세포는 포도당으로부터 ATP를 만들 때 두 가지 경로를 사용한다. 하나는 미토콘드리아 없이도 작동하는 기질 수준 인산화이고, 다른 하나는 미토콘드리아 내막에서 산화 반응을 이용하는 산화적 인산화이다.
❶ 생각해 보셨나요?
세포도 살아 있으려면 돈이 필요합니다. 세포에게 돈은 ATP입니다. 그런데 세포는 ATP를 다른 세포에게 직접 받지 못합니다. 대신 간에서 포도당을 혈액으로 내보내면, 부족한 세포가 그 포도당을 받아 스스로 ATP를 만들어야 합니다. 그렇다면 포도당이 어떤 과정을 거쳐 ATP가 되는 것일까요?
❷ 기질 수준 인산화 — 특별한 구조 없이도 ATP를 만드는 방법
ATP는 ADP에 인산기(phosphate group) 하나가 더 붙어야 만들어진다.
기질 수준 인산화(substrate-level phosphorylation)는 이 인산기를 특정 물질에서 직접 받아 오는 방식이다. 해당 과정(glycolysis)이 진행되는 도중, 인산기를 강하게 붙잡고 있다가 기꺼이 넘겨주려는 중간물질들이 생성된다. ADP가 그 인산기를 받아 ATP가 되는 것이다.
이 방식은 미토콘드리아 같은 특수 구조가 필요하지 않다. 해당 과정 자체에서 포도당 한 분자당 ATP 2개가 만들어진다. 세포질에서 바로 일어나기 때문에, 미토콘드리아가 없거나 기능이 떨어진 상황에서도 최소한의 에너지를 공급할 수 있다.
❸ 산화적 인산화 — 미토콘드리아가 있어야 가능한 대량 생산
해당 과정에서 얻는 ATP 2개만으로는 세포의 수요를 충당하기 어렵다. 더 많은 ATP를 만들기 위해 세포는 산화(oxidation) 반응을 이용한다.
산화란 수소를 잃는 것이다. 해당 과정과 이어지는 시트르산 회로(TCA cycle)에서 NADH, FADH₂라는 수소 운반체가 만들어진다. 이 물질들이 미토콘드리아 내막에 도달하면 수소를 내놓으면서 에너지를 방출하고, 그 에너지로 ADP에 인산기가 붙어 ATP가 대량으로 생성된다. 이것이 산화적 인산화(oxidative phosphorylation)다.
기질 수준 인산화가 포도당에서 ATP 2개를 만드는 데 비해, 산화적 인산화는 같은 포도당 한 분자로 30개 안팎의 ATP를 만든다. 단, 이 경로는 미토콘드리아 내막이 있어야 작동한다.
❹ 그래서 미토콘드리아가 중요한 이유
두 경로를 비교하면, 기질 수준 인산화는 빠르지만 수확이 적고, 산화적 인산화는 느리지만 훨씬 많은 ATP를 만든다.
세포가 왕성하게 일할수록 — 위산을 분비하거나, 근육을 수축하거나, 유용한 물질을 세뇨관에서 재흡수하거나 — 그 에너지의 대부분은 산화적 인산화에서 공급된다. 미토콘드리아가 손상되면 산화적 인산화가 무너지고, 세포는 기질 수준 인산화에만 의존하게 된다. 이것이 당뇨나 대사 질환에서 세포 기능 저하가 나타나는 근본 기전 중 하나다.
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