태우기 전에 도끼로 반으로 쪼개는 일입니다. 쪼개는 데 힘(ATP 2개)을 먼저 써야 하지만, 쪼개고 나면 그보다 더 많이(ATP 4개) 돌려받습니다.

쉽게 말하면

세포 호흡의 출발점입니다. 이름 그대로 '당(glyco)을 쪼갠다(lysis)'는 뜻이고, 열 단계 남짓한 효소 반응으로 이루어집니다.

$C_{6} H_{12} O_{6} + 2 NA D^{+} + 2 ADP + 2 P_{i} \to 2 피루브산 + 2 NADH + 2 ATP$

특이한 것은 처음에 ATP를 씁니다. 앞부분(투자기)에서 ATP 2개를 써서 포도당에 인산을 붙여 불안정하게 만든 뒤, 뒷부분(회수기)에서 ATP 4개를 거둡니다. 그래서 순수하게 남는 것은 $4 - 2 = 2$ 개입니다. 산 위의 바위를 굴리려면 먼저 밀어 올려야 하듯, 안정한 포도당을 반응시키려면 활성화 에너지를 먼저 넣어야 합니다.

여기서 ATP를 만드는 방식은 기질에 붙어 있던 인산을 ADP에 직접 옮겨 붙이는 기질 수준 인산화입니다. 뒤에 나올 전자전달계와 산화적 인산화처럼 $H^{+}$ 기울기를 쓰는 방식이 아니라서, 산소도 미토콘드리아도 필요하지 않습니다.

하지만 함정이 있습니다. 해당 과정은 $NA D^{+}$ 를 써서 $NADH$ 를 만듭니다. 세포 안의 $NA D^{+}$ 양은 정해져 있으므로, 만들어진 NADH를 다시 $NA D^{+}$ 로 되돌리지 않으면 해당 과정은 몇 초 만에 멈춥니다. 산소가 있으면 미토콘드리아가 NADH를 비워 주고, 산소가 없으면 발효가 그 일을 대신합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

왜 ATP를 먼저 2개나 쓸까

포도당은 매우 안정한 분자라 그냥 두면 쪼개지지 않습니다. 인산을 두 번 붙여 불안정하고 다루기 쉬운 모양으로 바꿔야 효소가 반으로 자를 수 있습니다. '벌기 위해 먼저 투자한다'는 구조는 대사 경로에서 흔히 볼 수 있습니다.
예시 2

미토콘드리아가 없는 적혈구

사람의 성숙한 적혈구에는 미토콘드리아가 없습니다. 그래서 TCA 회로도 전자전달계도 돌릴 수 없고, 오직 해당 과정으로만 ATP를 얻습니다. 해당 과정이 세포질에서 산소 없이 진행된다는 점을 이 세포 하나가 증명해 줍니다.
예시 3

100 m 전력 질주 중인 근육

산소 공급이 근육의 소비 속도를 따라가지 못하는 순간에도 해당 과정은 계속 돌아갑니다. ATP를 빠르게 뽑아내야 할 때 세포가 먼저 켜는 것이 이 경로입니다. 다만 쌓이는 NADH를 비우기 위해 젖산 발효가 함께 돌아갑니다.

순서대로 하면

해당 과정 정리하는 순서

1장소: 세포질 (미토콘드리아 안이 아닙니다).
2투자기: ATP 2개를 써서 포도당에 인산을 붙이고, 탄소 6개짜리를 탄소 3개짜리 둘로 쪼갭니다.
3회수기: 쪼개진 조각이 산화되며 $NA D^{+}$ 가 NADH가 되고, 기질 수준 인산화로 ATP 4개가 나옵니다.
4결산: 포도당 1분자당 순수하게 ATP 2개, NADH 2개, 피루브산 2개.
5다음 행선지 확인: 산소가 있으면 피루브산은 미토콘드리아로, 없으면 발효로 갑니다.

자주 하는 오해

해당 과정에 산소가 필요하다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움세포 호흡의 일부니까 산소가 있어야 돌아간다

실제로는해당 과정 자체는 산소를 전혀 쓰지 않습니다. 반응식 어디에도

O_{2}

가 없습니다.

다만 산소가 없으면 NADH가 쌓여

NA D^{+}

가 바닥나고, 재료가 없어서 간접적으로 멈춥니다. '산소가 반응에 들어간다'와 '산소가 없으면 결국 멈춘다'는 전혀 다른 이야기입니다. 이 구분을 못 하면 발효가 왜 필요한지도 이해할 수 없습니다.

해당 과정에서 ATP 4개가 남는다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움회수기에서 ATP 4개가 생기니까 수확은 4개다

실제로는투자기에서 2개를 미리 썼으므로 순생성은 2개입니다.

단순한 뺄셈처럼 보이지만, 이것을 놓치는 이유는 '에너지를 얻는 과정이 왜 에너지를 쓰지?'라는 그림이 머릿속에 없기 때문입니다. 세포는 안정한 포도당을 흔들어 깨우기 위해 먼저 ATP를 투자합니다. 순생성 2개라는 숫자보다, 투자 후 회수라는 구조를 기억하세요.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

세포 호흡고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

발효고3 TCA 회로고3

같은 단원의 개념 — 세포호흡과 광합성

광계 I·II고3 광합성고3 광합성 영향 요인고3 명반응고3 발효고3 세포 호흡고3 전자전달계와 산화적 인산화고3 탄소 고정 반응(캘빈 회로)고3 화학삼투고3 TCA 회로고3

자주 묻는 질문

Q1해당 과정은 왜 세포질에서 일어나나요?

해당 과정은 거의 모든 생물이 공통으로 가진 가장 오래된 대사 경로이고, 미토콘드리아를 갖지 않는 세균도 이 경로를 씁니다. 미토콘드리아가 필요 없는 경로이므로 세포질에 그대로 남아 있는 것입니다.

Q2여기서 나온 NADH도 나중에 ATP가 되나요?

네, 산소가 있으면 미토콘드리아로 전자를 넘겨 전자전달계에서 ATP를 만듭니다. 다만 세포질의 NADH는 내막을 그냥 통과하지 못해 별도의 운반 장치를 거치는데, 이 과정에서 손실이 생겨 최종 ATP 수가 책마다 달라집니다.

Q3포도당 말고 다른 당도 이 경로로 들어오나요?

네. 과당이나 갈락토스 같은 다른 단당류도 몇 단계를 거쳐 해당 과정의 중간 물질로 합류합니다. 해당 과정은 여러 당이 모여드는 공용 입구라고 볼 수 있습니다.

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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