나뭇잎 교과서

산소 호흡과 발효

산소가 모자라면 세포는 해당 과정만으로 버팁니다. 그런데 해당 과정을 계속 돌리려면 NADH를 다시 NAD⁺로 바꿔 줄 곳이 필요합니다. 효모와 젖산균, 근육 세포가 이 문제를 푸는 방법이 발효입니다. 산소 호흡과 발효를 비교하고, 발효가 음식과 생활에 어떻게 쓰이는지 조사해 봅니다.

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산소 호흡과 발효

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100 m를 전력으로 달리면 근육은 산소가 모자란 채로 포도당을 분해한다. 이때 근육에 젖산이 쌓이고, 같은 일을 하는 데 포도당이 훨씬 많이 소모된다. 효모도 산소가 없으면 포도당을 빠르게 써 버리며 알코올과 이산화 탄소를 만든다. 산소가 없으면 왜 포도당을 더 많이 써야 하며, 굳이 젖산이나 알코올을 만드는 까닭은 무엇일까?

그림 1. 같은 양의 ATP를 얻는 데 필요한 포도당. 산소 호흡은 포도당 1분자에서 ATP 약 32개를, 발효는 2개를 얻으므로 발효는 포도당을 16배 쓴다.
먼저 알아야 할 것해당 과정과 NAD⁺, NADH(세포호흡의 단계), 전자 전달계와 산소(기질 수준 인산화와 산화적 인산화).

3.4.1발효

산소가 없으면 전자 전달계가 멈추어 NADH가 전자를 넘길 곳이 없다. 그러면 세포 속의 NAD⁺가 모두 NADH로 바뀌어 바닥나고, NAD⁺가 필요한 해당 과정마저 멈춘다. 그래서 세포는 해당 과정에서 생긴 피루브산에 NADH의 전자를 넘겨 NAD⁺를 되살린다. 이렇게 산소 없이 해당 과정을 계속 돌리는 과정을 발효라 한다.

정리 3.4.1 젖산 발효와 알코올 발효

젖산 발효는 피루브산이 NADH의 전자를 받아 젖산이 되는 과정이다(근육, 젖산균). 알코올 발효는 피루브산이 이산화 탄소를 내놓고 아세트알데하이드가 된 뒤 NADH의 전자를 받아 에탄올이 되는 과정이다(효모). 두 발효 모두 포도당 1분자당 ATP는 해당 과정의 2개뿐이다.

젖산이나 에탄올을 만드는 것 자체로는 ATP가 생기지 않는다. 그 목적은 NAD⁺를 되살려 해당 과정을 계속하는 데 있다. 그리고 젖산과 에탄올에는 포도당의 에너지가 아직 많이 남아 있다. 그래서 같은 ATP를 얻으려면 포도당을 훨씬 많이 분해해야 한다.1

3.4.2산소 호흡과 발효의 비교

그림 1에서 필요한 ATP를 바꾸어 보자. 어느 경우든 발효는 산소 호흡보다 포도당을 16배 쓴다. 그 대신 발효는 미토콘드리아가 필요 없고 매우 빠르다. 그래서 전력 질주처럼 짧은 시간에 많은 ATP가 필요할 때 근육은 발효에 기댄다. 운동이 끝나면 쌓인 젖산은 간으로 옮겨져 다시 포도당으로 바뀌거나, 산소가 충분해지면 피루브산으로 돌아가 세포 호흡에 쓰인다.

과정산소최종 산물ATP 산소 호흡필요CO₂, H₂O약 32 젖산 발효불필요젖산2 알코올 발효불필요에탄올, CO₂2
그림 2. 발효는 최종 산물에 에너지가 남아 있어 포도당 1분자당 ATP가 적다.

3.4.3예제 풀이

예제 3.4.2

근육이 1분에 ATP 64 mmol을 쓴다. 산소 호흡만으로 공급하면 포도당이 1분에 몇 mmol 필요한가? 젖산 발효만으로 공급하면 몇 mmol이며 젖산은 몇 mmol 생기는가? 효모가 포도당 180 g(1 mol)을 알코올 발효하면 이산화 탄소는 0 °C, 1 atm에서 몇 L 나오는가?

산소 호흡은 \(\dfrac{64}{32} = 2\) mmol, 젖산 발효는 \(\dfrac{64}{2} = 32\) mmol의 포도당이 필요하다. 포도당 1분자에서 젖산 2분자가 생기므로 젖산은 64 mmol이다.

