생물학, 생명과학, 농학과, 공무원 시험 등 생물과학 요점 정리 5강. 물질대사와 에너지 획득

5. 물질대사와 에너지 획득

 

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1. 물질대사와 에너지

가. 물질대사가 필요한 이유
① ‌생명체를 구성하고 있는 물질(분자)들은 물질대사를 통해 계속 새로운 것으로 바뀐다.  
② ‌사람 몸을 이루는 분자들은 약 7%가 매일 바뀐다.
③ ‌물질대사는 생명체의 몸 안에 필요한 유기물의 양을 적정수준으로 유지할 수 있게 해 준다.

나. 생명체가 필요로 하는 에너지
① ‌자연에서 일어나는 변화(일)에는 반드시 에너지(energy)의 출입이 따른다.
② ‌생명체의 생명활동도 운동·소화·호흡·혈액공급·체온유지, 세포막의 물질수송, 세포 분열 시 염색체이동, 세포질유동 등의 일을 바탕으로 하고 있다.
③ ‌생명활동을 위해 사람(성인)은 하루에 평균 2,200kcal의 에너지를 필요로 하며, 특히 체온유지에 많은 양의 에너지를 소비한다.
④ ‌1칼로리(calorie)는 1g의 물을 1℃ 높이는 데 필요한 에너지를 말한다.
⑤ ‌생명체에서 일어나는 생명활동은 물질대사를 기초로 하며, 물질대사는 화학반응의 결과이기 때문에 생명체에 필요로 하는 에너지는 궁극적으로 화학에너지이고 이 화학에너지는 ATP(adenosine triphosphate)에 저장되어 있다.
⑥ ‌생명체는 화학에너지를 공급할 수 있도록, 식물은 빛과 이산화탄소의 확보가 가장 중요하며, 동물은 먹이의 획득(식량공급)이 필요하고, 먹이에 들어 있는 고분자물질의 분해와 분해산물의 흡수기능을 가진 소화기관의 발달이 무엇보다 중요하다.

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2. 세포호흡과 에너지획득

가. 호흡기관의 발달
① ‌단세포생물과 식물세포는 몸 밖에서 확산되어 들어오는 산소를 이용하는 피부호흡을 한다.
② ‌체적이 큰 동물은 반드시 아가미(gill) 및 기관(tracheae) 또는 폐(허파, lung)와 같은 호흡기관과 순환계를 가져야 한다.
③ ‌물고기와 조개류는 아가미호흡을 하며, 아가미는 몸 밖으로 발달한 호흡기관으로, 한 층의 세포 안쪽에는 혈관이, 바깥쪽에는 물이 있어서 세포를 사이에 두고 물과 혈액 간에 가스교환이 일어난다.
④ ‌곤충(절지동물)은 몸 안 전체에 키틴(chitin)질로 된 튜브가 기관을 형성하고 있으며, 각 마디(체절) 양측에 있는 기문(호흡공)을 통해 세포들이 직접 바깥 공기와 가스를 교환할 수 있으며, 이런 호흡을 기관호흡이라 한다.
⑤ ‌포유류와 조류는 폐(허파)호흡을 하며, 폐는 가장 발달된 호흡기관으로 폐에는 가스교환의 면적을 넓히기 위하여 폐포(허파꽈리)가 발달되어 있으며, 한 층의 세포로 되어 있어 가스교환이 쉽게 이루어질 수 있다.
⑥ ‌조류에는 폐와 연결된 여러 개의 기낭(공기주머니)이 있어서 호흡의 효율을 높이고, 공중을 날 때 필요한 부력을 갖게 하는 데 도움이 된다. 폐포에서 혈액(동맥혈)으로 확산되는 산소는 적혈구에 들어 있는 헤모글로빈과 결합하여 모세혈관을 따라 이동하며, 모세혈관에서 세포 안으로 확산된 산소는 미오글로빈(myoglobin)에 의해 세포 안의 각 부위로 적절히 배분된다. 그리고 혈액(정맥혈)이 각 조직을 통과할 때 헤모글로빈과 결합된 이산화탄소는 폐포로 확산된다.
⑦ ‌사람은 물 속 깊이 내려가거나 고산지대에서 고산병 증세가 나타나는 것은 기압이 낮아짐에 따라 산소분압이 함께 낮아져 일어나는 현상이다. 사람의 호흡은 뇌의 연수에 있는 호흡중추에 의해서 반사적으로 조절되며, 1분에 15~18회 호흡운동을 한다. 1회 호흡할 때 출입하는 공기는 500mL인데, 이것을 호흡용량이라 하며, 성인 남자의 폐활량은 4,000mL 정도이다.



