[세포생물학] 대사과정의 진화, 해당과정, 광합성, 산화적인산화

진화 초기에는 풍부하던 유기체가 고갈되는 상황이 발생한다. 세포는 생존에 필요한 에너지를 스스로 만들고 복제에 필요한 분자를 합성하는 대사과정을 진화시켜야 했을 것이다. 실제로 현재의 생물체는 해당과정, 광합성 그리고 산화적 인산화를 주요 대사과정으로 사용하며 살아가고 있다.

 

 

해당과정과 산화적인산화. 해당과정을 통해 2 분자의 ATP를 생성하는 반면, 산화적인산화를 통해서 34-36 분자의 ATP를 생성한다.

 

 

생명체의 에너지, ATP

부제: 해당과정(Glycolysis)의 진화

대사 에너지의 생성과 사용은 모든세포 활동의 중심이며 에너지 대사의 주요 과정은 현재의 모든 세포에 잘 보존되어 있다. 모든 세포는 ATP (Adenosine 5'-triphosphate)라 불리는 에너지를 합성한다. 이 에너지는 세포 구성성분을 합성, 근육 수축과 같이 에너지가 필요한 세포 활동에 사용된다. ATP를 얻는 메커니즘은 해당작용, 광합성, 산화적 인산화 단계로 진화되었다. 이러한 대사과정이 진화하는 과정에서 지구 대기를 변화시켰으며 변화된 지구 대기는 또한 생물의 진화과정을 변화시켰다.

산소가 없던 원시 지구의 대기에서 세포가 최초로 진화시킨 에너지 발생과정은 '해당과정 (Glycolysis)'으로 유기분자의 분해에 관한 것이었다. 해당과정은 무산소 조건에서 포도당을 젖산으로 분해하면서 2 분자의 ATP를 생성한다. 현재 모든 세포는 ATP를 에너지원으로 사용하며, 해당작용을 하고 있다. 이는 이러한 대사과정 진화가 매우 초기에 일어났다는 사실과 일치한다.

 

광합성, 해당과정 이후의 진화과정

해당작용에 이어서 일어난 주요 진화과정은 광합성이다. 세포로 하여금 놓인 유기물에 의존하지 않고도 태양에너지를 이용하여 에너지를 얻을 수 있게 했다. 최초의 광합성은 약 30 억년 전에 진화했다. 이산화탄소를 유기분자로 고정할 때 아마도 H2S를 사용하였을 것이다. (이 과정은 현재에도 일부 세균이 사용하고 있다). 이어서 광합성에서 물을 전자와 수소 공여체로 사용하는 방법이 진화되었으며, 이는 지구 대기 성분을 바꾸는 결과를 가져오게 되었다. 광합성에서 물을 사용하게 되면 부산물로 유리 산소가 발생하게 된다. 현재의 지구 대기에 산소가 풍부히 존재하게 된 원인이 바로 광합성에 의한 것이다. 

 

산화적 인산화, 가장 효율적인 대사과정

광합성으로 생성된 산소는 지구 환경을 변화시켜 산소를 활용한 대사과정을 진화시켰을 것이다 (산화적 인산화라고 부른다). 또는 광합성 이전에 이미 산소를 이용해 대사 하는 세포가 진화되어 있었는데 지구 대기의 산소 농도가 증가함에 따라 산화적 대사과정을 가진 세포가 강력한 선택 우위로 진화하였을지도 모른다. 어느 경우든 산소는 매우 반응성이 강한 분자이고, 높은 반응성을 이용하는 산화적 대사과정은 유기분자로부터 에너지를 생산하는 데 있어 산소를 이용하지 않는 해당작용보다 매우 효율적이다. 예를 들면 포도당 1 분자가 해당작용에 이용된다면 2 분자의 ATP가 생성되는 반면, 산화적 인산화로 포도당이 이산화탄소와 물로 완전히 분해되면 36-38 분자의 ATP가 생성된다. 현재의 세포들은 대부분 산화적 대사과정을 주요한 세포 에너지 생성 방법으로 사용하고 있다.