글로벌 세계 대백과사전/생물II·식물·관찰/식물의 생리와 발생/광합성과 호흡/호 흡

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식물은 광합성에 필요한 이산화탄소를 기공으로 흡수하는 경우와 마찬가지로, 주로 기공에서 산소를 흡수한다. 기공으로 들어온 산소는 세포 간극을 지나 각 세포에 이른다. 한편, 식물 줄기의 단단한 부분이나 사과의 껍질 등에 있는 '껍질눈(피목)'이라는 구멍과 뿌리에 있는 뿌리털로 산소를 흡수하기도 한다.

식물체는 동물과 달라서 구조가 간단하고 세포간극이 많으므로 특별한 호흡 기관이 필요 없다.

생물이 체외로부터 받아들이거나 체내에서 합성한 유기 물질은 생물체를 구성하는 재료가 되며, 또한 생명 활동을 유지하는 데도 쓰인다.

보통 생물은 양분을 세포 내에서 산화하여 그 결과 생성되는 에너지를 생명 활동에 이용하고 있다. 그러나 특수한 생물이나 조직은 산화 반응 이외의 방법으로 물질을 분해하여 에너지를 얻고 있는 경우도 있다.

이와 같이 세포가 에너지를 유리시키는 일련의 과정을 '호흡'이라고 한다.

즉, 생명 활동에 필요한 모든 에너지는 호흡으로 얻어진다. 이 때 모든 생물의 호흡 재료는 광합성으로 만들어진 유기물인데, 이 속에 저장되어 있던 빛에너지가 호흡에 의해 유리됨으로써 생물의 여러 가지 활동에 이용되는 것이다.

호흡에는 유기 호흡과 무기 호흡이 있다. 유기 호흡은 바로 산소 호흡을 의미하며, 산소 없이 유기물이 산화되어 에너지가 발생할 때를 무기 호흡이라고 한다. 산소 호흡 반응을 정리하면 다음과 같다.

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 에너지

이 식은 광합성과는 반대 반응이다. 그러나 이것은 중간의 과정을 염두에 두지 않은 편이므로 광합성 과정을 거슬러올라가는 것이 아니며, 이 일련의 화학 변화는 광합성의 반응 과정과는 전혀 다르다.

산소 호흡[편집]

산소 호흡은 산소가 필요한 호흡이므로 '호기성 호흡'이라고도 한다. 이것은 호흡 기질을 산화시킴으로써 저장된 에너지를 유리시키는 작용이다.

세포 안에서 산소 호흡의 기질이 되는 물질은 대부분 포도당이다. 포도당은 6개의 탄소가 뼈대로 된 탄수화물인데, 여러 가지 화학 변화를 거쳐서 탄소를 3개 가진 2분자의 피루브산(C3H4O3)으로 분해되며, 이 때 수소 원자 4개를 발생시킨다.

① C6H12O6 → 2C3H4O3 + 4H ―― 제1단계 이것이 산소 호흡의 제1단계로서, 당이 분해되는 반응이므로 '해당 과정'이라고 한다.

다음에 이 피루브산은 다시 TCA 회로(크렙스회로)라는 반응계로 들어가 산화된다. 이 때 2분자의 피루브산이 완전히 산화되면, 6분자의 이산화탄소와 20개의 수소 원자가 생기는데 여기에 6분자의 물이 쓰인다.

② 2C3 H4O3 + 6H2O → 6CO2 + 20H ―― 제2단계 이 두 과정에서 모두 24개의 수소가 생기는데 이 수소는 결국 전자 전달계(수소 전달계)라고 하는 한 무리의 효소 작용에 의해 산화되고 마지막으로 6분자의 산소와 결합되어 물이 된다.

③ 24H+6O2 → 12H2O

이렇게 하여 모두 12분자의 물이 생성된다.

