인체 ≫ 호흡 ≫ 산소 O2

무산소호흡, 잠수, 혐기성발효

무산소 호흡 : 호흡
- 알코올 발효
- 알코올 발효 효율/수율
- 젖산 Lactic acid
- 젖산의 역할

활발하게 활동을 하며 에너지 소비가 많은 세포는 미콘드리아가 많지만 줄기세포나 암세포 처럼 활발하게 분열하는 세포는 미토콘드리아가 많지 않다. 림프구와 같은 면연계 세포들도 일단 활성화되면 자주 분열을 하고 사실상 미토콘드리아는 없는 것 처럼 된다. 세포가 어떤 대사를 담당하는지에 따라 미토콘드리아의 숫자가 크게 달라지는 것이다. 특수하게 분화된 세포는 미토콘드리아가 많고, 에너지를 많이 생성하지만 그만큼 산화성스트레스를 많이 받는다.
그래서 미토콘드리아를 내다 버리는 것도 큰 전략이다. 암세포는 분화되어 특별한 기능을 담당하지 않고, 덜 분화된 상태로 증식에 몰두한다. 그리고 증식하는 과정에서 미토콘드리아를 포기한다. 산소는 많은 종양에 독이 되는데 종양에 산소를 투입하면 방사선요법의 효과가 서너배나 커진다. 어떤 암세포는 미토콘드리아가 잔뜩 있기도 하지만 생화학적으로 검사를 해보면 종양의 미토콘드리아는 실레조 활동하지 않는다. 그러니까 세포는 텔레머라아제가 활성이 되고, 미토콘드리아가 활성을 잃어 영원히 증식할 수 있는 것이다.
활동이 많은 세포는 결함이 있는 미토콘드리아가 점점 쌓이고, 결국 이것이 세포의 수명을 좀 먹는다. 암세포 등의 일부 체세포는 미토콘드리아를
버리고 호기성 호흡대신에 혐기성 호흡을 한다. 사용하는 포도당 대비 매우 낮은 에너지를 얻지만 그만큼 많은 포도당을 이기적으로 낭비하면서 자신은 영원히 살아가는 것이다.    
그리고 세포의 자살은 세포 안에 내장된 자살 스위치가 발동할 때 일어난다. 그리고 이 자살 명령을 내리는 것이 핵 유전자가 아니라 미토콘드리아다. 미토콘드리아에서 자살 스위치가 발동하면 세포는 미토콘드리아에서 방출된 캐스페이즈와 같은 효소를 이용해 ATP를 적극적으로 소모하면서 세포 자신을 분해한다. 이것은 세포의 괴사(네크로시스)와 다르게 염증 반응을 일으키거나 주변 세포에 해를 끼치지 않는다. 스스로 세포를 분해하고, 세포를 이루고 있던 물질은 주변의 세포에 의해 활용된다. 암세포는 미토콘드리아가 없으므로 세포 자살의 신호에도 이렇게 작동하지 않는 것이다  
 

일반적으로 산소가 충분한 정상 세포는 효과적으로 ATP를 생성하기 위해서 산화적 인산화 과정을 통해서 에너지를 얻기 때문에 젖산 (lactic acid)을 거의 생산하지 않는다. 그러나 1920 년대, Otto Warburg과 동료들은 종양이 주변 조직에 비해 많은 양의 포도당을 가지고 있는 것을 관찰 하였으며 말기 암 환자의 복수에 젖산이 많은 현상을 반복적으로 관찰함으로써 최초로 암세포는 새로운 경로, aerobic glycolysis (Warburg effect)를 통해 포도당 대사를 한다고 보고 하였다. 또한 Warburg은 미토콘드리아의 변형이 aerobic glycolysis의 원인이 되며, 이것이 암을 유발하는 시발점으로 가정을 했다.

Warburg 발표 이후 오랫동안 암 대사는 암 연구에서 주목을 받지 못했다. 하지만 2011년도에 ‘cell’지에 2000년도에 발표된 6가지 암 특성과 더불어 새로운 암 특성으로 추가될 만큼 암 대사는 암 연구의 핵심으로 각광을 받게 되었다.
그렇다면 과연 왜 암은 특이적 대사인 aerobic glycolysis를 하는 것일까? 세포막의 주요 구성 성분인 palmitate의 합성을 예로 들어 보면 palmitate 합성을 위해서는 7 molecule ATP뿐만이 아니라 아세틸-CoA 8 molecule로부터 16 개의 탄소와 NADPH 14 molecule로부터 28개의 전자를 필요로 한다. 마찬가지로, 아미노산 및 뉴클레오티드의 합성 또한 ATP보다 탄소와 NADPH가 다량 소비된다. 따라서, 세포가 증식하기 위해서는 포도당이 ATP 생산만을 한다면 ATP/ADP 비율이 상승이 되어 해당 과정의 중간산물의 유동을 손상 시켜 생체구성물질 합성을 위한 아세틸-CoA와 NADPH의 생산이 원할 하지 않게 된다. 따라서, 암세포의 경우 포도당으로부터 새로운 세포를 만들기 위한 원활한 생체구성물질 합성을 위해서 특이적 대사를 하는 것이 한 이유이다. 즉 포도당이 지방산 합성을 위해서 아세틸-CoA로, 비필수 아미노산을 위해서 해당과정 중간 산물로, 뉴클레오티드 합성을 위해서 리보스로 변환이 되는 것이다. 이러한 이론은 빠르게 분열하는 배아 세포에서도 암세포와 유사한 대사 과정
이 나타나는 것을 관찰함으로써 이 가설의 타당성을 증명해주고 있다. 따라서 활발히 분열하는 세포는 포도당을 이용해 대량의 생체구성물질 합성을 진행함이 밝혀졌다.
포도당은 glucose transporter (GLUTs)에 의해서 세포로 수송이 된다. GLUT 중에서 포도당 유입을 담당하는 GLUT1의 발현은 다양한 암에서 증가되고 이를 통해 암세포의 포도당 유입이 증가 된다. GLUT1의 발현은 c-myc, KRAS, BRAF, p53과 전사인자인 HIF-1등 암 형성에 중요한 역할을 하는 유전자 또는 단백질에 의해서 조절이 된다 . 이들의 비정상적인 발현으로 인해 정상세포에 비해서 암세포에서 특이적으로 GLUT1은 과발현 되기 때문에 특정 암의 진단과 치료의 타깃이 된다. 예를 들어 18-Fluoro-deoxyglucose positron emission tomography (18F-FDG-PET)는 방사선 표지 포도당 유사물질인 deoxyglucose이 GLUT1을 통해서 섭취되는 정도를 측정하여 암을 진단하는 방법으로 널리 임상에 이용되고 있다. 또한 GLUT1을 항암제의 타깃으로 이용하는데, 즉 약물에 의해 GLUT1을 통한 포도당 유입이 감소시키면 이를 통해 암세포의 성장이 감소가 된다. 따라서, GLUT1을 표적으로 한 약물들이 활발히 개발되고 있고, 현재 Resveratrol, naringenin, phloretin, WZB117,thiazolidinedione, STF-31등 전임상 단계의 연구들이 계속적으로 이루어 지고 있다