The Citric Acid Cycle, the Glyoxylate Cycle, and the Pentose Phosphate Pathway: Production of NADH and NADPH 혐기성 생물체의 경우 해당과정에서 2분자의 ATP 형태로 수집되는 에너지는 glucose가 가진 에너지의 7% 정도임. Oxygen as Oxidizing Agent - 산소가 전자의 최종 수용체로서 pyruvate를 CO2 와 물로 완전히 산화 - Pyruvate가 pyruvate dehydrogenase에 의해 acetyl-CoA로 전환되어 citric acid 쵸칟를 거치면서 고에너지의 NADH와 FADH2를 생산

16.1. The Pyruvate Dehydrogenase Complex Pyruvate의 지속적인 산화를 통해 에너지 생산은 mitochondria에서 이루어짐. 1) Pyruvate and Mitochondria Mitochondria - 기능: Citric acid cycle과 호흡을 통한 ATP를 생산 - 구조: i) 이중막(outer membrane과 inner membrane) ii) 두 막사이에 intermembrane space가 존재 iii) 내부에는 mitochondrial matrix : pyruvate의 대사에 관여하는 효소들이 존재 이러한 효소들은 metabolon이라는 기능적 단위로 기질 혹은 내막에 존재 Pyruvate는 극성이므로 비교적 극성인 외막은 단순 확산으로 통과할 수 있으나 내막은 pyruvate translocase에 의해 수송 (Pyruvate translocase : Permease로 antiport의 형태로 H+ ion과 교환)

2) Oxidation of Pyruvate - Decarboxylation (CO2 의 소실) - C2의 keto group의 carboxyl group로 산화 - Thioester bond를 통한 CoA와 결합 → 위 3 반응들은 pyruvate dehydrogenase complex에서 일어나며, 전형적인 multi-enzyme complex임.

Decarboxylation C2 unit의 산화 Acetyl-CoA formation

16.2. The Citric Acid Cycle (Krebs cycle or Tricarboxylic acid (TCA) cycle) Pyruvate로 부터 생성된 acetyl-CoA를 CO2로 분해하여 ATP 나 GTP의 형태로 에너지를 생성하거나 NADH 혹은 FADH2의 형태의 환원력을 생성. Amino acid, porphyrin, 및 nucleotide base인 pyrimidine과 purine의 전구체를 합성. - Citric Acid Cycle 과 관련된 효소는 미토콘드리아의 기질에 존재. - 8개의 단계를 거쳐 이루어지며, 중간산물들은 carboxyl group이외에 다른 작용기를 가지고 있음.

Electron Transport, Oxidative Phosphorylation, and Photosynthesis 전자전달계( Electron Transport System) : 생명체의 광합성과 호흡과정 중 고에너지 전자가 연쇄적인 산화-환원을 거치며 이동하는 반응계를 뜻함. - NADH와 FADH2가 가지는 고에너지 전자는 전자전달계를 타고 이동하면서 최종 전자수용체인인 O2로 전달되며, 미토콘드리아의 내막에 위치한 일련의 운반체 (전자전달 사슬)에 의해 전자가 전달. - 광합성을 위한 에너지공급을 위해 엽록체의 thylakoid에서 또 다른 전자전달 사슬을 이용함. 17.1. Mitochondrial Electron Transport 전자전달사슬 - 4개의 단백질 복합체로 구성 i) NADH-coenzyme Q reductase (complex I) ii) Succinate-coenzyme Q reductase (complex II) iii) Cytochrome c reductase (complex III) iv) Cytochrome c oxidase (complex IV)

