[일반생물학실험]세포의 화학에너지 전환 : 세포 호흡과 발효

실험 목적

세포의 화학에너지 전환에 대해 알아보고 산소가 없는 조건에서 일어나는 에너지전환 반응인 발효의 한 종류인 알코올 발효를 효모에서 정량해 본다.

실험 이론 및 원리

1. 호흡

생물이 물질을 산화하여 생명의 활동에 필요한 에너지를 획득하는 작용이다. 호흡은 크게 외호흡(external respiration)과 세포호흡(cellular respiration)으로 구분한다.

1) 세포호흡

① 정의 : 생물이 산소를 이용하여 유기물을 산화·분해하여 그 과정에서 생체에 이용 가능한 형태로 물질에 함유된 에너지를 획득하는 것이다.

② 담당기관 : 미토콘드리아

미토콘드리아의 내막에 둘러싸인 기질 안에는 시트르산회로·지방산산화와 산화반응에 관여하는 효소군이 존재하며, 내막에는 전자전달계·산화적인산화계의 효소들이 결합하고 있다.

③ 메커니즘 : 먼저 당·지방산·아미노산 등이 분해되어 생긴 CoA가 시트르산회로로 들어가서 탈수되어 이산화탄소(CO2)를 발생시킨다. 이렇게 세포 내에서 생성된 이산화탄소는 농도 차에 의해 세포막을 투과하여 체액 속으로 확산된다. 한편, 수소는 전자전달계를 거쳐서 최종적으로 산소를 이용하는 시토크롬산화효소에 의해 산화되어 물이 된다. 그 결과 세포에 근접한 체액의 pH가 낮아지면, 혈구 또는 혈장 내의 호흡색소인 헤모글로빈과 결합하여 수송되어 온 산소가 유리되어 세포 안으로 들어옴으로써 가스교환이 이루어진다.

2) 외호흡(external respiration)

다세포동물에서 세포호흡에 필요한 산소를 체내의 각 세포에 보내고, 세포에서 나오는 이산화탄소를 운반하기 위한 작용이다. 받아들인 산소는 헤모글로빈 등의 호흡색소에 결합되어 수송되며, 이산화탄소는 적혈구 및 폐 조직에 존재하는 탈탄산효소에 의해 탄산으로 혈액 중에 운반되어 온 후 이산화탄소와 물로 분해되어 체외로 배출된다.

 

2. 세포호흡(cellular respiration)의 종류

1) 산소호흡(=호흡, 유기호흡, aerobic respiration)

수소(전자)의 최종받이(최종수용체)가 산소인 경우를 말한다. 미토콘드리아 내에서 일어나 는 탈수소 및 탈탄산을 수반하는 호흡으로 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 32ATP

 

2) 무산소호흡(=무기호흡, 혐기성호흡, anaerobic respiration)

생물이 활동에 필요한 에너지를 산소 이외의 물질을 산화제로 하여 얻는 호흡으로서 산 화제로 된 물질은 환원된다. 호흡기질의 탈수소반응의 수소수용체가 산소 이외의 것인 점이 산소호흡과 다르다. 무기호흡으로 생기는 에너지 효율은 산소호흡에 비해 낮다. 이것 은 기질의 분해산물이 화학적으로 높은 위치에너지를 가지고 있기 때문이다

 

3) 발효(fermentation)

 

3. 발효(fermentation)

1) 의미

① 넓은 의미: 미생물이 자신의 효소로 유기물을 분해 또는 변화시켜 각기 특유한 최종산물을 만들어내는 현상

② 좁은 의미: 탄수화물이 무산소적으로 분해되는 복잡한 반응계열로 이루어지는 과정

 

2) 특징

무산소적 조건하에서 유기화합물 자신이 산화되는 기질과 산화제를 겸하는 것이 특징이다. 엄밀한 무산소성 생물은 극히 일부의 세균(가스 괴저균 등)에 한정되고, 대부분의 미생물은 임의 무산소성이어서 산소적 조건하에서는 에너지 효율이 뛰어난 산소에 의한 완전산화(호흡)를 영위하지만, 산소가 없는 환경에 놓이면 유기물(특히 당)의 발효적 분해를 일으켜 생명을 유지하려고 한다.