알코올 발효는 \(\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \rightarrow 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2\)이므로 이산화 탄소 2 mol, 곧 \(2 \times 22.4 = 44.8\) L가 나온다. 빵 반죽이 부푸는 것은 이 이산화 탄소 때문이고, 막걸리와 포도주의 알코올은 에탄올 때문이다. 그래서 같은 발효라도 미생물의 종류에 따라 김치, 요구르트, 빵, 술처럼 전혀 다른 음식이 된다.

아래 탐구 카드에서 산소가 없을 때 세포가 포도당을 훨씬 많이 쓰는 까닭과, 김치와 빵 속 미생물이 하는 일을 살펴보자.

  1. 에탄올 1 mol을 완전히 태우면 약 1370 kJ이 나온다. 포도당 1 mol이 알코올 발효로 에탄올 2 mol이 되면, 원래 에너지 2870 kJ 가운데 2740 kJ이 에탄올에 그대로 남는 셈이다.
마무리

산소가 없으면 전자 전달계가 멈추어 NAD⁺가 바닥나므로, 세포는 피루브산을 젖산이나 에탄올로 바꾸어 NAD⁺를 되살리고 해당 과정을 계속한다. 이것이 발효이며 포도당 1분자당 ATP가 2개뿐이다. 그래서 처음 질문의 세포는 산소 호흡보다 16배 적은 ATP밖에 얻지 못하므로, 같은 일을 하려면 포도당을 훨씬 많이 써야 한다.

탐구 1

산소가 없으면 세포는 왜 포도당을 훨씬 많이 쓸까?

산소 호흡과 발효 · NAD⁺ 재생 · 모식 모형
포도당 1분자당 ATP
—
필요한 포도당 (산소 충분 = 1)
—
NAD⁺를 되살리는 곳
—

세포가 1분에 쓰는 ATP의 양을 일정하게 두고, 산소 공급에 비례해 피루브산이 미토콘드리아로 간다고 본 모식 모형이다. 포도당 1분자당 ATP는 산소 호흡 약 32개, 발효 2개로 계산했으며, 실제 효모는 포도당이 아주 많으면 산소가 있어도 발효를 하는 등 조절이 더 복잡하다.

  1. 질문포도주 통에 산소를 막으면 효모가 알코올을 만들고, 전력 질주한 근육에는 젖산이 쌓인다. 산소가 부족할 때 세포는 무엇을 하는 것이고, 왜 굳이 알코올이나 젖산을 만들까?
  2. 복원해당 과정은 산소 없이 세포질에서 일어나며, 포도당 1분자를 피루브산 2분자로 쪼개면서 ATP 2개와 NADH 2개를 만든다. 이때 NAD⁺가 전자를 받아 NADH가 된다.
  3. 설명산소가 있으면 피루브산은 미토콘드리아로 들어가 CO₂와 물까지 분해되고(산소 호흡), NADH는 전자 전달계에서 NAD⁺로 되돌아간다. 그런데 산소가 없으면 전자 전달계가 멈춰 NAD⁺가 바닥나고, 해당 과정도 멈출 위기에 놓인다. 그래서 세포는 피루브산(또는 그 산물)에 NADH의 전자를 넘겨 NAD⁺를 되살리는데, 효모는 에탄올과 CO₂를(알코올 발효), 젖산균과 근육 세포는 젖산을(젖산 발효) 만든다.
  4. 연결산소 호흡과 발효는 해당 과정까지 같고 그 뒤가 다르다. 발효의 산물인 에탄올과 젖산에는 아직 에너지가 많이 남아 있어 포도당 1분자에서 얻는 ATP는 2개뿐이므로, 같은 양의 ATP를 얻으려면 포도당을 16배쯤 더 빨리 써야 한다. 이를 처음 관찰한 파스퇴르의 이름을 따 파스퇴르 효과라고 한다.
  5. 적용산소 공급을 100 %에서 0 %로 낮추며 포도당 소비와 생성물이 어떻게 달라지는지 보고, 효모와 젖산균에서 CO₂가 나오는 양을 비교해 보자. 그리고 빵 반죽이 부푸는 까닭과, 요구르트를 만들 때 거품이 거의 없는 까닭을 설명해 보자.
  6. 판단‘발효는 산소가 없어서 ATP를 만드는 과정’이라고 하면 반만 맞는다. 발효 단계 자체는 ATP를 만들지 않고, ATP는 해당 과정에서 생기며 발효 단계는 해당 과정이 계속 돌도록 NAD⁺를 되살리는 일을 하기 때문이다. 또 젖산이 쌓여 근육통이 생긴다는 널리 퍼진 설명은 근거가 약하다. 젖산은 운동 뒤 한두 시간이면 대부분 치워지고, 다음 날의 근육통은 근섬유의 미세한 손상과 염증과 더 관련이 있다.

