세포 호흡 : 과정, 유형 및 기능 - 생물학

세포 호흡은 에너지를 생성하는 과정이다 ATP (아데노신 트리 포스페이트)의 형태. 나중에이 에너지는 다른 세포 과정으로 전달됩니다. 이 현상 동안 분자는 산화되고 전자의 최종 수용체는 대부분의 경우 무기 분자입니다.

최종 전자 수용체의 특성은 연구 된 유기체의 호흡 유형에 따라 다릅니다. 호모 사피엔스와 같은 에어 로브에서 최종 전자 수용체는 산소입니다. 반대로 혐기성 호흡기의 경우 산소는 독성이있을 수 있습니다. 후자의 경우 최종 수용체는 산소 이외의 무기 분자입니다.

출처 : Wikimedia Commons의 Darekk2 작성

호기성 호흡은 생화학 자들에 의해 광범위하게 연구되었으며 크렙스 순환과 전자 수송 사슬의 두 단계로 구성됩니다.

진핵 생물에서 호흡이 발생하는 데 필요한 모든 기계는 미토콘드리아 내부에 있으며, 미토콘드리아 기질과이 세포 기관의 막 시스템에 있습니다.

기계는 공정의 반응을 촉매하는 효소로 구성됩니다. 원핵 계통은 세포 기관이없는 것이 특징입니다. 이러한 이유로 호흡은 미토콘드리아와 매우 유사한 환경을 시뮬레이션하는 원형질막의 특정 영역에서 발생합니다.

술어

생리학 분야에서 "호흡"이라는 용어는 폐 호흡과 세포 호흡이라는 두 가지 정의를 가지고 있습니다. 일상 생활에서 호흡이라는 단어를 사용할 때 우리는 첫 번째 유형을 의미합니다.

폐호흡은 숨을들이 쉬고 내쉬는 작용으로 구성되며,이 과정은 산소와 이산화탄소와 같은 가스의 교환을 초래합니다. 이 현상에 대한 올바른 용어는 "환기"입니다.

반대로 세포 호흡은 이름에서 알 수 있듯이 세포 내부에서 발생하며 전자 수송 사슬을 통해 에너지를 생성하는 과정입니다. 이 마지막 프로세스는이 기사에서 설명 할 프로세스입니다.

세포 호흡은 어디에서 발생합니까?

진핵 생물의 호흡 위치

미토콘드리아

세포 호흡은 미토콘드리아라고하는 복잡한 세포 기관에서 발생합니다. 구조적으로 미토콘드리아는 폭이 1.5 미크론이고 길이가 2 ~ 8 미크론입니다. 그들은 자신의 유전 물질을 가지고 있고 이분법으로 나뉘는 특징이 있습니다-그들의 내 공생 기원의 흔적 적 특성.

그들은 두 개의 멤브레인을 가지고 있는데, 하나는 매끄럽고 다른 하나는 융기를 형성하는 접힌 부분이 있습니다. 미토콘드리아가 더 활동적 일수록 더 많은 융기가 있습니다.

미토콘드리아의 내부를 미토콘드리아 기질이라고합니다. 이 구획에는 호흡기 반응에 필요한 효소, 코엔자임, 물 및 인산염이 있습니다.

외막은 대부분의 작은 분자의 통과를 허용합니다. 그러나 실제로 매우 특정한 수송 체를 통한 통과를 제한하는 것은 내부 막입니다. 이 구조의 투과성은 ATP 생산에 근본적인 역할을합니다.

미토콘드리아 수

세포 호흡에 필요한 효소 및 기타 구성 요소는 막에 고정되어 있고 미토콘드리아 기질에서 자유 롭습니다.

따라서 더 많은 양의 에너지를 필요로하는 세포는 에너지 요구량이 낮은 세포와 달리 미토콘드리아 수가 많다는 특징이 있습니다.

예를 들어, 간 세포는 평균적으로 2,500 개의 미토콘드리아를 가지고있는 반면, 근육 세포 (매우 신진 대사 활성)는 훨씬 더 많은 수를 포함하며이 세포 유형의 미토콘드리아는 더 큽니다.

또한 이들은 에너지가 필요한 특정 지역 (예 : 정자의 편모 주변)에 위치합니다.

원핵 호흡 위치

논리적으로 원핵 생물은 숨을 쉴 필요가 있으며 미토콘드리아도없고 진핵 생물의 복잡한 세포 기관도 없습니다. 이러한 이유로 호흡 과정은 미토콘드리아에서 발생하는 것과 유사하게 원형질막의 작은 침범에서 발생합니다.

종류

전자의 최종 수용자 역할을하는 분자에 따라 두 가지 기본 유형의 호흡이 있습니다. 호기성 호흡에서 수용체는 산소이고 혐기성에서는 무기 분자입니다. 몇 가지 특정한 경우 수용체는 유기 분자입니다. 아래에서 각각에 대해 자세히 설명합니다.

