생명과학 ① 4-6. 호흡 – 세포호흡과정, 미토콘드리아

▎생명과학 ① 4-6. 호흡 – 세포호흡과정, 미토콘드리아

 

 

◈ 세포 호흡과 생활 에너지

생물이 세포 속에서 *유기양분을 산화, 분해시켜 생활에 필요한 에너지를 얻는 과정을 세포 호흡이라고 한다. 세포 호흡을 통해 ATP가 생성되는데 이 ATP가 생명 활동에 직접 이용되는 에너지원이다.
한편, 담배 연기에는 유해한 수 천 종의 화학물질이 포함되어 있는데, 3대 유해 물질은 일산화탄소, 니코틴, 타르이다.

 

‣ 유기양분(有機養分) : 탄수화물·지방·단백질의 3대 영양분과 비타민을 포함한 영양분.

 

 

1. 세포 호흡
생물이 세포 속에서 유기양분을 산화, 분해시켜 생활에 필요한 에너지를 얻는 과정을 세포 호흡이라고 한다.

① 세포 호흡의 뜻
자동차는 연료를 태워서 움직이는 데 필요한 에너지를 얻으며, 사람의 몸을 구성하는 세포는 포도당과 같은 유기 양분을 산화, 분해시켜 생활에 필요한 에너지를 얻는다. 이와 같이 생물이 세포 속에서 유기양분을 산화, 분해시켜 생활에 필요한 에너지를 얻는 과정을 세포 호흡이라고 한다.

 

② 세포 호흡의 과정
세포 호흡은 세포 내 미토콘드리아에서 일어난다. 세포 호흡에 이용되는 유기양분을 호흡 기질이라고 하는데 주로 포도당이 이용되며, 포도당과 같은 탄수화물 외에 단백질과 지방도 쓰인다. 포도당은 외호흡과 내호흡에 의해 조직 세포로 공급된 산소에 의해 CO₂와 H₂O로 산화, 분해된다. 세포 호흡 동안 생성된 CO₂는 주로 폐에서 체외로 배출되고, H₂O는 다시 흡수되어 이용되거나, 오줌과 땀으로 배설되며, 일부는 폐에서 수증기 형태로 체외로 배출된다.
> 세포 호흡 : 세포 내 미토콘드리아
> 호흡 기질 : 세포 호흡에 이용되는 유기양분
> 포도당 →  CO₂ + H₂O + 에너지

 

 

③ 세포 호흡의 에너지 관계
영양소에는 많은 에너지가 들어 있다. 예를 들어 포도당(C₆H₁₂O₆) 1 *몰을 공기 중에서 연소시키면 한꺼번에 686kcal,의 에너지가 열과 빛의 형태로 방출된다. 세포 호흡도 연소 반응과 마찬가지로 일종의 *산화반응(산소를 얻는 반응)이지만, 포도당은 여러 효소의 작용으로 여러 단계를 거치면서 산화되므로 연소보다 훨씬 낮은 온도에서 진행되며 에너지가 여러 단계에 걸쳐 조금씩 방출된다. 세포 호흡에서 에너지의 60%정도는 열에너지로 방출되고, 40% 정도는 ATP에 화학 에너지로 저당된다. 포도당 1 몰이 세포 호흡에 의해 완전히 산화되는 과정에서 38몰의 ATP가 합성된다.

> 세포 호흡 : 낮은 온도에서 여러 가지 단계를 걸쳐 조금씩 에너지 방출
> 60% 에너지는 열에너지로 방출, 40%는 APT에 화학 에너지로 저장
> 포도당 1몰 = 38 몰의 ATP

 

‣ 몰(mole) : 물질의 양의 단위의 하나. 분자·원자·이온 등 동질의 입자가 아보가드로수만큼 존재할 때, 이것을 1몰이라고 함. 기호는 ‘mol’ ‣ 아보가드로수(Avogadro數) : 0℃, 1기압의 기체 1cm³ 중의 분자 수(=2.69×1019), 또는 1g분자 중의 분자 수(=6.023×1023). ‣ 산화반응 : 산소와 결합하거나 또는 수소나 전자를 잃으면 산화반응이고, 환원반응은 반대로 산소를 잃거나 또는 수소나 전자를 얻는 반응이다. 예를 들면 어떤 원소 X가 산소와 결합하게 되면 산소가 전기음성도(원자가 전자를 끌어당기는 능력)가 커서 공유전자쌍이 산소 쪽으로 쏠리게 됨으로 원소 X입장에서는 산소와 결합하면 전자를 잃는 효과를 가지게 된다. 그런데 반대로 X라는 원소가 수소와 결합을 하게 되면 수소는 전기음성도가 작아서 공유전자쌍이 X쪽으로 쏠리니까 X원소 입장에서는 전자를 하나 얻은 효과가 된다.

 

 

ⓐ 세포 호흡의 에너지 효율
포도당 1몰이 공기 중에서 연소되면 686kcal의 에너지가 방출된다. 그런데 세포 호흡에 의해 포도당 1몰이 산화되면 방출된 에너지는 38몰의 ATP에 저장되고, ATP는 1몰 당 약 7.3kcal의 저장 에너지를 가지므로 포도당을 대상으로 한 세포 호흡의 에너지 효율은 약 40%가 된다. [(38×7.3Kcal / 686Kcal) × 100%] ≒ 40%

 

 

ⓑ 에너지의 이용
세포 호흡으로 얻어진 ATP는 세포 속에 있다가 필요할 때 고에너지 인산 결합을 풀고 ADP와 인산으로 되면서 에너지를 내 놓는다. 이 에너지는 물질의 합성, 근육의 수축, 발열, 능동 수송 등 여러 생명 활동에 이용된다. 이 때 ATP 분자 속에 저당되어 있던 화학 에너지는 기계적 에너지(근육 수축), 열에너지(발열), 소리에너지(발음), 전기에너지(발전) 등 여러 형태의 에너지로 전환된다.
(본 과정은 생명과학2의 호흡 과정에 포함된 내용이다.)

 

 

 

 

 

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