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9강. 삶의 활력 만들기, 호흡
이 강의안은 『핵심생명과학』(2013. 바이오사이언스) 자료를 토대로 제작되었습니다.
생명과 성
호흡과 세포호흡
동 물 이 필요로 하는 산소를 얻는 과정을 호흡 (breathing) 또는 숨쉬기라 하는데, 과정을 통해 기 체교환이 이루어진다.
기체교환으로 세포호흡(cellular respiration)에 필 요한 산소가 세포에 공급되고 이산화탄소는 배출된다.
흡수된 산소는 미토콘트리아에서 생체에너지인 ATP 를 생산하는 산화적 반응에서 최종 전자수용체로 사용 된다.
인간의 호흡 역학
공기를 들이마실 때에, 횡 격막이 아래로 수축하고 갈비뼈 사이에 있는 외늑 간근의 수축으로 인해 갈 비뼈를 바깥쪽과 위쪽으 로 끌어당겨 폐의 공기압 을 대기의 공기압보다 낮 춰 대기의 공기가 폐로 들 어가게 된다.
내쉴 때에는 횡격막과 갈 비뼈 사이에 있는 근육이 이완되어 폐의 탄력성 반 동으로 공기가 방출된다.
폐활량
일회호흡량은 호흡 시 폐에 들어가고 나오는 공기의 양으로 사람의 경우 대개 500 mL 정도이다.
폐활량은 운동이나 흥분에 의해 몸의 산소 요구량이 늘어날 때 일회호흡량으로 폐가 최대로 채워진 후 뱉 어낼 수 있는 최대부피이다.
정상 호흡 후에 폐에 공기가 남아 있게 되는데, 이 공기 의 부피를 잔기량이라 한다.
기체 교환과 수송 메커니즘
폐로 가는 탈산소화된 혈 액의 O2 분압은 폐에 있는 CO2의 분압보다 항상 낮 고, CO2는 그 반대이다.
따라서 O2는 폐에서 혈액 으로 CO2는 혈액에서 폐 로 이동한다.
에너지는 일방통행, 물질은 순환
물질대사(metabolism)-1
생명체가 먹이(사람에게는 음식물)로부터 에너지를 어떻게 획득하고 사용하는 과정을 물질대사라고 한다.
물질대사는 세포 내에서 일어나는 수천 가지의 화학반 응과 물리적 활동인데, 한마디로 ‘세포 안에서 일어나 는 물질과 에너지의 흐름’이라고 할 수 있다.
에너지의 흐름은 곧 전자의 흐름이다. 전자는 절대 홀 로 존재할 수 없기 때문에 전자를 주는 물질이 있으면 반드시 받는 물질이 있어야 한다. 이를 화학적으로 표 현하면 전자를 주는 물질은 산화(oxidation)되는 것이 고 반대로 전자를 받는 물질은 환원(reduction)되는 것 이다.
물질대사(metabolism)-2
물질대사는 분해과정인 이화작용(catabolism)과 합성 과정인 동화작용(anabolism)으로 나눌 수 있다.
이화작용에서는 고분자화합물이 작은 조각으로 분해 되면서 에너지(주로 ATP 형태)를 생산하고 또 이 조각 들은 새로운 고분자화합물에 합성에도 이용된다. 이 렇게 에너지를 사용하여 새로운 고분자화합물을 합성 하는 과정이 동화작용이다.
결국 이화작용과 동화작용은 에너지를 매개체로 긴밀 하게 연결된다.
물질대사는 일종의 에너지 전환 과정이다
에너지는 변화를 초래하는 능력이다.
에너지는 열로 측정될 수 있다.
열에너지의 단위는 킬로칼로리(kcal = Cal)이며, 1 kcal는 4.184 kJ에 해당한다.
에너지는 크게 위치에너지와 운동에너지를 나눌 수 있다.
위치에너지는 생물을 구성하는 분자에 저장되어 있고 운동에너지는 운동할 때에 사용된다.
모든 형태의 에너지는 상호 전환된다.
모든 생물체는 지속적인 에너지의 유입하여 대사 과정을 통해 에너지가 전환될 때 발생하는 에너지를 사용한다.
광합성 생물들은 빛에너지를 붙잡아 그 에너지의 일부를 위치에 너지 형태인 화학에너지로 전환시켜 수많은 생명현상을 추진하 는 원동력을 제공한다.
ATP는 에너지 셔틀이다
ATP(Adenosine triphosphate) 는 말단 인산기를 배출 하여 ADP와 인산을 생성하는데, 이때 일을 할 수 있는 에너지가 방출된다.
아데닌
리보오스 인산기
호흡에서 얻은 에너지
세포호흡을 통한 ATP 생산
세포호흡 동안 포도당(C6H12O6)은 CO2로 산화되고 O2는 H2O로 환원된다.
세포호흡에서 산소의 역할
생명체 안에서 에너지 흐름은 수소 이온(H+)과 전자(e-)를 매개체로 이 루어진다 .
마치 야구 경기에서 타자가 방망이 를 휘두른 힘이 야구공에 실려 이동 하는 것처럼 분해 단계마다 포도당 에 저장되어 있던 에너지가 수소 이 온과 전자에 담겨져 방출되는데, 일 부는 ATP형태로 저장되어 세포가 사용하고 나머지는 열로 방출된다.
남겨진 수소이온과 전자는 산소와 결합하여 물이 되니, 산소는 수고하 고 지친 수소이온과 전자를 품에 안 아 쉬게 함으로써 대부분 생물(모든 생물이 아님에 유의 바람)의 삶을 유 지시키고 있는 것이다.
산소가 없어진다면?
어떤 물질이 전자를 줄 것인지 아니면 받을 것인지는 상대 적으로 결정된다. 다시 말해서 모든 물질은 만나는 상대에 따라서 전자를 주기도하고 받기도 한다는 얘기다.
여기서 우리가 섭취한 음식물에서 나온 전자를 최종적으 로 받아들이는 것이 산소이고 이 과정이 바로 세포 호흡이 라는 사실을 상기해 보자. 마지막에 전자를 받는 역할에 다 른 물질을 이용할 수만 있다면 호흡에 별 문제가 없을 것이 다.
많은 미생물들이 우리가 가지지 못한 이 능력을 가지고 있 다. 산소 이외에 다른 물질을 이용한 호흡을 통해 삶을 영 위할 수 있는 바로 그 능력. 이것을 산소를 이용하는 산소 호흡(유기 호흡)과 대비하여 무산소 호흡(무기 호흡)이라 고 한다.
주요 개념 확인
생물이 열역학 제2 법칙을 어기는지 여부를 논리적으 로 설명해 보자.
유산소 호흡과 무산소 호흡의 공통점과 차이점을 설명 해 보자.
세포호흡과 연소(burning)의 공통점과 차이점을 설명 해 보자.
