호흡(respiration)

세포 호흡은 광합성과 정반대의 과정으로 포도당(C6H12O6)과 산소(O2)를 사용하여 에너지(ATP)와 함께 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)을 방출한다

C6H12O6  +  6O2    →     6CO2  +  6H2O

* ATP(adenosine triphosphate)

ATP는 식물체 내에서 에너지를 유용한 형태로 축적하고 운반하는 역할을 담당하는 물질로 adenine, D-ribose, 3개의 무기인산으로 구성된 고에너지 인산화합물이다.

* 미토콘드리아(Mitochondria)

①에너지를 생산하는 기관으로 세포호흡을 통해 유기물의 화학에너지를 ATP로 전환 ②구성: 외막, 주름진 모양의 내막(cristae), 기질(matrix)

1. 호흡작용은 ①해당(glycosis), ②크랩스회로(Krebs cycle), ③전자전달계(electron transport system) 등 3단계로 진행된다.

해당은 세포질에서, 크랩스회로와 전자전달계는 미토콘드리아에서 이루어진다.

1) 해당작용(glycosis)

1분자의 포도당이 여러 반응단계를 거쳐 2분자의 피루브산(pyruvic acid)이 생성되는 과정이다.

* 2ATP(기질수준 인산화), 2NADH(산화적 인산화 6ATP-2ATP=4ATP)

2) 크랩스회로(Krebs cycle), TCA(tricarboxylic acid), 시트르산회로

해당 산물인 피루브산이 미토콘드리아로 들어가 아세틸CoA로 된 후 크렙스회로로 들어간다.

* 6CO2, 2ATP, 8NADH(24ATP), 2FADH2(4ATP)

크렙스회로에서 생기는 많은 중간대사산물은 여러 가지 유기화합물의 생합성에 이용된다.

3) 전자전달계(electron transport system)

미토콘드리아 내막에 위치하며 전자가 전자전달계를 지나면서 에너지를 방출한다. NADP에서 방출된 전자는 3개의 복합체를 차례로 통과하면서 3ATP를 생산하고, FADH2에서 방출된 전자는 2ATP를 생산한다.

* NADH를 떠난 전자는 최종적으로 산소(O2)와 결합한다. 전자와 결합한 산소는 주변에서 H+을 받아 물이 된다.

2. 무기호흡과 발효반응

산소를 이용하지 않고 유기물을 분해하여 CO2/알코올 또는 젖산을 생성하는 현상을 무기호흡(anaerobic respiration), 혐기성호흡이라고 한다.

해당에서 생성되는 피루브산을 이용하여 NADH를 NAD로 산화시켜 NAD를 회수하여 NAD와 NADH의 양적 비율을 일정하게 유지한다.

효모- 빵이나 술,  젖산- 치즈와 요구르트, 김치

* 심한운동으로 산소가 부족하면 근육에 젖산이 축적하여 피로를 느낀다.

3. 에너지 효율

포도당 1분자당 단계별 ATP생성

과정	기질수준 인산화	산화적 인산화
해당과정	2ATP	2NADH=6ATP(-2ATP)
아세틸-CoA 형성		2NADH=6ATP
크렙스회로	2ATP	6NADH=18ATP
		2FADH2=4ATP
총계		36ATP

1분자의 포도당이 산화되어 발생되는 에너지(686kcal)중 ATP에 저장되는 최대 에너지량은 36ATPx 7.3kcal(1분자의 ATP를 가수분해 될 때 나오는 에너지)=262.8kcal이다.

따라서 세포의 에너지 이용율은 262.8/686x100=38.3%

무산소호흡인 발효에서는 2.1%(14.6/686x100)이다

4. 호흡계수(respiratory quotient : RQ)

호흡기질에는 탄수화물, 지방, 단백질이 있다(탄수화물이 가장중요). 호흡작용에 의해 발산되는 탄산가스량과 산소량의 비(CO2/O2)를 호흡계수라 한다.

호흡기질이 완전산화 한다고 가정하면 조직이 에너지를 얻기 위해 산화되는 기질의 형태를 알 수 있다.

탄수화물  C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O RQ =6CO2/6O2= 1.0

지방, 기름 C18H36O2 + 26O2 → 18CO2 + 18H2O RQ =18CO2/26O2= 0.7

단백질, 유산균 C4H6O5 + 3O2 → 4CO2 + 3H2O RQ =4CO2/3O2= 1.33

5. 5탄당인산회로(pentose phosphate pathway)

포도당을 산화시킬 수 있는 또 다른 경로로 포도당 대사의 10%는 이 회로를 통하여 산화되며, 주로 식물의 늙은 조직의 세포질에서 일어난다.

glucose-6-phosphate의 탈수소반응으로부터 시작된다.

기능 : 5탄당인산회로는 에너지 공급 과정보다는 합성과정에 더욱 중요

① NADPH 생성 : 생물체의 생합성 반응에 이용(지방산, isoprenoid)

(cf NADH는 미토콘드리아에서만 존재-전자전달계이용)

② ribose-5-phosphate 생성 : DNA, RNA, RuBP의 주요 구성성분

③ erythrose-4-phosphate 생성 : phenolic compound의 전구체

6. 호흡작용에 미치는 요인

① 산소의 농도

산소- 20%이하면 호흡작용저해, 5%이하면 유기호흡 현저히 감소

대기 중 산소량 변화 없음- 지상부 큰 영향 받지 않으나 지하부는 배수가  안되면 산소가 부족해 호흡장애

산소부족에 잘 견디는 식물 : 벼, 밀, 옥수수

산소부족에 못 견디는 식물 : 상추, 콩, 해바라기

② 온도

호흡작용은 효소에 의해 일어나며 반응속도는 온도에 영향을 받음

온도가 상승함에 따라 호흡이 점차 증가하나 40℃이상에서는 오히려 감소

③ CO2농도

대기중의 CO2농도 0.03%보다 높은 CO2농도에서는 호흡작용 둔해진다.

- 기공이 닫혀 산소량이 감소하기 때문

식물의 종류에 따라 다름 CO2농도 20%이상

양딸기, 아스파라거스는 호흡저해

당근 영향 적고

감자, 튤립, 양파는 호흡왕성