[일반생물학실험]식물의 호흡

실험 목적

발아 중인 콩을 이용하여 식물의 호흡량을 측정하는 방법을 배우고 환경요인이 호흡에 미치는 효과를 조사한다.

 

실험 이론 및 원리

1. 세포호흡

해당과정, 피루브산 산화와 시트르산 회로, 전자전달계와 산화적 인산화의 과정을 통해 이루어진다.

1) 해당과정

-1분자의 포도당이 2분자의 피루브산으로 분해되는 과정

-세포질에서 일어나며, 2가지 주요 단계가 존재한다.

① 에너지 투자기로서 2개의 ATP를 소비한다.

② 에너지 회수기로서 4개의 ATP와 2개의 NADH가 생성된다. 해당과정에서는 CO2가 방출 되지도 않고, O2의 존재와도 관계가 없다. 무산소 상태에서 일어난다.

 

2) 피루브산 산화의 반응 : 시트르산 회로를 위한 2탄소 연료를 생산한다.

3) 시트르산 회로의 반응

 

4) 전자전달계와 산화적 인산화

전자전달계에서 전자는 미토콘드리아 내막의 단백질복합체를 통해 흐른다.

기질수준 인산화

① 포도당 1분자 당

② 해당과정에서 2 ATP

③ 시트르산 회로 2 ATP

④ 총 4분자의 ATP가 생성

따라서 포도당에서 추출된 에너지의 대부분은 NADH와 FADH2에 저장

이들 전자가 전자전달계를 통해 산소에 운반될 때 방출된 에너지는 산화적 인산화에 의하여 다량의 ATP를 합성

2. 실험 배경

본 실험에서는 호흡의 결과 방출된 이산화탄소의 양을 측정하고자 하며, 높은 에너지 요구성 때문에 호흡을 왕성하게 수행하는 발아 콩을 실험재료로 사용한다.

호흡으로 방출된 이산화탄소를 NaOH와 반응시키면

NaOH + CO2 → NaHCO3

NaHCO3 + NaOH → Na2CO3 + H2O

의 반응이 일어난다.

여기에 BaCl2를 첨가하면 BaCl2는 Na2CO3나 NaHCO3와 반응하고, 이들을 침전 형태의 BaCO3로 제거하기 때문에 반응 후 잔존하는 NaOH의 양을 산․알칼리 적정으로 정량하는 것이 가능하다. 이 실험에서는 적정 시 페놀프탈레인을 지시약으로 사용한다. 페놀프탈레인은 염기성에서는 적색을 띠지만 중성과 산성에서는 무색이다. 

따라서 호흡으로 생성된 이산화탄소와 반응한 NaOH를 HCl로 적정할 때 소요된 HCl의 양으로 호흡량을 산츨할 수 있다. 환경인자 중의 하나인 온도는 모든 생물의 생화학적 반응속도 및 생장에 영향을 미치기 때문에 이 실험에서는 온도가 식물의 호흡량에 미치는 효과에 대하여 알아본다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

호흡병, 뷰렛, 비커(100㎖, 500㎖), 은박지

 

2. 실험 시약

① 완두콩

② 0.1N NaOH : 1N(1노르말농도)=용액1L에 포함된 용질의 g당량 수 (g당량 수/L)

③ 0.1M BaCl2, 메탄올

④ 1% 페놀프탈레인 용액

중성과 산성에서는 무색을 띄고 염기성(pH 8-9)에서는 붉은색을 띄는 지시약

*페놀프탈레인 1% 용액의 제조 : 페놀프탈레인 1g을 60%에탄올 80㎖에 녹인 후 물을 부어 100㎖되게 하면 만들 수 있다.

실험 방법

1. 실험 과정

1) 완두콩을 1.5일간 물에 불려 발아시킨다. 발아된 콩을 취하여 물기를 제거한 후 2개씩 무 게를 잰다.

2) 완두콩을 2개씩 한 장의 거즈에 싼 다음, 증류수가 들어있는 비커에 담가 물을 흠뻑 적신다.

3) 호흡병을 4개 준비하여 각각에 20㎖의 0.1 N NaOH를 넣은 다음, 완두콩이 들어있는 거즈를 실로 매달아 고무마개에 압정으로 고정한다.

4) 은박지로 호흡병을 싼 다음, 1번 호흡병은 4℃에, 2번과 4번 호흡병은 실온에, 그리고 3 번 호흡병은 37℃에 24시간 방치하여 호흡이 진행되게 한다. 이때 4번 호흡병은 발아 완 두콩을 넣지 않은 대조군으로 사용한다.

5) 24시간 후, 완두콩을 제거하고 고무마개를 재빨리 닫는다.

6) 5㎖의 0.1M BaCl2가 들어 있는 100㎖의 비커를 준비하고 여기에 호흡병의 NaOH를 5㎖ 취하여 넣는다. 그리고 1% 페놀프탈레인 용액 100㎕를 넣고 흔들어 혼합한다.

7) 뷰렛을 사용하여 0.1 N HCl을 한 방울씩 NaOH-BaCl2-페놀프탈레인 혼합액에 떨어뜨리면서 잘 흔들어 준다. 적색이 없어질 때까지 첨가한 HCl의 부피를 기록한다.

8) 모든 호흡병에 대하여 위의 실험을 수행한다. 적정실험을 되풀이하여 2번 실험의 평균치를 계산한다.

 

주의 사항 

1. 되도록 같은 중량의 완두콩을 실험에 사용할 것.