확인조건이 달라지면

밀폐한 병에 효모와 포도당 용액을 넣었다. 처음 병 속에는 공기가 조금 있었다. 시간이 지나며 일어날 변화로 가장 알맞은 것은?

읽기 2

김치, 빵, 막걸리 속 미생물은 무엇을 하고 있을까?

읽기 · 발효 이용 사례와 조사 계획

김치가 시어지고, 빵 반죽이 부풀고, 막걸리에서 톡 쏘는 맛이 나는 것은 모두 미생물이 산소가 부족한 곳에서 에너지를 얻으며 남긴 흔적이다. 사람들은 이 부산물을 음식의 맛과 보존에 이용해 왔다.

1발효를 이용하는 음식

음식주된 미생물발효 종류이용하는 산물
김치류코노스톡, 락토바실러스 등 젖산균젖산 발효 (초기에는 CO₂도 내는 종류가 많음)젖산 (신맛, pH를 낮춰 부패균 억제)
요구르트, 치즈락토바실러스, 스트렙토코쿠스 등 젖산균젖산 발효젖산 (우유 단백질을 엉기게 함, 신맛)
빵효모알코올 발효CO₂ (반죽을 부풀림, 에탄올은 굽는 동안 대부분 날아감)
막걸리, 포도주, 맥주효모 (막걸리는 누룩의 곰팡이가 먼저 녹말을 당으로 분해)알코올 발효에탄올, CO₂(탄산)
된장, 간장누룩곰팡이, 고초균 등단백질·녹말 분해 (효소 작용이 중심)아미노산(감칠맛), 당
식초아세트산균에탄올을 산소로 산화 (산소 호흡의 한 형태)아세트산

식초를 만드는 ‘초산 발효’는 이름과 달리 산소가 필요하다. 아세트산균은 에탄올을 산소로 산화해 아세트산을 만들므로, 생물학에서 말하는 발효(산소 없이 유기물을 최종 전자 수용체로 쓰는 과정)와는 다르다. 된장과 간장도 일상에서 발효 식품이라 부르지만, 맛을 내는 것은 주로 미생물이 내놓은 효소가 단백질과 녹말을 분해하는 과정이다. 즉 일상어의 발효가 과학 용어보다 넓게 쓰이는 셈이다.

2조사 계획 세우기

발효 사례를 조사할 때는 무엇이, 어떤 조건에서, 무엇을 만드는가를 확인할 수 있게 계획을 세운다.

단계온도가 효모의 알코올 발효에 미치는 영향의 예
질문빵 반죽은 따뜻한 곳에서 더 빨리 부풀까?
방법같은 양의 효모와 설탕물을 넣은 삼각 플라스크 입구에 풍선을 씌우고, 20 °C, 30 °C, 40 °C, 50 °C 물에 담그기
측정10분마다 풍선 둘레를 재거나, 발효관에 모인 기체의 부피 읽기. 석회수로 기체가 CO₂인지 확인하기
통제·대조효모 양, 설탕 농도, 용액 부피를 같게 하기. 효모를 넣지 않은 플라스크, 설탕을 넣지 않은 플라스크를 함께 두기
자료 조사전통 음식의 제조 과정, 식품 회사와 공공 연구 기관의 자료에서 미생물 이름, 온도, 기간을 찾아 표로 정리하고 출처 적기
안전발효액은 마시지 않기. 밀폐 용기는 압력이 올라 터질 수 있으므로 기체가 빠질 길 두기

판단발효 식품이 무조건 건강에 좋다는 주장은 따져 봐야 한다. 젖산균이 살아 있는지는 제품마다 다르고, 가열하거나 오래 둔 제품에서는 대부분 죽어 있기 때문이다. 또 김치나 장류는 나트륨이 많다. 그래서 사례를 조사할 때는 어떤 미생물이 어떤 물질을 만든다는 사실과 그래서 몸에 좋다는 주장을 구분해 근거를 확인한다.

확인조건이 달라지면

빵 반죽을 너무 오래 두었더니 부풀던 반죽이 오히려 가라앉고 술 냄새가 강해졌다. 가장 알맞은 설명은?

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