나. 세포호흡과 ATP생성
1) ‌세포호흡은 광합성과 정반대의 과정으로, 당과 산소를 사용하여 에너지와 함께 이산화탄소와 물을 방출하고, 이때 나오는 에너지가 ADP를 ATP로 인산화시킴으로써 여러 가지 생명활동이 가능해진다.
2) ‌세포호흡에 사용되는 유기물을 호흡기질이라 하며, 포도당이 가장 좋은 기질이다.
3) ‌포도당을 분해하여 이산화탄소 형태로 완전히 산화시켜야 많은 양의 ATP를 얻을 수 있다. 포도당이 완전히 산화되면 686kcal의 에너지가 발생되지만, 이것을 생명체가 전부 쓸 수 있는 것은 아니다. 생명체는 ATP에 저장된 에너지를 이용할 뿐이며, 에너지의 최대 이용률은 포도당이 가진 에너지의 약 34%에 해당한다.
4) ‌ATP(adenosine triphosphate)가 가수분해로 γ-위치의 인산기(Pi)가 분리될 때에는 7.3kcal의 에너지가 방출되며, 이 에너지량은 다른 당-인산화합물과 비교하여 매우 높은 것이다. ATP가 가수분해될 때 분리된 ADP는 미토콘드리아에서 Pi와 결합하여 다시 ATP로 된다. 한 가지 화학반응(흡열반응)이 일어날 때 1개의 ATP를 사용한다(발열반응). 생체에서 가장 보편적이고 또 효율적으로 이용되는 에너지는 ATP의 가수분해 에너지이다.
5) ‌세포호흡은 해당(glycolysis), 크렙스회로(Krebs cycle), 전자전달계(electron transport system) 등 3단계로 진행된다.
① ‌첫 번째 단계인 해당은 세포질에서 일어나며 포도당(6탄당)을 피루브산(3탄당)으로 분해한다.
② ‌두 번째 단계인 크렙스회로에서는 피루브산을 이산화탄소로 완전히 분해한다.
③ ‌세 번째 단계는 전자전달계에서 화학삼투적 인산화에 의해 ATP를 생성한다.
④ ‌크렙스회로와 전자전달계는 미토콘드리아에서 이루어진다.
⑤ ‌해당과 크렙스회로에서도 기질수준의 인산화(substrate-level phosphorylation, 고에너지분자에서 나오는 에너지를 직접 이용하여 ATP를 합성하는 과정)에 의해 ATP가 생성되지만 그 양은 매우 적다.
⑥ ‌크렙스회로의 주된 기능은 세 번째 단계인 전자전달계에 전자를 전달해 주는 것이다.
⑦ ‌전자를 전달하는 기능을 가진 화합물은 NADH와 FADH2가 있다.

다. 해당과정
① ‌해당(glycolysis)이란 6탄당인 포도당이 9단계의 반응을 거쳐 2분자의 피루브산(pyruvic acid, 3탄당)으로 되는 대사과정을 말한다.
② ‌해당은 호흡에서 산소의 참여 없이 ATP를 생산하는 유일한 반응계로 세포질에서 진행된다.
③ ‌해당은 1분자의 포도당이 2분자의 피루브산으로 분해되며, 그 과정에서 2분자의 ATP와 2분자의 NADH가 생성되고, NADH는 전자전달계에서 산화되어 ATP가 생성된다.
④ ‌피루브산(3탄당)에는 아직도 많은 에너지가 저장되어 있으며, 이 에너지가 미토콘드리아에서 다량의 ATP를 만드는 데 사용된다.
⑤ ‌산소가 존재하면 피루브산이 미토콘드리아로 이동하여 아세틸-CoA가 된 후 크렙스회로가 작동한다.

