호흡과 광합성의 생물학적 과정과 의의

어서 오세요~ 힐링 만다린입니다:)

 

오늘은 산소와 이산화탄소를 이용한 호흡과 광합성의 정의 및 그 과정에 대해 설명드리겠습니다.

 

호흡은 체내에 산소를 받아들이고 이산화탄소를 배출하는 생명 활동으로 소화와 흡수로 얻은 영양 물질을 산화시켜 생명 활동에 필요한 에너지를 얻습니다. 산화에는 산소가 필수 요소이므로 생물은 호흡을 통해 산소를 체내 또는 세포로 받아들입니다. 효모와 같은 일부 미생물은 산소가 없는 상태에서도 주위의 당분과 같은 물질을 이용하여 호흡할 수 있는데 이를 무산소 호흡이라 합니다. 세포 단위에서 이루어지는 호흡을 내호흡이라 하며 미토콘드리아에서 산소를 받아들여 영양분을 산화시켜 에너지를 얻습니다. 이때 발생한 에너지는 ATP에 저장되어 사용되며, 고등생물은 몸 안으로 산소를 받아들이고 이산화탄소를 배출하는 역할을 전담하는 호흡기관이 있습니다.

내호흡과 달리 외호흡은 허파나 아가미와 같은 호흡 기관에서 이루어지는 기체 교환을 말합니다. 외호흡은 호흡운동을 통해 공기나 수중의 산소를 체내로 받아들이고 이산화탄소를 몸 밖으로 배출시키는데, 인간의 경우 횡격막과 내-외 갈비사이근의 운동으로 허파에 공기를 받아들이고 이산화탄소를 배출시킵니다. 보통 1분에 15 - 18회의 호흡이 이루어지며 한 번에 받아들이는 공기는 약 500ml로 건강한 성인 남자의 경우 최대 폐활량은 약 4,800 ml에 이릅니다.

내호흡 세포호흡으로, 들이마신 산소, 포도당 등의 영양소를 이용하여 ATP를 합성하는 것을 일컫는데, 이는 세포의 미토콘드리아에서 일어납니다. 크게 해당 과정, TCA회로, 전자 전달계로 구분되며, 해당 과정은 미토콘드리아가 아닌 세포질에서 일어납니다. 세포 안에서 일어나는 내호흡은 포도당의 해당 과정 등에서 나온 에너지를 ATP에 저장하는 과정이며, 세 과정을 나누어 살펴보겠습니다. 

1) 해당과정

해당 과정은 한개의 포도당 분자를 두개의 피루브산으로 분리하는 일련의 생화학 과정으로 10 종류의 효소가 이 과정에 관여합니다. 이 화학 반응에서 포도당의 분해 결과 발생한 에너지는 2개의 ATP에 저장되며 아래의 화학식으로 표현될 수 있습니다.

C6H12O6 → 2C3H4O3 + 2NADH2 + 2ATP

2) TCA 회로

해당 과정에서 만들어진 피루브산은 세포 내의 미토콘드리아로 옮겨집니다. 미토콘드리아에서 피루브산은 탈수소효소와 탈탄산효소에 의해 이산화탄소와 수소 원자로 분해되며 이 과정에서 하나의 ATP가 생성되는데, 이때 발생한 이산화탄소는 혈액에 의해 운반되어 호흡기관을 통해 몸 밖으로 배출됩니다.

C3H4O3 → 3CO2 + 4NADH2 + FADH2 + ATP

3) 전자전달계

해당과정과 TCA 회로에 의해 분리된 수소 원자는 미토콘드리아 내막으로 운반되어 수소 이온이 되며, 전자전달계라 불리는 일련의 과정을 통해 산소와 결합하여 물을 만들고 이 과정에서 발생한 에너지가 ATP 합성효소에 전달되어 ATP를 생성시킵니다.

24H + 6O2 → 6H2O + 34ATP

내호흡을 통해 만들어진 ATP는 하나의 인산과 분리되면서 발생한 에너지로 갖가지 생명 활동에 공급합니다.

