생명과학 고3 세포호흡과 광합성 심화

TCA 회로

Q: 피루브산 산화는 TCA 회로에 포함되나요?

엄밀히는 회로 바깥의 준비 단계입니다. 피루브산이 아세틸-CoA로 바뀌는 이 단계에서 이미 CO2와 NADH가 나오므로, 문제를 풀 때 이 몫을 빠뜨리지 않도록 따로 세는 습관을 들이세요.

Q: 왜 NADH와 FADH2 두 종류가 필요한가요?

전자가 가진 에너지 수준이 다르기 때문입니다. FADH2의 전자는 NADH의 전자보다 낮은 자리에서 전자전달계에 합류하고, 그만큼 밀어 올리는 H+가 적어 ATP도 적게 만듭니다.

미토콘드리아 기질에서 아세틸-CoA가 산화되어 CO2, NADH, FADH2, ATP를 생성하는 순환 경로이다.

미토콘드리아 기질에서 아세틸-CoA의 탄소를 모두

C O_{2}

로 떼어 내면서 NADH,

FAD H_{2}

, ATP를 만드는 순환 경로입니다.

회전 초밥 벨트를 생각해 보세요. 벨트(회로)는 그대로 돌고, 아세틸-CoA라는 접시가 올라탔다가 탄소를

C O_{2}

로 내려놓고 사라집니다. 벨트 자체는 소모되지 않아 계속 다음 손님을 받습니다.

쉽게 말하면

해당 과정이 만든 피루브산은 미토콘드리아 기질로 들어가 $C O_{2}$ 하나를 떼고 아세틸-CoA(탄소 2개)가 됩니다. 이 아세틸-CoA가 TCA 회로의 입구입니다.

회로의 첫 반응에서 아세틸-CoA(2탄소)가 옥살아세트산(4탄소)과 결합해 시트르산(6탄소)이 됩니다. 시트르산은 회로를 돌면서 탄소 두 개를 $C O_{2}$ 로 내보내고, 결국 다시 옥살아세트산으로 돌아옵니다. 시작 물질이 끝에 되살아나기 때문에 '회로'입니다. 시트르산의 다른 이름을 따 구연산 회로라고도 부릅니다.

회로가 한 바퀴 돌 때마다 $C O_{2}$ 2개, NADH 3개, $FAD H_{2}$ 1개, ATP 1개가 나옵니다. 포도당 한 분자는 아세틸-CoA를 두 개 만들므로 회로는 두 바퀴 돕니다. 각 단계에는 전용 효소가 붙어 있고, 전자를 받아 나르는 NAD와 FAD는 효소 혼자서는 못 하는 일을 돕는 조효소입니다.

여기서 중요한 것은 ATP가 아니라 NADH와 $FAD H_{2}$ 입니다. 회로가 직접 만드는 ATP는 두 바퀴에 겨우 2개뿐입니다. 진짜 수확은 전자를 가득 실은 NADH· $FAD H_{2}$ 이고, 이들은 곧바로 전자전달계와 산화적 인산화로 넘어가 훨씬 많은 ATP로 환전됩니다. TCA 회로는 ATP 공장이 아니라 전자 수거 공장입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

포도당의 탄소 6개가 모두 빠져나가는 지점

피루브산 산화에서 탄소 1개씩(합쳐서 2개), TCA 회로 두 바퀴에서 2개씩(합쳐서 4개)이 $C O_{2}$ 로 나갑니다. 총 6개 — 포도당의 탄소 수와 정확히 맞습니다. 이 시점에서 포도당은 완전히 해체되고, 남은 것은 전자를 짊어진 NADH와 $FAD H_{2}$ 뿐입니다.
예시 2

산소가 회로에 직접 들어가지 않는데도 산소가 없으면 멈춘다

TCA 회로의 어느 반응식에도 $O_{2}$ 는 없습니다. 그런데 산소가 끊기면 전자전달계가 멎고, NADH가 $NA D^{+}$ 로 되돌아오지 못합니다. $NA D^{+}$ 가 없으면 회로의 산화 반응이 진행되지 않으므로 회로는 곧 멈춥니다. '산소를 쓰는 반응'과 '산소에 의존하는 반응'은 다릅니다.
예시 3

회로는 갈림길이기도 하다

TCA 회로의 중간 물질들은 아미노산이나 지방을 만드는 재료로도 빠져나갑니다. 반대로 지방과 단백질이 분해되면 아세틸-CoA나 중간 물질 형태로 회로에 합류합니다. TCA 회로는 분해와 합성이 만나는 교차로입니다.

한 바퀴와 포도당 한 분자(두 바퀴)의 수확

항목	회로 1회전	포도당 1분자 = 2회전
$C O_{2}$	2개	4개 (+ 피루브산 산화에서 2개 = 총 6개)
NADH	3개	6개
$FAD H_{2}$	1개	2개
ATP	1개	2개

자주 하는 오해

TCA 회로가 ATP를 많이 만든다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움세포 호흡의 핵심 단계니까 ATP가 여기서 쏟아진다

실제로는TCA 회로가 직접 만드는 ATP는 포도당 1분자당 단 2개입니다.

회로의 진짜 산출물은 NADH 6개와

FAD H_{2}

2개, 즉 전자 꾸러미입니다. 이 꾸러미가 전자전달계로 가서 대부분의 ATP로 바뀝니다. TCA 회로를 'ATP를 만드는 곳'으로 외우면, 왜 산소가 없을 때 세포 호흡 전체가 무너지는지 설명할 수 없게 됩니다.

옥살아세트산이 계속 소모된다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움아세틸-CoA와 결합하니까 옥살아세트산도 함께 없어진다

실제로는옥살아세트산은 회로 끝에서 다시 만들어집니다. 소모되는 것은 아세틸-CoA뿐입니다.

이것이 '회로'의 핵심입니다. 시작 물질이 되살아나기 때문에 적은 양의 중간 물질로 계속 돌릴 수 있습니다. 촉매가 반응을 돕고도 남아 있는 것과 비슷한 구조입니다. 회로를 직선 경로처럼 그리면 이 구조가 사라집니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

조효소고3 해당 과정고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

전자전달계와 산화적 인산화고3

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 해당 과정고3 화학삼투고3

자주 묻는 질문

Q1TCA 회로, 구연산 회로, 크렙스 회로는 다른 건가요?

모두 같은 회로의 다른 이름입니다. 첫 생성물인 시트르산(구연산)에서 따온 이름과, 트라이카복실산(TCA)이라는 화학적 분류에서 따온 이름이 함께 쓰입니다.

Q2피루브산 산화는 TCA 회로에 포함되나요?

엄밀히는 회로 바깥의 준비 단계입니다. 피루브산이 아세틸-CoA로 바뀌는 이 단계에서 이미

C O_{2}

와 NADH가 나오므로, 문제를 풀 때 이 몫을 빠뜨리지 않도록 따로 세는 습관을 들이세요.

Q3왜 NADH와

FAD H_{2}

두 종류가 필요한가요?

전자가 가진 에너지 수준이 다르기 때문입니다.

FAD H_{2}

의 전자는 NADH의 전자보다 낮은 자리에서 전자전달계에 합류하고, 그만큼 밀어 올리는

H^{+}

가 적어 ATP도 적게 만듭니다.

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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