호기성 호흡

호기성 호흡 유기체에서 전자의 최종 수용체는 산소입니다. 발생하는 단계는 Krebs주기와 전자 수송 사슬로 나뉩니다.

이러한 생화학 적 경로에서 일어나는 반응에 대한 자세한 설명은 다음 섹션에서 개발 될 것입니다.

혐기성 호흡

최종 수용체는 산소 이외의 분자로 구성됩니다. 혐기성 호흡에 의해 생성되는 ATP의 양은 연구중인 유기체 및 사용 경로를 포함한 여러 요인에 따라 다릅니다.

그러나 Krebs 순환이 부분적으로 만 작동하고 사슬의 모든 수송 분자가 호흡에 참여하는 것은 아니기 때문에 에너지 생산은 항상 호기성 호흡에서 더 높습니다.

이러한 이유로 혐기성 개인의 성장과 발달은 호기성 개인보다 훨씬 적습니다.

혐기성 유기체의 예

일부 유기체에서 산소는 독성이 있으며 엄격한 혐기성 미생물이라고합니다. 가장 잘 알려진 예는 파상풍과 보툴리누스 중독을 일으키는 박테리아 인 클로스 트리 디움입니다.

또한 호기성 호흡과 혐기성 호흡을 번갈아 사용할 수있는 다른 유기체가 있으며 통성 혐기성 균이라고합니다. 즉, 산소가 적합 할 때 산소를 사용하고 산소가 없으면 혐기성 호흡에 의존합니다. 예를 들어, 잘 알려진 박테리아 인 대장균은이 대사를 가지고 있습니다.

어떤 세균은 질산 이온 (NO 사용하여 ₃^- 와 같은 슈도모나스 (Pseudomonas) 속 및 바실루스하여 최종 전자 수용체로서). 상기 이온은 아질산염 이온, 아산화 질소 또는 질소 가스로 환원 될 수있다.

다른 경우에, 최종 수용체는 황화수소를 생성하고 탄산염을 사용하여 메탄을 형성 하는 황산염 이온 (SO ₄^2- )으로 구성됩니다. Desulfovibrio 속 박테리아는 이러한 유형의 수용체의 예입니다.

질산염과 황산염 분자에서 전자를 받아들이는 것은 질소와 황과 같은 화합물의 생지 화학적 순환에서 중요합니다.

방법

당분 해는 세포 호흡 이전의 경로입니다. 포도당 분자로 시작하여 최종 생성물은 탄소 3 개 분자 인 피루 베이트입니다. 당분 해는 세포의 세포질에서 일어난다. 이 분자는 분해를 계속하기 위해 미토콘드리아에 들어갈 수 있어야합니다.

피루 베이트는 농도 구배를 통해 막의 기공을 통해 세포 기관으로 확산 될 수 있습니다. 최종 목적지는 미토콘드리아의 매트릭스가 될 것입니다.

세포 호흡의 첫 번째 단계에 들어가기 전에 피루 베이트 분자는 특정 변형을 겪습니다.

첫째, 그것은 코엔자임 A라는 분자와 반응합니다. 각 피루 베이트는 이산화탄소와 아세틸 그룹으로 분해되어 코엔자임 A에 결합하여 아 세일 코엔자임 A 복합체를 생성합니다.

이 반응에서 두 개의 전자와 수소 이온이 NADP ⁺ 로 전달 되어 NADH가 생성되고 피루 베이트 탈수소 효소 복합체에 의해 촉매됩니다. 반응에는 일련의 보조 인자가 필요합니다.

이 수정 후, 호흡의 두 단계 인 Krebs주기와 전자 수송 사슬이 시작됩니다.

크렙스 사이클

크렙스주기는 생화학에서 가장 중요한 주기적 반응 중 하나입니다. 문헌에서는 구연산 회로 또는 트리 카르 복실 산 회로 (TCA)로도 알려져 있습니다.

발견자인 독일 생화학 자 Hans Krebs의 이름을 따서 명명되었습니다. 1953 년 Krebs는 생화학 분야를 대표하는이 발견으로 노벨상을 수상했습니다.

순환의 목적은 아세틸 코엔자임 A에 포함 된 에너지를 점진적으로 방출하는 것입니다. 이는 에너지를 주로 NAD ⁺ 와 같은 다른 분자로 전달하는 일련의 산화 및 환원 반응으로 구성됩니다 .

사이클을 입력 아세틸 조효소 A의 매 2 개 분자의 이산화탄소 네 분자의 NADH 여섯 개 분자 FADH 두 해제되는 _2가 생성된다 . CO ₂ 공정으로부터 폐기 물질로서 대기 중으로 방출된다. GTP도 생성됩니다.