 

두번째 광합성은 식물 및 다른 생명체가 빛에너지를 화학 에너지로 전환하기 위해 사용하는 과정입니다. 광합성 세균에서 광합성을 위해 빛을 흡수하여 모으는 단백질은 세포막에 존재하며, 세포 자체를 둘러싸는 막을 포함합니다. 틸라코이드라 불리는 원통형시트로 단단히 접히며, 매우 넓은 표면적을 갖게 되어 광합성 세균이 흡수할 수 있는 빛의 양을 증가시킵니다. 식물과 조류에서 광합성은 엽록체라고 불리는 세포소기관에 의해 일어납니다. 전형적인 식물세포는 약 10~100개의 엽록체를 가지고 있고, 엽록체는 외막과 내막의 2중막 구조로 되어있으며, 두 막 사이의 공간을 막 사이 공간이라고 부릅니다. 내막으로 둘러싸인 부분은 엽록체의 기질에 해당하는 부위로 스트로마라 불리는데, 광의존성 반응이 일어나는 그라나(틸라코이드가 쌓여 층을 이룬 구조)가 있으며, 틸라코이드는 납작한 동전 모양의 구조물입니다. 틸라코이드 자체는 틸라코이드 막으로 둘러싸여 있는데, 광합성 색소들이 결합된 단백질 복합체인 광계, 전자전달계의 효소들, ATP 생성효소 등이 있어 빛에너지가 화학 에너지로 전환되는 장소이기도 합니다. 

식물이 빛을 흡수할때 녹색 부분이 흡수되지 않고 반사되기 때문에 우리 눈엔 식물들이 모두 녹색처럼 보이지만 식물은 엽록소외에도 카로틴과 잔토필과 같은 색소를 사용하기도 합니다. 그래서 바다에 둥둥 떠 있는 조류들이 녹조류 외에도 홍조류, 갈조류, 규조류가 존재하는 것입니다. 전환된 화학 에너지는 나중에 생명체의 활동에 에너지를 공급하기 위해 방출될 수 있으며, 이 화학에너지는 이산화탄소와 물로부터 합성된 당과 같은 탄수화물 분자에 저장됩니다. 광합성은 지구 대기 중의 산소를 생산하고 유지하는데 큰 역할을 하며, 지구 상의 생명체에게 필요한 유기 화합물과 대부분의 에너지를 공급합니다.

 

광합성 생물은 광독립영양생물이며, 이는 빛에너지를 사용하여 이산화탄소와 물로부터 직접적인 음식물을 합성할 수 있다는 것을 의미하는데, 모든 생물이 광합성을 수행하기 위해 이산화탄소를 탄소 원자의 공급원으로 사용하는 것은 아닙니다. 어떤 광종속영양생물은 탄소의 공급원으로 유기화합물을 사용합니다.

이산화탄소는 탄소 고정이라고 불리는 과정에서 당으로 전환됩니다. 햇빛으로부터 포획한 에너지를 이용하여 이산화탄소를 탄수화물로 전환시키는데 그 과정은 흡열 반응인 동시에 산화환원반응입니다. 광합성은 생물 종에 따라 다르게 수행되지만, 빛에너지가 엽록체의 틸라코이드 막에 존재하는 광계의 반응 중심 색소로 전달되고 고에너지 전자를 방출하면서 과정이 시작됩니다. 광합성의 전체 반응식은 다음과 같습니다. 그리고 광합성은 명반응과 암반응 두가지고 나뉩니다.

6CO2 + 12H2O → C6H12O6 + 6H2O + 6O2

명반응은 물의 광분해와 광인산화의 두 과정으로 나누며, ATP와 NADPH2가 생성되고 O2가 방출됩니다.

암반응은 명반응에서 만들어진 ATP와 NADPH2를 이용하여 CO2를 칼빈회로에서 포도당으로 환원하여 생성하는 과정입니다. 좀더 자세히 말하면 명반응은 물을 분해해서 수소와 산소로 나누고, 산소는 필요 없으니 밖으로 방출시킵니다. 그리고 빛에너지를 이용하여 18개의 ATP를 생성합니다. ATP는 생물체 내부에서 에너지를 전달하기 위해 사용하는 일종의 화폐입니다. ATP는 암반응에서 포도당을 합성하는데 필요한 에너지를 제공하며, 명반응에서 NADP라는 물질이 수소원자를 결합시켜 NADPH를 만듭니다. 명반응은 식물이 포도당을 만들기 위해 필요한 에너지인 ATP와 빛에너지를 이용해 수소를 생산하는 과정입니다. 암반응은 이산화탄소와 NADPH의 수소를 가지고, 포도당을 만드는데, 보통 캘빈회로라 불리는 순환 과정을 거쳐 포도당이 생성됩니다. 포도당 한 분자를 만들기 위해선 6개의 이산화탄소 분자와 12개의 NADPH  분자가 필요합니다. 그리고 이 반응을 진행시키는 에너지는 18개의 ATP에 의해 제공됩니다.

 

오늘은 생물체에서 일어나는 일련의 호흡과 광합성에 대해 알아 보았습니다.

 

그럼, 오늘 하루도 힐링하세요:)