지구상에 존재하는 모든 생물체는 에너지가 필요합니다. 이 에너지는 99% 이상 태양으로부터 생성됩니다.
이러한 에너지는 생태계를 통해 흐르며, 햇빛의 형태로 들어와서 열의 형태로 변형된다. 반면 화학원소들은 생태계 내에서 재순환합니다.
1. 광합성과 세포호흡의 화학순환
식물은 잎의 기공을 통해 들어온 이산화탄소와 뿌리를 통해 흡수되는 물을 재료로 엽록체라는 세포소기관이 빛에너지를 사용하여 포도당과 산소를 생산합니다. 광합성의 부산물인 산소는 잎의 기공을 통해 밖으로 배출됩니다. 세포호흡은 세포가 에너지를 생산하기 위한 과정으로, 포도당을 분해하여 ATP를 생성하는 과정입니다. 이때 생성된 ATP는 세포의 각기 기능을 수행하면서 소모합니다. 식물과 동물 모두 세포호흡에서 ATP의 생산은 미토콘드리아 세포소기관에서 일어납니다. 아래에서 세포호흡에 대해 자세히 알아보도록 합시다.
2. 미토콘드리아
미토콘드리아(mitochondria)는 세포호흡이 일어나는 세포소기관입니다. 세포호흡 과정에서 에너지는 당으로부터 수확되어 ATP로 다른 형태의 화학에너지로 전환되며 세포는 직접적인 에너지원으로서 ATP 분자를 사용합니다.
미토콘드리아는 다른 세포소기관과 달리 두 개의 막으로 둘러싸인 이중막 구조를 갖추고 있습니다. 내막은 미토콘드리아의 기질로 차 있습니다. 더불어 크리스타(cristae)라고 명명되는 주름이 많이 있습니다. 이 주름은 내막의 표면적을 넓게 함으로써 ATP를 최대로 만들 수 있게 합니다. 외막은 미토콘드리아의 외부를 둘러싸고 있는 막이며, 외막은 비교적 물질이 쉽게 통화 할 수 있는 특징이 있어, 미토콘드리아와 세포 간에 물질 교환이 이뤄줄 수 있도록 합니다. 기질에는 미토콘드리아의 DNA, 리보솜, 효소 등이 포함되어 있습니다.
미토콘드리아는 세포의 핵 DNA와 별도로 자가 복제할 수 있는 고유의 DNA를 가지고 있습니다. 이 DNA는 기질의 리보솜에 의해 단백질을 자체적으로 합성할 수 있도록 도와줍니다.
3. 세포호흡의 3단계 (호기성조건)
세포호흡은 해당과정, 시트르산회로, 전자전달계 3가지 단계로 이루어져 있습니다.
1) 해당과정(Glycolysis)은 세포질에서 발생하며, 1분자의 포도당은 2분자의 피루브산으로 분해됩니다. 이 과정에서 2개의 ATP와 2개의 NADH가 생성됩니다. 2) 시트르산 회로(Citric Acid Cycle)는 미토콘드리아의 기질에서 발생하며 해당과정에서 만들어진 피루브산은 아세틸-CoA로 변환되어 시트르산 회로로 이동합니다. 이 과정에서 NADH와 FADH2가 만들어지고, CO₂도 함께 만들어집니다. 시트르산 회로에서는 ATP 1분자가 생성됩니다. 정리하자면 시트르산 회로를 통해 2개의 CO₂, 3개의 NADH, 1개의 FADH2, 1개의 ATP가 만들어집니다. 이때 만들어진 NADH와 FADH2는 3번째 단계 전자전달계에서 중요한 역할을 담당합니다. 3) 전자전달계(Electron Transport Chain)는 미토콘드리아 내막에서 발생하며, 세포호흡 과정에서 가장 많은 ATP를 생성하는 단계입니다. 전자전달계 과정에서 NADH와 FADH2가 생성한 전자와 수소 이온을 산소와 결합해 물을 생성하고 그 과정에서 ATP가 만들어집니다. 이처럼 포도당 한 분자는 3단계의 세포호흡을 통해 36개~38개의 ATP를 생성하게 됩니다.
4. 혐기성 호흡(발효)
산소가 부족한 조건에서 세포는 혐기성 호흡을 통해 에너지를 생산합니다. 이 과정은 세포호흡의 첫 단계에서 일어나는 대사 즉 해당과정에 의존합니다. 해당과정은 산소를 필요로 하지 않으며, 포도당이 피루브산으로 쪼개질 때까지 2분자의 ATP가 생성됩니다. 위의 과정에서 피루브산은 젖산이나 에탄올로 변화하게 됩니다. 산소가 부족한 상황에서 빠르게 에너지를 생성하는 장점은 있지만, 젖산이 축적되면 피로가 쌓이고 근육통이 발생할 수 있습니다. 이처럼 세포호흡은 36~38개의 ATP를 생성하는 것에 대비 매우 비효율적이나, 매우 빠르게 에너지를 생산할 수 있는 장점도 있습니다.