이 경로는 단백 동화 (분자 합성) 및 이화 (분자 분해) 과정 모두에 참여하기 때문에 "양성"이라고합니다.

크렙스 사이클 반응

사이클은 아세틸 코엔자임 A 분자와 옥 살로 아세테이트 분자의 융합으로 시작됩니다. 이 결합은 탄소 6 개 분자 인 구연산염을 생성합니다. 따라서 코엔자임 A가 방출되며 실제로 여러 번 재사용됩니다. 세포에 ATP가 너무 많으면이 단계가 금지됩니다.

위의 반응은 에너지를 필요로하며 아세틸 기와 코엔자임 A 사이의 고 에너지 결합을 끊어서 얻습니다.

구연산염은 cis aconitate로 전환되고 효소 aconitase에 의해 isocitrate로 전환됩니다. 다음 단계는 탈수 소화 이소 시트 레이트에 의해 이소 시트 레이트를 알파 케 토글 루타 레이트로 전환하는 것입니다. 이 단계는 NADH를 감소시키고 이산화탄소를 방출하기 때문에 적절합니다.

알파 케 토글 루타 레이트는 피루 베이트 키나제와 동일한 보조 인자를 사용하는 알파 케 토글 루타 레이트 탈수소 효소에 의해 숙시 닐 코엔자임 A로 전환됩니다. NADH는 또한이 단계에서 생성되며 초기 단계로 과도한 ATP에 의해 억제됩니다.

다음 제품은 석시 네이트입니다. 생산 과정에서 GTP가 형성됩니다. 석시 네이트는 푸마 레이트로 변경됩니다. 이 반응은 FADH를 생성합니다. 푸마 레이트는 차례로 말 레이트가되고 마침내 옥 살로 아세테이트가됩니다.

전자 수송 사슬

전자 수송 사슬의 목적은 높은 에너지 수준에있는 NADH 및 FADH ₂ 와 같은 이전 단계에서 생성 된 화합물에서 전자를 가져와 낮은 에너지 수준으로 유도하는 것입니다.

이러한 에너지 감소는 단계적으로 발생합니다. 즉, 갑자기 발생하지 않습니다. 산화 환원 반응이 발생하는 일련의 단계로 구성됩니다.

사슬의 주요 구성 요소는 단백질과 시토크롬에 결합 된 효소에 의해 형성된 복합체, 즉 헴형 메탈로 포르피린입니다.

시토크롬은 구조면에서 매우 유사하지만, 각각은 사슬 내에서 특정 기능을 수행하고 다른 에너지 수준에서 전자를 노래 할 수있는 특수성을 가지고 있습니다.

호흡 사슬을 통해 전자가 낮은 수준으로 이동하면 에너지가 방출됩니다. 이 에너지는 산화 적 인산화로 알려진 과정에서 ATP를 합성하기 위해 미토콘드리아에서 사용될 수 있습니다.

화학 결합

생화학 자 Peter Mitchell이 화학 결합을 제안 할 때까지 오랫동안 사슬에서 ATP가 형성되는 메커니즘은 수수께끼였습니다.

이 현상에서 양성자 구배는 내부 미토콘드리아 막을 가로 질러 설정됩니다. 이 시스템에 포함 된 에너지가 방출되어 ATP를 합성하는 데 사용됩니다.

형성된 ATP 금액

우리가 보았 듯이 ATP는 Krebs주기에서 직접 형성되지 않고 전자 수송 사슬에서 형성됩니다. NADH에서 산소로 전달되는 2 개의 전자마다 3 개의 ATP 분자가 합성됩니다. 이 추정치는 참조 된 문헌에 따라 다소 다를 수 있습니다.

마찬가지로 FADH ₂ 에서 통과하는 두 전자마다 두 개의 ATP 분자가 형성됩니다.

풍모

세포 호흡의 주요 기능은 ATP 형태의 에너지를 생성하여 세포 기능으로 전달할 수 있습니다.

동식물 모두 식품에 사용하는 유기 분자에 포함 된 화학 에너지를 추출해야합니다. 채소의 경우, 이러한 분자는 식물 자체가 유명한 광합성 과정에서 태양 에너지를 사용하여 합성하는 당입니다.

반면에 동물은 자신의 음식을 합성 할 수 없습니다. 따라서 종속 영양소는 우리와 같이 식단에서 음식을 섭취합니다. 산화 과정은 음식에서 에너지를 추출하는 역할을합니다.

우리는 광합성의 기능과 호흡의 기능을 혼동해서는 안됩니다. 동물과 같은 식물도 숨을 쉰다. 두 프로세스 모두 상호 보완 적이며 살아있는 세계의 역학을 유지합니다.

참고 문헌

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세포 호흡 : 과정, 유형 및 기능 - 생물학 - 2026

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