세포 호흡 에너지 전환과 에너지 효율, 호흡 기질과 호흡률

◎ 에너지 전환과 에너지 효율

유기 호흡은 포도당과 같은 유기 양분이 해당 과정, TCA 회로, 전자 전달계를 거치면서 에너지를 ATP로 전환시키는 과정입니다. 유기 양분의 에너지는 수소 이온과 고에너지 전자의 형태로 저장되어 있는데, 이 에너지의 대부분은 전자 전달계에서 ATP로 전환됩니다. 해당 과정에서는 2 ATP, TCA 회로에서 2 ATP. 그리고 전자 전달계에서는 10개의 NADH2에 의해서 30개 ATP가 생성되고, 2개의 FADH2에 의해서 4개의 ATP가 형성되기 때문에 34 ATP(산화적 인산화)가 합성됩니다. 즉, 포도당 1 분자로부터 38 ATP가 합성된다는 것입니다. 그러나 사실 38 ATP가 합성되는 것은 원핵생물의 경우입니다. 진핵 생물의 경우 해당 과정에서 합성된 NADH2가 미토콘드리아 내부로 들어가기 위해서 2 ATP가 소모되기 때문에 2 ATP가 모자란 36 ATP만 합성됩니다.

그러면 포도당의 산화 과정에서 에너지 효율은 어느 정도나 될까요? 1 몰의 포도당을 완전 연소시키면 688kcal의 에너지가 방출됩니다. 그리고 1 ATP에 저장되어 있는 에너지는 7.3kcal이므로 38 ATP는 277.4kcal의 에너지를 가지게 됩니다. 즉, 포도당의 에너지가 모두 ATP의 형태로 저장되지 않습니다. 저장되지 못한 에너지는 열에너지 형태로 빠져나가 버립니다. 이 열에너지는 주로 체온을 유지하는 데 쓰입니다. 한편 호흡의 주된 기질은 포도당이지만 지방과 다른 유기 양분들도 호흡을 거쳐 에너지를 만들어냅니다.

 

◎ 호흡 기질과 호흡률

생물은 섭취하는 먹이의 종류도 다르고 그에 따라 호흡 기질로 사용하는 영양소도 다릅니다. 사람의 경우에도 몸의 부위에 따라 서로 다른 호흡 기질을 사용하고 있습니다.

포도당과 같은 탄수화물 이외에 지방이나 단백질 등도 호흡 기질로 이용됩니다. 지방은 소화 작용에 의해서 글리세롤과 지방산으로 분해됩니다. 소장에서 흡수한 글리세롤은 피루브산으로 변신한 뒤 TCA 회로로 들어가고, 지방산은 활성 아세트산으로 분해되어 TCA 회로로 들어갑니다. 활성 아세트산은 피루브산이 NADH2와 CO2를 방출하면서 분해되어 형성된 물질입니다. 그리고 단백질은 소화 작용에 의해 아미노산으로 분해된 뒤에 호흡 기질로 이용되는데, 아미노산은 피루브산, 활성 아세트산, α-케토글루타르산 등의 유기산이 된 후 TCA 회로로 들어가 이용됩니다.

세포 호흡이 일어나면 산소를 소모하고, 이산화탄소를 배출합니다. 하지만 영양소의 종류에 따라 흡수되는 산소와 배출되는 이산화탄소의 비율이 다릅니다. 호흡률은 세포 호흡에 사용되는 산소에 대한 배출되는 이산화탄소의 비율을 말하는 것인데, 이 호흡률은 각각의 영양소마다 다릅니다.

호흡률은 호흡 기질의 구성 원소 중에서 탄소와 산소의 비율을 가지고 구할 수 있습니다. 예를 들어, 탄수화물은 산소와 배출되는 이산화탄소의 양이 서로 같아서 호흡률이 1.0dl 됩니다. 그러나 지방과 단백질은 구성 원소 중에서 산소가 차지하는 비율이 탄수화물보다 작기 때문에 완전히 산화가 일어나도 호흡률은 단백질이 0.8, 지방이 0.7정도밖에 안 됩니다.

호흡 기질	번응식	호흡률
탄수화물(포도당)	C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O	6/6=1
지방(스테아르산)	C18H36O2+26O2→18CO2+18H2O	18/26=0.7
단백질(류신)	2C6H13NO2+15O2→12CO2+10H2O+2NH3	12/15=0.8

 

※ 활성 산소

‘프리 라디칼(Free radical)'이라고도 불리는 활성 산소는 독성을 가지고 있어 우리 몸에 해를 줄 수도 있습니다. 활성 산소는 대부분 동식물 세포에서 호흡한 산소가 에너지를 만들고 물로 환원되는 과정에서 나타나는 수천 배나 산화력이 높은 산소 화합물이라고 말할 수 있습니다. 전자가 모자라기 때문에 그것을 채우려고 높은 반응성을 가지고 몸속을 돌아다니면서 세포들에게 악영향을 끼치는 것이라고 볼 수 있습니다. 이러한 활성 산소는 적당히 있기만 하면 세균이나 이물질로부터 몸을 지켜주지만 너무 많으면 정상 세포까지 무차별적으로 공격해서 각종 질병을 일으키게 됩니다. DNA의 유전 정보를 파괴하고 세포막을 붕괴하며 비정상적인 세포 단백질을 형성함으로써 노화나 암 등의 원인과 관련된 것으로도 알려져 있습니다.

이 활성 산소들은 몸속에서 만들어지기도 하고 스트레스를 받거나 자외선을 너무 많이 쬘 때, 혹은 환경오염, 혈액 순환 장애 등으로 생기기도 합니다. 원래 활성 산소를 체내에 침입한 이물질(세균, 바이러스 등)을 없애는 식세포의 세포막에서 뿜어져 나와 식세포가 이물질을 잡고 있는 사이에 그것을 녹여 없애는 역할을 하는 아주 중요한 물질이빈다. 하지만 현대인들은 항상 대기 오염, 스트레스, 자외선, 농약 등에 노출되어 있으면서 필요 이상의 활성 산소를 지니고 있는 것이 문제가 됩니다. 실제로 사라밍 하루에 호흡하면서 마시는 약 500L의 산소 중 2~5% 정도가 활성 산소화된다고 합니다. 이들은 종류도 다양해서 ‘슈퍼 옥사이드 라디칼’이라는 것은 24시간 미토콘드리아에서 생성되는 가장 많이 발생하는 활성 산소이며, ‘싱글레트옥시젠’은 자외선을 받으면 피부 속에서 발생해서 기미와 주근깨부터 피부암까지 영향을 미친다고 합니다.

주로 외부의 식물에서 활성 산소 제거 효소(항산화 물질)를 얻을 수 있습니다. 키위나 양배추에 들어 있는 비타민 C, 아몬드, 해바라기 씨에 들어 있는 비타민 E, 당근, 토마토에 들어 있는 베타카로틴, 해산물에 들어 있는 셀레늄 등이 그것입니다. 하지만 이것도 몸 속에 너무 많으면 활성 산소의 발생을 아예 막아버려서 병력 등이 사라진다고 합니다. 마지막으로 과식을 하게 되거나 담배, 약물 등을 많이 하게 되면 이들을 이물질로 인식한 몸은 대사 과정에서 활성 산소들을 많이 발생시킨다고 합니다. 일반 음식 섭취량의 70%만 먹인 쥐가 다른 쥐에 비해서 1.5배 정도를 더 사는 것으로 나타났다는 실험 결과가 있으므로 소식하는 것이 건강에 도움이 됩니다.