세포는 고분자(macromolecule)를 분해하여 에너지를 만듭니다. 세포호흡은 “음식 에너지”를 (고분자 화학 결합에서) 아데노신삼인산(adenosine triphosphate, 줄여서 ATP) 형태의 화학 에너지로 변환하는 생화학적 과정입니다. 이 엄격히 조절되는 복잡한 과정의 첫 번째 단계는 해당과정(glycolysis)입니다. 해당과정의 영어단어 glycolysis는 라틴어 glyco(당)과 lysis(용해)에서 유래합니다. 해당과정은 ATP 생성과 다른 대사 경로(metabolic pathway)로 공급되는 중간대사물질(intermediate metabolite)의 생성, 이 두 가지 세포 내 주요기능을 수행합니다. 해당과정 경로(glycolytic pathway)는 1개의 헥소스(hexose; 6탄당; 6탄소 탄수화물)를 피루브산(pyruvate) 같은 트리오스(triose; 3탄당; 3탄소 탄수화물) 분자 2개, ATP분자 2개, 그리고 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드(nicotinamide adenine dinucleotide, 줄여서 NADH) 분자 2개로 변환합니다.
여러분은 해당과정이 최초로 발견된 생화학 경로라는 것을 알고 있었나요? 1800년대 중반 루이 파스퇴르 (Louis Pasteur)는 미생물이 산소가 없을 때 포도당의 분해를 일으킨다고 판단했습니다 (즉 발효작용). 1897년 에두아르트 부흐너 (Eduard Buchner)는 세포를 부수고 가용성(soluble) 분자와 세포기관(organelle)이 있는 세포질(cytoplasm)을 추출해 이 효모 추출물에 세포가 없어도 발효 반응이 가능한 것을 발견했습니다. 이어 1905년 아서 하든 (Arthur Harden)과 윌리엄 영 (William Young)은 무기 인산(inorganic phosphate; Pi)을 첨가하지 않으면 발효 속도가 감소하고, 발효는 열에 민감한 구성요소(나중에 여러 효소를 포함하는 것으로 확인됨)와 낮은 분자 중량(low molecular weight), 열안정 요소(무기 이온, ATP, ADP, 그리고 NAD와 같은 보조효소)를 모두 필요로 한다는 것을 발견했습니다. 1940년쯤엔 많은 사람들(구스타프 엠덴(Gustav Embden), 오토 마이어호프(Otto Meyerhof), 야콥 카롤 파르나스(Jakub Karol Parna) 등)의 노력으로 해당과정의 완전한 경로가 확립되었습니다. 현재 해당과정은 EMP 경로로 알려져 있습니다.
포도당(glucose)은 두 가지 방법으로 세포에 들어갈 수 있습니다. 첫째, 포도당은 GLUT(glucose transporter; 포도당 수송체)라 불리는 내재단백질(integral protein)군에 의해 촉진 확산(facilitated diffusion)을 통해 세포질(cytosol)로 운반됩니다. GLUT 단백질군의 구성원은 인체의 특정 조직에 존재합니다. 둘째, 포도당은 막관통 동시수송체 단백질(transmembrane symporter protein)을 통한 2차 능동수송(secondary active transport)으로 농도구배(concentration gradient)를 거슬러 세포에 들어갑니다. 여기서 동시수송체(symporter)는 음이온을 펌프질하며 발생하는 전기화학적 에너지를 사용합니다 (예: 소장, 심장, 뇌, 콩팥(신장)에 있는 나트륨-포도당 공동수송체(sodium-glucose linked transporter)).
유산소(aerobic; 산소가 풍부)와 무산소(anaerobic; 산소가 부족) 조건 모두에서 포도당이 세포의 세포질에 들어가면 해당과정이 시작됩니다. 해당과정에는 두 가지 주요 단계가 있습니다. 첫 번째 단계는 에너지가 필요한 단계로 준비 단계로 간주하는데, 이 단계에선 세포 내 포도당을 가두어 효율적으로 분해될 수 있도록 6탄소 뼈대를 재구성합니다. 두 번째 단계는 에너지를 방출하여 피루브산을 생성하는 보상 단계(pay-off phase)입니다.
산소의 농도와 미토콘드리아의 존재에 따라 피루브산은 두 가지 운명을 따를 수 있습니다. 미토콘드리아가 존재하는 유산소 조건에서 피루브산은 미토콘드리아로 들어가 구연산회로(citric acid cycle; 시트르산회로)와 전자전달계(electron transport chain)를 거쳐 CO2, H2O, 그리고 훨씬 더 많은 ATP로 산화됩니다. 반면 무산소 조건(예: 움직이는 근육) 또는 미토콘드리아 부족(예: 원핵생물(prokaryote))에서, 피루브산은 유산 발효(lactate fermentation)에 들어갑니다 (즉, 무산소 조건에서는 유산으로 환원됩니다). 흥미롭게도 효모와 몇몇 박테리아는 무산소 조건에서 알코올 발효로 알려진 과정을 통해 피루브산을 에탄올(ethanol)로 변환할 수 있습니다.
해당과정 같은 효소 매개 대사 경로(enzyme-mediated metabolic pathway)의 엄격한 통제와 조절은 유기체가 제대로 기능하는 데 매우 중요합니다. 통제는 기질 제한(substrate limitation) 또는 효소결합 조절(enzyme-linked regulation)을 통해 이뤄집니다. 기질 제한은 세포 내 기질과 생성물의 농도가 평형에 가까울 때 발생합니다. 따라서 기질의 가용성(availability)이 화학 반응 속도를 결정합니다. 효소결합 조절에선 기질과 생성물의 농도는 평형과는 거리가 멉니다. 효소의 활동이 반응 속도를 결정하고 그 경로 전체의 흐름을 제어합니다. 해당과정에서 세 가지 조절 효소(regulatory enzyme)는 헥소인산화효소(hexokinase; 헥소키네이스; 헥소키나아제), 포스포프룩토인산화효소(phosphofructokinase; 포스포프룩토키네이스; 포스포프룩토키나아제), 피루브산 인산화효소(pyruvate kinase; 피루브산키네이스)입니다.