2. 완두콩을 감싼 거즈가 NaOH 용액에 절대 접촉하지 않도록 실의 길이를 조절할 것.

3. 호흡과정이 끝난 후 완두콩을 제거하고 신속히 고무마개를 닫아서 공기가 호흡병에 들어가는 것을 최소화 할 것.

 

실험 결과

1. 결과 분석

1) 적정에 사용된 0.1 N HCl의 양을 기록한다.

	호흡병1	호흡병2	호흡병3	호흡병4
1차	1800㎕	1600㎕	1200㎕	2200㎕
2차	1800㎕	1600㎕	1200㎕	2200㎕
평균	1800㎕	1600㎕	1200㎕	2200㎕

 

2) 호흡으로 제거된 0.1 N NaOH의 양은 적정에 사용된 0.1 N HCl의 양 (대조군: 호흡이 진행된 호흡병)과 같다.

	호흡병1	호흡병2	호흡병3
제거된 NaOH mole수	0.00004	0.00006	0.00008

 

3) 5㎖의 NaOH만 적정하였으므로 전체 0.1 N NaOH 용액의 부피는 4를 곱해야 한다.

	호흡병1	호흡병2	호흡병3
제거된 NaOH의 양	16㎖	24㎖	32㎖

 

4) 제거된 NaOH의 mole수는 다음의 식에 의하여 구한다.

0.1 N NaOH 부피(㎖) × 0.1 mole/1,000 ㎖ = NaOH mole수

	호흡병1	호흡병2	호흡병3
제거된 NaOH의 양	0.0016몰	0.0024몰	0.0032몰

 

5) 한 분자의 CO2는 두 분자의 NaOH를 제거하므로 호흡에 의하여 생성된 CO2의 분자수는 제거된 NaOH 분자 수의 절반으로 계산된다.

	호흡병1	호흡병2	호흡병3
생성된 CO2 몰수	0.0008몰	0.0012몰	0.0016몰

 

6) CO2의 분자량은 44g이므로 mole수로부터 CO2의 무게를 구한다.

	호흡병1	호흡병2	호흡병3
생성된 CO2의 무게(㎎)	0.0352㎎	0.0528㎎	0.0704㎎

 

7) 완두콩 ㎎당 생성된 CO2 무게를 계산하시오.

	호흡병1	호흡병2	호흡병3
완두콩 ㎎당 생성된 CO2의 무게(㎎)	0.000031㎎	0.00005㎎	0.00006㎎

 

8) 온도에 따른 호흡량을 계산하시오.

	5~15℃	15~25℃	37℃
완두콩 ㎎당 생성된 CO2의 평균무게(㎎)	0.000031㎎	0.00005㎎	0.00006㎎

 

9) 온도에 따라 호흡량이 증가하였는지 설명하고 Q10값을 구하시오.

온도가 증가할수록 호흡량이 증가하였다. Q10=약 0.995가 나온다.

 

토의 사항

1. 실험 고찰

모든 생명체는 세포호흡을 한다. 세포호흡은 해당과정, 피루브산 산화와 시트르산 회로, 전자전달계와 산화적 인산화의 과정을 통해 이루어진다. 결국 이 과정은 에너지를 얻기 위한 과정이며, 식물세포도 광합성과는 별도로 산소호흡을 수행하여 대사에 필요한 에너지를 얻는다. 호흡을 측정하는 방법에는 호흡에서 소요되는 산소의 양을 측정하는 방법과, 호흡의 결과 배출된 이산화탄소의 양을 측정하는 방법 등 두 가지 방법이 있다.

 

본 실험은 발아중인 완두콩을 통한 실험으로 식물의 호흡량을 측정해보고, 온도가 호흡에 미치는 영향을 살펴보는 실험을 했다. 완두콩이 으깨지지 않도록 주의를 가하며 실험에 필요한 조건을 맞추었다. 각 조당 하나의 조건을 가지고 한 실험을 했는데, 적정에 사용된 0.1 N HCl의 양을 측정을 했다. 실험에 앞서 호흡병에 공기가 들어가지 않도록 신속하게 호흡병을 닫는 과정이 필요했다.

 

그 후 페놀프탈레인이 붉은색에서 무색으로 변화 직후 HCl의 양을 측정하는 것이었는데, 실온에서의 결과는 1600㎖ 였고, 두 번째 실험에서도 1600㎖라는 결과 값을 얻을 수 있었다. 페놀프탈레인용액은 염기성일때 붉은색을 띠고 중성,산성일때 무색을 띠므로 호흡병에 남아있는 NaOH의 양이 많을수록 페놀프탈레인용액을 붉은색에서 무색으로 바뀌게 할 HCl 양이 많이 필요하다.

 

aces 대조군이 가장 많은 HCl의 양이 필요했고, 호흡병3에서 가장 적은 양이 필요로 하는 것으로 보아, 대조군에서 호흡이 가장 적게 일어났고, 호흡병3에서 호흡이 가장 활발히 일어났다는 것을 먼저 추측해 볼 수 있었다. 서로 실험값을 공유 한 뒤 계산을 해 본 결과 위의 실험 결과 값과 같은 값을 얻을 수 있었다. 결과 값을 다 계산해 본 뒤 8번에서 얻은 값으로 완두콩은 37℃에서 가장 호흡이 활발하다는 것을 알 수 있었고, 사람에게도 적정온도가 있듯이 식물에게도 적정온도가 있지 않을까라는 생각을 해보게 되었다.

 

참고 문헌

생명과학, 역동적인 자연과학, 라이프사이언스.