Transcript 10장

세포생물학
Chapter 10: 세포대사와
에너지 저장
개요(1)
• 장 초점:
– 화학결합과 이온 준위는 세포에너지이다
– 막수송단백질은 에너지 전달의 역할을 한다
– 엽록체에서 에너지 전달 경로
– 포도당 대사를 중심으로 미토콘드리아에서 에너지
전달
개요(2)
• 절 요지:
– 세포는 에너지를 다양한 형태로 저장한다
– 생체막을 경계로 형성되는 물질들의 준위는 에너지
저장과 전환에 필수다
– 빛에너지의 저장은 엽록체에서 일어난다
– 세포는 막을 통한 작은 분자들을 수송하기 위하여
채널, 운반체 및 펌프를 이용한다
– 포도당 대사의 첫 번째 단계는 세포질에서 수행된다
– 호기성 호흡은 포도당을 완전히 산화시킨다
세포는 에너지를 다양한 형태로 저장한다
• 중요개념 :
– 에너지는 운동, 위치, 열에너지는 세 가지 형태로
존재한다.
– 열역학 법칙들은 에너지전달(energy transfer)에 대한
법칙을 정의한다.
– 세포는 외부 에너지원을 세포가 접근 가능한 에너지
형태로 전환함으로써 생존한다.
– 고에너지 전자와 이온 준위는 가장 일반적인 세포의
에너지 저장형태이다.
– 이온 준위에 의한 에너지의 양은 전기적
퍼텐셜에너지로서 나타난다.
열역학 법칙은 에너지 전달의 역할을
정의한다
지방과 다당류는 세포의 장기간 에너지
저장고이다
고에너지 전자와 이온 준위는 단기간
퍼텐셜에너지의 예이다
세포는 퍼텐셜에너지를 어떻게 준위로
저장하는가
• 세포는 에너지적으로 유리한 반응과 불리한
반응을 연계한다
• 뉴클레오티드 삼인산은 바로 쓸수있는 에너지를
저장한다
• 이온준위에 저장된 퍼텐셜에너지의 양은
전기퍼텐셜로 나타낼 수 있다
세포막을 경계로 형성되는 준위는 에너지
저장과 전환에 필수적이다
• 중요개념:
– 막수송단백질은 생체막의 인지질이중층을 통한
이온의 이동을 담당한다.
– 막수송단백질은 세 가지 그룹으로 나누어진다:
통로(channel), 운반체(carrier) 및 펌프(pump)
– 모든 통로는 준위를 없애고, 모든 펌프는 준위를
만들며, 대부분 운반체는 준위를 없앤다. 어떤
운반체들은 간접적인 능동수송을 이용하여 준위를
만든다.
인지질 이중층은 반투과성 장벽이다
단백질 통로, 운반체와 펌프는 막을
경계로 작은 분자의 수송을 조절한다
• 단백질 통로는
에너지 준위를
없앤다
통로 형태
리간드 개폐형
전압 개폐형
수동 운반체 단백질은 준위를 없앤다
동방향과 역방향
에너지 동반 운반체 단백질(펌프)은
준위를 만든다
직접 능동수송
간접 능동수송
빛 에너지의 저장은 엽록체에서 일어난다
• 중요개념 (1):
– 엽록체(chloroplast)는 햇빛의 광자(photon)에
내재되어 있는 운동에너지를 포획하여 이온
경사와 전자 운반체인 NADPH에 저장된 고에너지
전자로 전환시킨다.
– 햇빛을 위의 에너지 형태로 변화시키는 장치들은
엽록체 안에 틸라코이드막(thylakoid membrane)
내부에 존재하는 단백질 무리(cluster of protein)인
틸라코이드 전자 전달계(thylakoid electron)이다.
빛 에너지의 저장은 엽록체에서 일어난다
• 중요개념 (2):
– 이온 경수는 ATP 합성효소에 의하여 ATP로
전환된다.
– ATP와 NADPH에 저장된 에너지는 대기중의
이산화탄소(CO2 )를 칼빈회로(calvin cycle)라고
하는 일련의 화학 반응을 통하여
글리세르알데하이드-3 인산(glyceraldehydes 3phosphate)이라 불리는 탄소 함유 분자로
전환시킨다.