 

3) 파스퇴르 효과

산소의 존재에 의해 조직 세포의 해당(解糖)이 약해지는 현상

당의 발효활성과 산소부분압력과의 관계는 파스퇴르의 효모를 사용한 연구에 의해서 발견됨.

 

4) 발효의 종류

① 알코올발효 : 해당과정에서 나오는 피루브산 (pyruvic acid)을 이용하여 CO₂와 알코올 생성 (효모는 무산소성 알코올발효 또는 이산화탄소와 물이 최종 산물인 산소 호흡중 하나 를 택하여 피루브산 대사를 할 수 있다)

② 젖산발효 : 젖산만을 생산.

③ 아세트산 발효: 산화발효의 한 종류로 공기 중의 산소를 아세트산균이 작용하여 알코 올을 호기적으로 산화시켜 아세트산을 만드는 과정이다.

 

4. 탄수화물 (Carbohydrate)

1) 단당류 (Monosaccharide) : 가수분해 되지 않는 탄수화물의 단량체, 3,~7탄당, 환원당

① 포도당 (glucose, Dextrose) : C6H12O6 / 알데히드당(-CHO) ⇒ 1번 탄소

② 과당 (fructose) : C6H12O6 / 케톤당(C=O) --> 2번 탄소, 벌꿀에 다량함유

③ 갈락토오즈 (galactose) : C6H12O6 / 알데히드당(-CHO) ⇒ 1번 탄소

cf) 이성질체 : 분자식, 화학식이 같아도 구조가 달라서 물리적/화학적 성질이 다른 것

 

2) 이당류 (Disaccharide) : 2개 단당류가 글리코시드결합에 의해서 생긴 것

(Glycosidic bond : 탈수합성반응 / OH-OH : H2O 1분자가 빠져나가면서 결합, ATP) 이당류는 체내의 효소에 의해 단당류로 가수분해 된다(ATP), 단맛

① 엿당 (maltose, 맥아당) : 포도당 + 포도당 (말타아제)

발아하는 씨와 맥아에 다량함유, 환원성 존재(-CHO), 1-4결합

② 설탕 (sucrose, 자당) : 포도당 + 과당 (수크라제)

식물즙의 가장 중요한 탄수화물, 사탕수수와 사탕무에 다량함유, 환원성 없음. 1-2공유결합

③ 젖당 (lactose, 유당) : 포도당 + 갈락토오즈 (락타아제)

포유동물 젖에서만 발견되는 당분, 환원성 존재(-CHO), 1-4결합

젖당소화장애 (백인을 제외한 모든 성인. 젖당분해효소 없음. 대장에서 미생물에 의해 분해, 가스참)

 

3) 다당류 (Polysaccharide) : 단당분자들이 공유결합에 의해 중합체를 이룬 것.

단맛 없음, 영양분의 저장 / 생물체의 구성 물질

① 저장성 다당류

a. 녹말 (starch ,식물성전분): 포도당 중합체, 식물의 저장탄수화물, 감자, 옥수수

b. 글리코겐(glycogen,동물성전분): 포도당 중합체, 동물의 저장성물질, 간, 근육

② 구조 다당류

a. 셀룰로오스 (cellulose)

포도당중합체, 식물의 세포벽 구성, 용해성은 없으나 신축성은 있다. 소화효소에 의해 쉽게 소화 안되고, 셀룰레이스(Cellulase) 에 의해 가수분해가 안된다. 특별처리로 유연 하게 해서 두루마리 휴지를 만드는데 이용된다.

b. 키틴 (chitin)

곤충(새우, 게, 딱정벌레)의 외골격과 균류의 세포벽을 이룬다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 5% Glucose, 5% Sucrose and 5% Starch solution, D.W, yeast, test tube, pipette

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 각각의 수용액을 작은 시험관에 15㎖씩 넣는다.

2) 효모가 녹아있는 용액을 2㎖ 취하여, 각각의 시험관에 넣는다.