여기에서 ①, ②, ③식을 더하면,

C6H12O6 + 6O2 + 6H2O → 6CO2 + 12H2O + 688㎉가 된다

한편, 수소의 산화에서 에너지가 방출되는데 이 에너지는 ADP가 ATP로 되는 반응에 쓰이므로, 결국 1분자의 포도당이 완전히 산화되면 38분자의 ATP가 생기게 된다. 이 중 대부분은 TCA 회로 과정에서 생성되며, 해당 과정에서는 약간의 에너지만 발생하는데, 이것은 해당 과정에서 적은 수의 수소만이 유리되기 때문이다.

이와 같은 산소 호흡 과정은 아주 복잡하며 각 반응에는 각종 효소가 관계되는데, 이들 효소를 일괄하여 '호흡 효소'라고 부른다.

호흡으로 방출된 에너지는 생물이 하는 일에 모두 쓰이지 않으며, 일부는 반드시 열로 발산된다.

이러한 경우는 다음의 실험을 통하여 알 수 있다. 활발히 호흡하고 있는, 싹이 트기 시작한 씨를 열이 밖으로 달아나지 않도록 그릇 속에 넣어 두면 그릇 속의 온도가 올라가는 것을 볼 수 있다.

한편, 종이나 나무 등이 연소한다는 것도 화학적으로 말하면 공기 중의 산소에 의해서 종이나 나무가 산화되는 것으로, 생물 몸 속에서 당이 산화되는 것과 마찬가지의 반응이다. 그러나 종이나 나무가 산화될 때는 그것에 저장되어 있던 에너지가 단번에 열이 되어 방출되지만, 호흡에 의한 산화 반응은 이와 달리 천천히 진행된다는 점이 특징적이다. 더욱이 호흡으로 방출된 에너지는 생물의 여러 가지 활동에 쓰이며, 열로 방출되는 양은 일부에 지나지 않는다.

몸 속에서의 산화 반응이 천천히 진행된다는 것은 생물에게 있어서 매우 중요한 의미를 갖는다.

만일 몸 속에서 갑자기 산화 반응이 일어나서 연소 때와 같이 단번에 에너지가 방출된다면, 생물이 단시간에 처리할 수 있는 에너지량은 한정되어 있으므로 한번에 다량으로 공급되는 에너지를 처리할 수 없을 것이다. 이렇게 되면 이용할 수 없는 에너지는 버리지 않을 수 없게 된다. 그러므로 산화가 천천히 진행되어 조금씩 에너지가 유리되는 것은 생물이 효율적으로 에너지를 이용할 수 있도록 돕는다.

이 밖에 연소에 의한 산화와 호흡에 의한 산화와의 큰 차이점은, 호흡과 달리 연소 때에는 성냥 등으로 불을 붙여주어야만 반응이 일어난다는 것이다.

즉, 연소는 수백 도가 되는 고온에서 일어나지만 호흡에 의한 산화 반응은 체온에서 이루어지며, 식물인 경우에는 대체로 외부 온도에서 일어난다. 이와 같이 몸 속에서는 고온이 아니더라도 반응이 진행되는데, 이것은 모두 생체 안에 있는 효소 작용 때문이다.

광합성에서는 빛에너지를 이용하여 ADP와 인산으로부터 ATP를 만드는데, 호흡에서도 산화반응에 의해 유리된 에너지를 이용하여 ATP가 만들어진다.

호흡으로 유리된 에너지의 일부는 열로 발산되지만, 그 밖의 것은 일시적으로 ATP 속에 저장된다. 이러한 ATP는 필요에 따라서 ADP와 인산으로 분해되어 에너지를 방출하므로, 이것이 모든 생물의 활동에 쓰이고 있다.

호흡 기질을 산화시켜 유리된 에너지를 ATP로 바꾸는 효소의 무리는 세포 속의 미토콘드리아에 들어 있다.

그러므로 미토콘드리아는 세포에서의 에너지 공급 장소, 즉 발전소와 같은 곳이다.

한편, 생물 가운데는 산소가 없는 곳에서도 증식을 하는 경우가 있다. 이처럼 산소가 없는 상태에서 호흡 기질을 분해하여 에너지를 얻는 작용을 하는데, 이것을 '무기 호흡'이라고 한다. 이러한 무기 호흡에는 발효와 부패가 있다.