NADH-coenzyme Q reductase (complex I) : - NADH의 2개의 전자가 flavin mononucleotide(FMN)으로 이동하여 환원 → FMNH2 - FMNH2의 전자는 Fe-S (iron-sulfur) cluster 이동 - Complex I에서의 전자 이동은 ubiquitone이라는 운반체인 CoQ에서 종결됨. - 4개의 H+를 intermembrane space로 이동 ii) Succinate-coenzyme Q reductase (complex II) - Succinate dehydrogenase 와 acyl-CoA dehydrogenase에 의해 FADH2를 거쳐 CoQ로 전달. - 이들 효소들은 보결분자단으로서 Fe-S (iron-sulfur) cluster를 가짐. iii) Cytochrome c reductase (complex III) - Ubiquitone으로 부터 cytochrome c로 전자가 전달 - 전자운반체는 Fe-S (iron-sulfur) cluster와 cytochrome (heme 보결분자단을 가진 전자전달 단백질)임. - 4개의 H + 를 intermembrane space로 이동 iv) Cytochrome c oxidase (complex IV) - 전자를 직접 O2로 전달. - 2개의 H + 를 intermembrane space로 이동

NADH의 전자는 complex I 으로 이동 FADH2의 전자는 complex II 으로 이동 전자전달의 경로 - 장소 : 미토콘드리아 내막 NADH의 전자는 complex I 으로 이동 FADH2의 전자는 complex II 으로 이동 FADH2 전자전달과정에서 자유 에너지 변화 : NADH에서 산소로 전자가 전달되는 동안 전체 에너지 감소 53Kcal/mol이지만 이러한 에너지 방출은 전자전달계에 의해 여러 단계들로 나뉘어 일어남.

최초 전자 공여체 : NADH와 FADH2 (해당과정 시트르산 회로) NADH → NAD+ + H+ + 2e- FADH2 → FAD + 2H+ + 2e- 2개의 이동성 운반체들인 유비퀴논 (Q) 과 시토크롬 c(Cyt c) 는 막을 따라서 빠르게 이동하여 커다란 복합체들 사이로 전자들을 운반함. 최종 전자 수용체 산소 : 1/2O2 + 2H + + 2e- → H2O 복합체I, III, IV는 전자를 받았다가 내주면서 미토콘드리아 기질에서 막 사이 공간으로 수소이온 양성자를 퍼냄.

17.2. Oxidative Phosphorylation 1) 화학삼투 : 전자전달계를 통해 전자가 이동하는 동안 와 NADH FADH2에 저장되어 있던 화학에너지는 막을 가로지르는 양성자 (H +) 농도 기울기로 변환되고, 이 양성자들은 농도 기울기에 따라 막에 있는 또 다른 단백질 복합체인 ATP 합성효소(ATP synthase)의 통로를 통해 농도가 낮은 미토콘드리아 기질로 되돌아감. H +의 이동방향 : intermembrane space → matrix 2) ATP 합성: 산화적 인산화 ATP 합성효소 : F0 및 F1의 두개의 unit로 구성 - F0 : 양성자 흐름을 위한 막 통로로 작용. - F1 : ATP 합성을 위한 촉매부위를 포함: ADP와 Pi가 함께 결합. H + 농도 구배에 의한 에너지를 이용하여 ADP 를 인산화하여 ATP를 합성

① H + 농도 기울기에 따라 흐를 때 막안에 았는 회전자가 회전 ② 막에 붙어있는 고정자는 효소 부위가 움직이지 않도록 붙잡아 둠 ③ 효소부위 안쪽에 있는 축 또한 회전하면서 효소부위에 있는 촉매자리를 활성화 ④ 고정된 효소부위에 있는 촉매부위는 ADP와 Pi를 결합시켜 ATO를 합성

17.3. Energy Yield from Glucose Metabolism 1개의 NADH는 10 개의 H +를 수송시키고 , 3~4 개의 H + 는 ATP 합성효소를 통해 1분자의 ATP를 생성함. 인산화와 산화환원반응이 직접 연결되지 않아 NADH 분자 수에 대한 ATP 분자 수의 비율은 정수가 아님. 미토콘드리아 내막은 NADH에 비투과적이므로 세포질에서 미토콘드리아로 전자를 전달하는 데 사용되는 왕복기구의 유형에 따라 이동하는 환원 방향이 다름.