라. 해당 이후 - 유산소호흡

1) 크렙스회로
① ‌산소가 있는 상태에서 일어나는 세포호흡을 유산소호흡(aerobic respiration, 호기성 호흡)이라 하며, 산소가 있는 환경에서 살 수 있는 생명체를 호기성 생물(aerobe)이라 한다.
② ‌호기성 생물에서는 해당 산물인 피루브산이 미토콘드리아로 들어가 아세틸 CoA(acetyl coenzyme A, acetyl CoA)로 된 후 크렙스회로로 들어간다.
③ ‌크렙스회로는 아세틸 CoA를 분해하여 2분자의 이산화탄소와 CoA를 만드는 대사과정으로, 첫 단계는 아세틸–CoA(C2화합물)가 옥살로아세트산(C4화합물)과 반응하여 시트르산(C6화합물)이 합성된다. 그래서 크렙스회로를 시트르산회로 또는 카르복시기(-COOH)를 3개 가졌기 때문에 TCA회로(tricaboxylic acid cycle)라고도 부른다.
④ ‌크렙스회로가 1번 도는 과정에서 CO2 2분자, ATP 1분자, FADH2 1분자,  NADH 3분자가 생성되며, NADH와 FADH2는 전자전달계로 이동하여 산화됨으로써 많은 양의 ATP가 생성된다.

2) 전자전달계
① ‌전자전달계는 막단백질과 전자전달분자들로 구성되며, 미토콘드리아의 내막에 자리잡고 있는데 특히 크리스타(cristae, 미토콘드리아 내막의 주름)에 집중되어 있다.
② ‌전자전달계에서 전자전달분자는 NADH와 FADH2로부터 전자(e)를 받아들여 인접 분자들에게 전달해 주며, 이때 막단백질들이 기질에 있는 H+이온을 미토콘드리아 내외막 사이의 공간으로 퍼낸다.
③ ‌전자전달계에 들어온 전자는 단계적으로 에너지 준위가 낮은 분자로 전달되고 막 사이의 공간의 H+농도기울기를 만든다.
④ ‌NADH를 떠난 전자는 최종적으로 산소와 결합하고, 전자와 결합한 산소는 주변에서 H+을 받아 물이 된다.
⑤ ‌산소가 없다면 전자를 수용하지 못하므로 전자전달계에 전자가 포화된 상태로 되어 전자가 이동할 수 없기 때문에 전자전달계가 정지되고 ATP생성이 되지 않는다.
⑥ ‌전자와 결합한 산소를 활성산소라 하는데, 이것이 신속하게 물(H2O)로 되지 않으면 다른 화합물과 반응하여 여러 가지 저해작용을 일으킬 수 있다.