엽록체는 3개의 막 결합 공간을 가지고
있다
엽록체는 햇빛을 세포 에너지의 첫 번째
형태로 전환한다
• 빛 의존반응-에너지 전달반응
• 빛 비의존 반응-탄소 동화반응
에너지 전달(빛)은 햇빛을 저장
퍼텐셜에너지로 전환한다
탄소동화반응은 퍼텐셜 에너지를
대형분자로 저장한다
세포는 막을 경계로 작은 분자의 수송을
위해 통로, 운반체와 펌프 단백질의
조합을 사용한다
• 중요 개념:
– 세포에 의하여 만들어진 대부분의 거대 분자들은
다른 세포의 영양 에너지(food energy)로 제공된다.
– 동물에서 거대 분자들은 세포외공간에서 소화에
의하여 기본 물질들로 분해된다.
– 이들 세포 기본 물질들은 채널, 운반체 및 펌프의
유기적인 시스템에 의하여 세포막을 통과한다.
대형분자 수송
• 누수성 칼륨통로,
나토륨/포도당
동방향운반체와 수동
포도당 운반체는
포도당을 장 내강에서
혈류로 수송하기 위해
함께 작용한다
포도당 대사의 첫 번째 단계는 세포질에서
일어난다
• 중요 개념 (1):
– 포도당으로부터 에너지를 추출하는 과정은
엽록체에서 G3P로부터 포도당을 합성하는
과정과 대동소이하고, 단지 그 순서가 반대이다.
– 포도당 소화의 첫 10개의 효소적 과정을
해당과정이라 부른다.
포도당 대사의 첫 번째 단계는 세포질에서
일어난다
• 중요개념 (2):
– 해당과정의 산물인 피부르산 분자는 해당 작용이
멈추지 않게 하기 위하여 계속적으로 대사가
되어야만 한다.
– 산소 분자가 결핍된 상태에서 일어나는
피루브산의 대사를 발효(fermentation)라 한다. 두
종류의 발효기작이 여러 생물로부터 진화되었다.
해당과정은 3 단계로 나뉘어진다
• 해당과정에서 10
화학반응이 포도당을
3탄당 화합물(피루브산),
2분자 NADH 와 2분자
ATP로 전환한다
산소 결핍시 피루브산은 발효과정을
거친다
• 혐기성 대사
호기성 호흡은 포도당을 완전히 산화시킨다
• 중요개념 (1):
– 대기 중의 산소 분자의 출현은 어떤 생물체가 강한
전기 음성도(electronegativity)를 가진 산소를
해당과정보다 정확히 18분자 더 많은 수의 ATP를
만들게 한다.
– 호기성 호흡은 미토콘드리아(mitrochondria)에서
일어나며, 4단계로 나눌 수 있다.
– 제1단계는 피루브산을 아세틸조효소 A로 전환시켜
크렙스회로(제 2단계)라 불리는 대사 회로의 기질로
사용한다.
– 크렙스회로는 캘빈회로의 반대로 진행된다.
호기성 호흡은 포도당을 완전히 산화시킨다
• 중요 개념(2):
– 제3단계 동안, 피루브산에서 아세틸조효소 A로부터
나온 고에너지 전자는 엽록체의 틸라코이드 막에서
비슷하게 미토콘드리아 내막에 존재하는
전자전달계를 거친다. 전자전달계의 마지막 단계에서
전자는 산소로 되돌아 감으로써, 광합성 시작
단계에서 산화 되었던 물을 재생산한다. 이로써
전자의 여정이 끝나게 된다.
– 제4단계에서는 전자전달계에서 만들어진 양성자
준위를 이용한 ATP 합성효소에 의하여 ATP가
만들어진다.
호기성 호흡은 4단계로 일어난다(1)
• 1단계: 피루브산은
미토콘드리아 기질로
수송되어 아세틸조효소
A로 전환된다
• 2단계: 아세틸조효소 A 는
CO2, GTP와 고에너지
전자 운반체로 완전히
산화된다
해당-호기성 대사 경로의 수확
호기성 호흡은 4단계로 일어난다(2)
• 3단계: 전자전달계는
미토콘드리아 내막을
경계로 양성자 준위를
만들기 위해 NADH와
and FADH2로부터
유래되는 전자를
사용한다
• 4단계: F1/Fo ATP
합성효소는 ATP
생산을 위해 양성자
준위를 사용한다
전자전달계(ETC)
호기성 대사부터 ATP 수확의 최종 계산