3) 용액이 들어있는 작은 시험관에 큰 시험관을 덮어씌운 후, 거꾸로 뒤집고 입구를 파라 필름으로 막아준다.

4) 시험관에 용액의 높이를 표기한다.

5) 약 1시간 후에 용액의 높이 변화량을 비교한다.

6) 각각의 변화량을 기입하고 실험 결과를 분석한다.

실험 결과

1. 결과 data

	5% Glucose	5% Sucrose	5% Starch	D.W
높이(㎝)의 변화량	5.5cm	5.3cm	3.1cm	3.0cm

*높이의 변화량 = 실험후 용액의 높이(㎝) - 실험전 용액의 높이(㎝)

 

토의 사항

1. 실험 고찰

1) 실험에서 각 시료마다 용액 높이의 차이가 발생하는 이유는 무엇인가?

실험결과는 위처럼 포도당, 설탕, 녹말, 증류수 순으로 높이의 변화량이 크다. 여기서 두 가지로 분류할 수 있다. 포도당과 설탕, 녹말과 증류수로 나눌 수 있다. 포도당과 설탕을 넣은 시험관에서는 알코올 발효가 일어났고, 녹말과 증류수는 알코올 발효가 일어나지 않았다. 포도당과 설탕의 시험관이 녹말과 증류수를 넣은 시험관보다 약 1.8 배 정도 더 높이가 변화했다. 

이를 기준으로 알코올 발효 유무를 구분할 수 있다. 알코올 발효가 일어나면 포도당을 소모하고 이산화탄소와 알코올을 생성한다. 이산화탄소는 물에 비교적 잘 안 녹는 기체라서 물에 안 녹고 시험관과 용액 사이에 모여 용액을 밀어낸다. 그래서 알코올 발효가 더 많이 일어날수록 이산화탄소가 더 많이 발생하고 바깥 시험관의 높이가 더 높다.

 

2) 이당류에서 알코올 발효가 일어나는 이유는 무엇인가?

알코올 발효는 단당류인 포도당에서 해당과정을 거쳐 피루브산으로 바뀐 뒤 일어난다. 그런데 실험결과를 보면 이당류도 알코올 발효가 일어났다는 결론이 나왔다. 그 이유는 효모의 세포 외막에 수크로스를 분해하는 수크레이스가 포도당과 과당 분자 사이의 글리코사이드 결합을 분해하는데, 수크레이스가 설탕을 포도당과 과당으로 분해시킨 다음 효모의 세포 내로 흡수해서 해당과정을 거친 다음 알코올 발효가 일어났기 때문이다.

일반적으로 효모는 단당류와 이당류로만 알코올 발효를 할 수 있고, 다당류로는 알코올 발효를 할 수 없다. 왜냐하면 효모에게는 다당류를 포도당으로 분해하는 효소가 없기 때문이다. 그래서 다당류와 증류수는 거의 비슷한 양상을 띤다. 그런데 증류수와 녹말을 넣은 시험관에서 높이가 변화하였다. 이론적으로는 실험결과가 잘못 나온 것처럼 보인다. 

그렇게 보인 이유에 대해 가설을 세우면 대략 3가지이다. 첫 번째로 효모가 들어있던 용액에 포도당이 약간 함유되어 있어 실험 중에 알코올 발효가 일어난 것이다. 두 번째, 단순히 용액의 온도가 증가함에 따라 용액의 기체 용해도가 감소하여 용액안의 기체가 빠져나와 부피를 더 차지하게 되면서 높이가 변화한 것이다. 세 번째, 시험관에 찌꺼기가 남아있어 찌꺼기에 있던 포도당과 반응하여 알코올 발효가 일어난 것이다. 

첫 번째, 세 번째 가설이 맞다면 생성된 기체는 주로 이산화탄소일 것이고, 석회수나 수산화칼륨과 반응하면서 동시에 알코올 냄새도 날 것이다. 두 번째 가설이 맞다면 일반적인 기체의 조성비와 비슷하고 알코올 냄새가 나지 않을 것이다.

 

3) 호흡의 양에 영향을 주는 요인은 무엇인가?