3) ATP합성
① ‌미토콘드리아에서 ATP합성은 엽록체와 마찬가지로 화학삼투적 인산화 반응에 의해 이루어진다.
② ‌전자전달계에서 형성된 H+농도기울기에 의해 H+의 기동력이 생기고, 이 힘을 이용하여 ATP합성효소가 활성화하고, 그 결과 ADP를 인산화시켜 ATP가 생성되며, 이때 전자전달계의 마지막 수용체인 산소가 없다면 화학삼투현상은 일어나지 않는다.
③ ‌1분자의 포도당이 2분자의 피루브산으로 될 때 ATP 2분자가 생성되고, 또 크렙스회로에서 피루브산이 산화될 때 ATP 2분자가 생성되고, 또 크렙스회로에서 피루브산이 산화될 때 ATP 2분자가 생성되며, 이 4분자의 ATP는 기질수준의 인산화반응으로 생성된 것이다.
④ ‌다음에 포도당 1분자가 해당과정에서 2분자의 NADH를 생성하고, 피루브산에서 아세틸 CoA로 되면서 다시 NADH 2분자를 생성하며, 크렙스회로에서 NADH 6분자와 FADH2 2분자가 생성된다.
⑤ ‌1분자의 포도당으로부터 10분자의 NADH와 2분자의 FADH2가 생성된다.
⑥ ‌ATP로 환산하면, 10NADH×2.5ATP=25ATP, 2FADH2×1.5ATP=3ATP이다.
⑦ ‌1분자의 포도당으로부터 생성된 총 ATP는 기질수준에서 생성된 4ATP와 전자전달계에서 생성된 28ATP를 합하여 모두 32ATP이다.
⑧ ‌해당에서 생성된 NADH를 NADH 분해효소(NADH dehydrogenase)가 전자전달계로 이동시킬 때는 FADH2와 같이 1.5분자의 ATP가 생성되고 이 경우 30개의 ATP가 생성된다.
⑨ ‌1분자의 포도당으로부터 생성되는 총 ATP량은 30개 또는 32ATP가 된다.
⑩ ‌유산소호흡에서 1분자의 포도당이 산화되어 발생되는 에너지(686kcal) 중 ATP에 저장되는 최대 에너지량은 32ATP×7.3kcal(1개의 ATP가 가수분해될 때 나오는 에너지)=233.6kcal이며, 세포의 에너지 이용효율은 (233.6/686)×100=34.1%가 된다.
⑪ ‌무산소호흡인 발효에서는 1분자의 포도당으로부터 2개의 ATP를 생성하므로 에너지효율은 2.1%[(14.6/686)×100]이며, 이는 호기성 생물이 혐기성 생물보다 에너지효율이 높은 생활을 함으로써 경쟁에서 유리하여 지금같이 번성할 수 있게 되었음을 알게 한다.

마. 해당 이후 - 무산소발효
① ‌효모(yeast)나 젖산균 등은 산소가 없어도 활발한 생활을 할 수 있는 혐기성 생물(anaerobe)로, 이들은 산소를 사용하지 않고 에너지를 얻는다.
② ‌혐기성 생물은 해당에서 생성되는 피루브산을 이용하여 NADH를 NAD로 산화시킬 수 있는 능력, 즉 발효(fermentation)를 발전시켰다.
③ ‌젖산발효(lactic acid fermentation)나 알코올발효(alcoholic fermentation)는 해당에서 생성되는 NADH로 역시 해당에서 생성되는 피루브산을 환원하여 젖산이나 알코올을 합성하면서 NAD를 회수하므로, 세포의 발효의 진행 정도와 관계없이 NAD와 NADH의 양적 비율을 일정하게 유지할 수 있다.
④ ‌혐기성 생물은 산소가 없어도 해당과정을 반복할 수 있다.
⑤ ‌발효에서 생성되는 ATP는 해당에서 나오는 2분자가 전부이고, 세포의 에너지 이용효율이 2.1%[2ATP=(14.6/686)×100]에 불과하지만, 계속해서 ATP를 생성하므로 지속적인 에너지공급이 이루어진다.
⑥ ‌무산소발효는 주로 미생물에서 일어나지만 호기성 생물도 산소가 부족되면 젖산발효나 알코올발효에 의해서 ATP를 생산할 수 있는 능력이 있다.
⑦ ‌심한 운동에 의해 산소가 부족할 때 동물의 근육에는 젖산발효가 일어나 젖산이 축적된다.
⑧ ‌발효는 에너지 이용이 비효율적이지만, 효모는 식품산업에 이용되어 빵이나 술을 생산하고, 치즈와 요구르트, 포도주나 샴페인, 전통음식인 김치도 젖산균에 의한 발효식품이다.

