자동차는 에너지가 있어야 달릴 수 있다. 마찬가지로 사람도 에너지가 있어야 활동할 수 있다. 에너지는 사람이 체온을 조절하고 유지하는 데 가장 많이 쓰이고 생장하거나 운동하는 등에 이용된다. 이러한 에너지를 얻게 되기까지의 일련의 과정을 호흡이라고 한다.


호흡은 외호흡과 내호흡으로 이루어진다. 외호흡은 폐의 폐포와 모세혈관 사이에서 일어나는 산소와 이산화탄소의 기체 교환을 말한다. 모세혈관과 조직 세포 사이에서도 산소와 이산화 탄소의 기체 교환이 이루어지는데, 이에 의해 모세혈관을 통해 조직 세포에 들어온 산소가 영양소와 결합하여 영양소가 산화되면서 에너지가 발생하는 과정을 내호흡이라고 한다. 그렇다면 영양소가 산화되어 에너지가 발생하기까지의 과정은 어떻게 이루어질까? 이 과정은 세 가지의 주요 단계를 거쳐 일어난다.


[A 시작] 먼저 소장에서 흡수된 포도당은 모세혈관을 타고 조직 세포로 운반된다. 이때 포도당 한 분자는 세포의 세포질에서 2개의 피루브산으로 분해되면서, 2개의 ATP * 와 2개의 NADH₂라는 물질도 만들어낸다.


다음으로 이때 생성된 피루브산은 미토콘드리아의 기질에 있는 TCA회로 * 에 투입된다. 피루브산 한 분자가 TCA회로에 투입되면 이산화탄소가 세 분자가 생성되고, 4개의 NADH₂와 1개의 FADH₂ , 1개의 ATP가 함께 만들어진다. 포도당 한 분자로부터 피루브산이 두 분자 만들어지므로, TCA회로 에서는 포도당 한 분자로부터 6개의 이산화탄소와 8개의 NADH₂ , 2개의 FADH₂ , 2개의 ATP가 만들어진다고 볼 수 있다. 지금까지의 과정을 통해 만들어진 물질 중 에너지원으로 사용되는 것이 바로 ATP이다. 그렇지만 이때까지 만들어진 ATP만을 사용하면 에너지의 양이 너무 적다.


호흡의 마지막 단계인 전자전달계 * 에서 이를 보완해 준다. 이전 단계들에서 만들어진 NADH₂와 FADH₂는 직접 에너지원으로 사용할 수는 없지만 이들을 이용해 미토콘드리아의 내막에 있는 전자전달계에서 ATP를 추가적으로 만들 수가 있는 것이다. NADH₂와 FADH₂는 전자전달계로 건너와 각각 3개, 2개씩의 ATP를 만든다. 이때 ㉠ 전자 수용체 역할을 하는 산 소가 필요하다. 포도당 한 분자에 대해 ATP는 포도당이 피루브산으로 분해되는 과정에서 2개, TCA회로를 통해 2개, 전자 전달계를 통해 34개가 만들어져 총 38개를 얻을 수 있다. [A 끝]


발효나 부패와 같은 산소를 이용하지 않는 무기호흡은 포도당 한 분자를 이용해 2개의 ATP를 만든다. 이러한 점을 감안 하면 산소를 이용한 호흡이 매우 효율적인 에너지 생성 방법임을 알 수 있다.


* ATP: 아데노신에 인산기가 3개 달린 유기 화합물로 모든 생물의 세포 내 존재하여 에너지 대사에 매우 중요한 역할을 함.

* TCA회로: 시트르산 회로라고도 하며 피루브산의 산화 작용에 의해 이산화탄소로 완전 분해하는 8단계의 반응을 포함한 화학 회로.

* 전자전달계: 산화 환원 반응 동안 전자를 운반하여 ATP를 생성할 수 있는 에너지를 방출하는 일련의 전자 운반체.



― (출전) 캠벨, 「생명과학」


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이해를 돕는 문항들


25. <보기>는 [A]를 도식화한 것이다. 윗글을 통해 이를 이해한 내용으로 적절하지 않은 것은? [3점]

① ⓐ에서는 포도당의 흡수가 이루어지겠군.

② ⓑ를 통해서 영양소와 산소가 조직세포로 운반되겠군.

③ ⓒ에서 포도당이 피루브산으로 분해되면서 에너지원을 생성하겠군.

④ ⓓ에서 피루브산 한 분자는 FADH₂는 2개, ATP는 2개를 생성하겠군.

⑤ ⓔ에서는 NADH₂와 FADH₂로부터 ATP가 추가적으로 생산되겠군.



27. <보기>를 근거로 할 때, ㉠의 이유로 가장 적절한 것은?

<보기> 원자 또는 분자 사이에서 다른 쪽의 전자를 받아들이기 쉬운 것을 전자 수용체라 한다. 그리고 하나의 분자에서 다른 분자로 전자가 이동하는 것을 산화 환원 반응이라 한다. 이때 전자를 잃는 반응을 산화, 전자를 얻는 반응을 환원이라 하는데, 산화와 환원은 항상 동시에 일어난다. 호흡의 과정에서 포도당은 수소 원자에 있던 전자를 잃어서 산화되고 최종적으로 전자는 위치 에너지를 잃고 그 결과로 에너지가 방출된다.


① 전자가 위치 에너지를 얻도록 하기 위해 

② 수소 원자에 있던 전자를 얻어 환원되기 위해 

③ 수소 원자에 있던 전자를 얻어 산화되기 위해 

④ 산소 원자에 있던 전자를 방출하여 에너지를 얻기 위해 

⑤ 수소 원자가 전자를 받아들여 에너지를 방출하기 위해