효모의 알코올 발효에 영향을 주는 요인은 다양할 것이다. 효모의 양이 많으면 알코올 발효가 더 많이 일어날 것이다. 또, 효모가 영양분으로 삼는 포도당이나 이당류가 많을수록 알코올 발효가 더 많이 일어날 것이다. 그리고 적정온도인 39℃에 가까울수록 발효가 더 잘 일어날 것이다. 

하지만 산소가 많으면 알코올 발효는 일어나지 않고 산소호흡을 하여 알코올이 생성되지 않을 것이다. 그리고 알코올의 농도에도 영향을 받을 것이다. 혐기 상태에서 계속 알코올 발효를 하다보면 부산물인 알코올이 계속 쌓이게 되는데 알코올의 농도가 대략 14%를 넘어가게 되면 알코올 농도가 너무 높아 효모가 죽게 된다. 그래서 알코올 농도가 너무 높지 않아야 알코올 발효가 잘 일어날 것이다.

 

4) 실생활에서 발효를 이용한 것에는 어떤 것들이 있는가?

실생활에서 발효하면 발효식품이 떠오른다. 와인, 샴페인, 막걸리, 맥주 등과 같은 주류에도 발효가 사용된다. 그리고 고추장, 된장, 간장, 청국장 등과 같은 장류나 요구르트, 치즈 같은 유제품 말고도 제과에서도 사용되고 우리가 자주 먹는 김치도 발효식품이다. 그리고 화장품 중에도 발효의 원리를 사용하기도 한다. 

발효 화장품의 장점은 피부에 흡수가 잘되고, 인공적으로 만든 게 아니라 독성물질이 없고 심지어 피부의 중금속 같은 물질을 제거할 수 있다는 것이다. 그것 말고도 환경오염을 줄이는 데도 발효가 기여한다. 음식쓰레기를 버릴 때 바로 버리지 않고 발효를 시킨 다음 퇴비로 재활용하여 환경오염을 줄인다.

 

2. 생각해 볼 문제

1) 알코올 발효와 같은 무기 호흡 과정과 유사한 반응이 우리 몸에서도 일어나고 있는지 알아보자.

알코올 발효는 산소가 없어 산소호흡을 하지 못할 때, 일어나는 무산소 호흡이다. 우리 몸에서도 산소가 모자를 때 무산소 호흡을 한다. 우리 몸에서는 젖산 발효가 일어난다. 우리 몸의 근육 세포에서 일어나는데, 근육 세포는 혈액을 통한 산소공급이 근육의 ATP 소모량을 따라가지 못할 때 산소 호흡에서 젖산 발효로 전환시킨다. 

젖산 발효 과정은 포도당 1분자에서 해당과정을 거쳐 피루브산염 2분자로 전환된 다음 피루브산염이 젖산으로 환원되면서 NADH가 NAD+로 산화되고 그 부산물로 젖산이 발생한다. 지금까지 젖산이 격렬한 운동 후 통증을 유발하는 원인으로 생각되어 왔다. 하지만 근육 세포에 축적된 젖산이 한 시간 이내에 혈액을 통해 간으로 가서 피루브산염으로 다시 산화된다는 것이 증명되었다. 현재는 근육통증이 작은 근섬유의 외상에서 시작된 염증과 통증에서 기인한 것으로 추정되고 있다.

 

2) 발효와 부패는 어떻게 다른 것인지 알아보자.

발효와 부패는 화학적, 생물학적 과정은 동일하다. 발효는 미생물의 작용에 의해서 유기물이 분해되어 사람에게 유용한 물질이 생성되는 현상이다. 그와 반대로 부패는 질소를 함유하는 유기물질이 혐기성 세균에 의해서 분해되어 아민, 황화수소 등 인간에게 유해한 물질이 생성되는 현상이다. 정리하면 호흡 기질의 분해 산물이 사람에게 유용하면 발효, 악취나 독성 등으로 사람에게 해를 끼치면 부패라고 부른다.

 

참고 문헌

1. 캠벨 생명과학 9판, TAYOR 외, 김명원 외, 라이프사이언스, 2018, p.97~105