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3. 세포호흡의 조절

① ‌세포호흡을 조절하는 가장 주요한 단계는 과당-6-인산이 과당-1,6-이인산으로 되는 반응이다.
② ‌이 반응은 인산과당활성화효소(phosphofructokinase, PFK)에 의해서 촉매되는데, 크렙스회로에서 나오는 시트르산과 NADH의 농도가 높거나 세포 내 ATP농도가 높아지면 PFK활성이 억제된다.
③ ‌PFK는 알로스테릭 효소(allosteric enzyme, 대사산물에 의해 효소활성이 억제되는 효소를 말함)로 활성 부위 이외에 억제자(특정 화합물)가 결합하는 부위(이 부위를 알로스테릭 부위라 함)가 있으며, 억제자가 결합하면 효소단백질의 구조적 변화가 일어나 기질이 활성 부위에 결합할 수 없게 되어 효소활성이 억제된다.
④ ‌세포호흡에서 시트르산과 NADH의 농도가 높아지면, 이 물질들이 PFK의 알로스테릭 부위에 결합하여 효소활성이 억제되므로 과당-1,6-이인산 합성이 저하한다.
⑤ ‌크렙스회로와 전자전달계의 활성이 떨어지면, 시트르산과 NADH가 소비되지 않아 농도가 높아져서 결국 해당과정을 억제하게 된다.
⑥ ‌세포에서 ATP의 소비량이 생성량보다 적게 되면 ATP농도가 높아지고 ATP가 PFK의 촉매작용을 일시적으로 불활성화시켜 과당-1,6-이인산 합성이 저해되며, 그로 인해 피루브산 생성이 적어지고, 크렙스회로와 전자전달계의 활성도 낮아져 ATP생성량이 적게 된다.
⑦ ‌ATP소비량이 생성량보다 많은 경우는 ATP농도가 낮아지고 ADP농도가 증가하며 ADP가 PFK의 효소활성을 증가시켜 과당-1,6-이인산 합성이 촉진된다.

▣ 학습문제

1.  세포호흡은 해당·크렙스회로·전자전달계의 3단계로 진행되는데, 세포에서 해당이 일어나는 부위는 (          )이다.
① 세포질 ② 미토콘드리아
③ 골지체 ④ 소포체

2.  크렙스회로는 세포호흡의 2번째 단계로 (          )  은(는) 크렙스회로에서 생성되는 물질이 아니다.
① NADH    ② 피루브산
③ FADH2 ④ ATP

3.  미토콘드리아는 에너지를 생성하는 세포소기관이다. 미토콘드리아의 내막이 파손되면 ATP의 합성이 일어나지 않는 이유는           .
① 전자전달이 중도에서 차단되기 때문이다
② 해당의 활성이 저해되기 때문이다
③ 내막을 경계로 한 H＋의 기울기가 형성되지 않기 때문이다
④ 내막을 통한 H＋의 펌핑이 너무 많이 일어나기 때문이다

4.  세포호흡의 주된 연료(호흡기질)는 포도당이다. 1분자의 포도당이 완전산화될 때 생성되는 에너지 중 세포가 최대로 이용할 수 있는 양은  (          )  이다.
① 36kcal  ② 7.3kcal
③ 233.6kcal     ④ 686kcal

5.  호흡기관은 신선한 산소를 공급하고 이산화탄소를 배출하며 호흡기관의 발달 정도는 진화와 관련되는데,  (          )   은 곤충의 호흡기관이 아니다.
① 기문 ② 기낭
③ 기관 ④ 기공


6.  1몰의 포도당이 완전히 산화될 때 생성되는 ATP는 최대 얼마인가(1NADH → 2.5ATP, FADH2 → 1.5ATP)?
① 1몰 ② 6몰
③ 24몰 ④ 32몰

7.  해당이란 어떤 과정을 말하는가?
① 산소가 참여한 조건에서 포도당이 피루브산으로 되는 과정이다.
② 산소가 참여하지 않은 조건에서 포도당이 피루브산으로 되는 과정이다.
③ 산소가 참여한 조건에서 피루브산이 아세틸 CoA로 되는 과정이다.
④ 산소가 참여하지 않은 조건에서 피루브산이 아세틸 CoA로 되는 과정이다.

