생물의 에너지 획득

생물에게 에너지란 매우 중요한 존재이다. 생명을 유지하는 모든 대사활동은 기본적으로 에너지를 필요로 하기 때문이다. 숨 쉬는 것, 심장을 뛰게 하는 것, 생각하는 것... 뭐 하나 에너지 없이 가능한 것은 없다. 이 글에서는 생물에게 에너지를 공급하는 세포호흡에 대해 알아보자.

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호흡을 통한 에너지의 획득

생명체가 고에너지 물질로부터 에너지를 얻는 과정을 호흡이라고 한다. 호흡은 대표적인 이화 작용이며. 여기서 고에너지 물질에는 탄수화물, 단백질, 지방 등이 포함된다.

호흡은 유산소 호흡과 무산소 호흡으로 나뉜다. 둘의 차이는 이름 그대로 산소를 사용하냐, 사용하지 않느냐이다. 인간은 대부분의 에너지를 유산소 호흡으로 얻지만, 순간적으로 강한 에너지를 사용하거나(역도, 근력운동 등), 산소가 부족한 상황(오래 달리기, 수영)에서는 무산소 호흡도 사용을 한다.

유산소 호흡은 가장 일반적인 호흡이다. 산소를 이용해 포도당을 연소하여 나오는 에너지를 사용하는 것이다.

무산소 호흡은 산소가 없을 때 사용되는 호흡으로 젖산 분해, ATP-PCr과정 등이 사용된다.

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유산소 호흡(산소호흡)

산소호흡은 광합성의 역반응으로 생각하면 좋다.

$\rm{C_6 H_{12} O_6 + 6O_2 \rightarrow}$$\rm{6CO_2 + 6H_2O+E}$, $\Delta G=\rm{-2880kJ/mol}$

산소와 포도당이 결합해서 이산화탄소와 물, 에너지를 방출한다. 1개의 포도당이 분해되면 32개의 ATP가 생성된다. 하지만, 이는 이론적인 값이고, 실제로는 세포호흡에 필요한 능동 수송비용과 막의 누수로 인해 29~30개의 ATP만 실제로 사용할 수 있다.

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무산소 호흡

인간이 산소 없이 살 수 없는 이유는 산소 없이는 호흡을 할 수 없기 때문이다. 호흡을 하지 못하여 에너지 생산이 끊기면 체내에 비축해놓은(사실 "비축"해놓은 것은 아니고 그냥 몸속에 있는 ATP이다.) ATP로는 몸에 에너지를 3분 정도밖에 공급하지 못한다. 에너지가 없으면 각 기관은 정지하고, 그러다가 뇌나 심장이 정지하는 순간 사망하는 것이다.

하지만, 산소 없이도 호흡을 아예 못하는 것은 아니다. 인간은 산소 없이도 에너지를 얻는 능력이 있으며, 따라서 잘 훈련된 사람은 물속에서 고강도의 근력운동을 할 수 있다.

 

무산소 호흡은 산소가 충분할 때도 사용이 되는데, 달리기를 한다고 하면 100m 달리기의 경우 10초 이내에 매우 많은 에너지를 사용하므로 사실 유산소 호흡보다는 무산소 호흡으로 제공되는 에너지를 사용한다. 그리고 달리기가 끝난 후 무산소 호흡으로 소모된 에너지를 복구하기 위해 유산소 호흡으로 에너지를 생성하는 것이다.

반면 마라톤은 몇 시간 동안 계속 에너지를 공급해야 하는 반면, 무산소 호흡은 수초 이내에 에너지가 고갈된다. 따라서 유산소 호흡이 중요하다.

 

대부분의 생물은 젖산 발효와 ATP-PCr과정, 2개를 일반적인 무산소 호흡원으로 사용한다.

 

ATP-PCr과정은 PCr(P: 인산, Cr: 크레아틴)이 분해될 때 발생되는 에너지를 사용한다. 개체가 휴식 중에는 유산소 호흡을 통해 인산과 크레아틴을 PCr의 형태로 결합해놓는다. 이후 산소가 없는 상황에서 ATP가 에너지를 잃고 ADP로 바뀌면 PCr은 인산(P)과 크레아틴(Cr)으로 분해되며 에너지를 방출하고, 이 에너지는 ADP가 다시 ATP로 바뀌게 한다.

ATP-PCr 과정은 일반적으로 수초~30초 이내에 종료되기 때문에 순간적으로 강한 에너지를 낼 때 사용한다.

 

젖산 발효과정은 포도당 등의 육탄당을 산소 없이 분해하여 젖산과 에너지를 얻는 과정이다. 이때 생긴 젖산은 근육에 축적된다.

젖산 발효는 종류에 따라 이산화탄소, 에탄올이 발생할 수도 있는데, 이를 이용한 것이 술, 요구르트, 치즈 등이다. 젖산 발효과정은 최대 3분 정도까지 지속될 수 있으며, 이후로는 젖산이 너무 많이 쌓여 불가능해진다. 축적된 젖산은 이후 산소를 통해 제거된다.

이 때문에 우유를 발효시킨 요구르트의 열량은 원래 우유의 열량보다 낮다. 발효에 일부 에너지가 소모되었기 때문이다.