8.  폐에서 가스교환은 한 층으로 된 폐포의 세포를 사이에 두고 안쪽의 공기와 바깥쪽에 있는 모세혈관 간에 일어나는데, 가스교환의 메커니즘은?
① 엔도시토시스 ② 엑소시토시스
③ 능동수송     ④ 확산

9.  1몰의 ATP로부터 발생하는 에너지량은?
① 7.3kcal                            ② 36kcal
③ 262.8kcal ④ 686kcal

10.  세포호흡은 ㉠          를 사용하여 유기물로부터 에너지를 얻어 내고 ㉡          을 배출하는 과정이다.
① ㉠ ATP   ㉡ 산소와 물 ② ㉠ 산소   ㉡ 이산화탄소와 물
③ ㉠ ADP   ㉡ 산소와 물 ④ ㉠ 수소   ㉡ 이산화탄소와 물

⊙ 정답 및 해설

1.  ① 세포호흡의 해당은 세포질에서 이루어지며, 크렙스회로와 전자전달계는 미토콘드리아에서 진행된다.(교과서 112쪽)
2.  ② 크렙스회로는 아세틸 CoA를 분해하여 2분자의 CO2와 CoA로 만드는 과정이며, 이 과정은 1분자의 포도당으로부터 6분자의 NADH와 2분자의 FADH2가 생성되어 전자전달계로 이동한다. 피루브산은 해당과정에서 생성된다.(교과서 115쪽)
3.  ③ 미토콘드리아의 내막에는 전자전달계 효소가 있어 H＋농도기울기에 의한 화학삼투적 방법에 의해 ATP를 생성하는데, 내막이 파괴되면 전자전달이 이루어지지 않고 따라서 H＋농도기울기가 형성되지 않기 때문에 ATP의 합성이 일어나지 않는다.(교과서 116~117쪽)
4.  ③ 1분자의 포도당이 완전산화되어 발생한 에너지는 686kcal이고, 1분자의 포도당으로부터 생성되는 총 ATP량은 최대 32ATP이며, ATP 1개가 가수분해될 때 생성되는 에너지는 7.3kcal이다. 그러므로 세포가 1분자의 포도당으로부터 최대로 이용할 수 있는 에너지는 32ATP×7.3＝233.6kcal이며, 따라서 에너지 이용효율은 (233.6/ 686)×100＝34.1%가 된다.(교과서 118쪽)
5.  ④ 단세포생물은 피부호흡을 하고, 물고기와 조개류는 아가미호흡을 하며, 곤충은 기문을 통한 기관호흡을 한다. 포유류와 조류는 폐(허파)호흡을 한다. 기낭과 기관 및 기문은 곤충의 호흡기관계이다.(교과서 109~110쪽)
6.  ④ 1몰의 포도당으로부터 생성되는 최대 ATP는 해당에서 2ATP, 크렙스회로에서 2ATP, 전자전달계에서 10NADH×2.5ATP＝25ATP와 2FADH2×1.5ATP＝3ATP이므로 총 32ATP가 된다.(교과서 118쪽)
7.  ② 해당은 1분자의 포도당(6탄당)이 9단계의 반응을 거쳐 2분자의 피루브산(3탄당)으로 되는 대사과정으로, 산소 없이 ATP를 생산하며 세포질에서 진행된다.(교과서 113쪽)
8.  ④ 폐(허파)에서 가스교환은 확산에 의해 이루어진다. 폐포에서 혈액(동맥혈)으로 확산되는 산소는 적혈구의 헤모글로빈과 결합하여 모세혈관을 따라 이동하며, 모세혈관에서 세포 안으로 확산된 산소는 미오글로빈에 의해 세포 안의 각 부위로 배분된다.(교과서 110쪽)
9.  ① 1몰의 ATP가 가수분해하면 ATP의 세 번째 P와 두 번째 P 사이의 P~O결합이 분리되면서 7.3kcal가 방출된다.(교과서 112쪽)
10.  ② 세포호흡은 광합성의 역반응으로 당과 산소를 사용하여 에너지와 함께 CO2와 물을 방출한다. (교과서 111쪽)
광합성
6CO2 ＋ 6H2O                  6C6H12O6 ＋ 6O2
세포호흡                        

나풀나풀 잘 추시네

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