세포 호흡 속도 측정

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싹이 튼 완두 10 g을 시험관에 넣고, 바닥에 수산화 칼륨 용액을 적신 솜을 둔 뒤 눈금 달린 가는 관을 꽂아 막았다. 관 끝에 색소 물방울 하나를 넣자, 물방울이 20분 동안 관을 따라 시험관 쪽으로 0.42 mL만큼 끌려 들어갔다. 마른 완두를 넣은 관은 0.04 mL, 유리 구슬만 넣은 관은 0.02 mL 움직였다. 물방울은 왜 시험관 쪽으로 움직였을까? 이 값으로 완두가 산소를 쓰는 빠르기를 어떻게 구할까?

그림 1. 수산화 칼륨이 이산화 탄소를 흡수하므로, 기체 부피의 감소가 곧 호흡으로 쓴 산소의 양이다.

먼저 알아야 할 것세포 호흡의 반응물과 생성물, 기체의 부피와 온도, 대조 실험.

1.10.1산소가 줄어드는 만큼 물방울이 움직인다

세포 호흡은 포도당을 산소로 분해해 에너지를 얻고 이산화 탄소와 물을 내놓는다. 포도당을 쓰는 호흡에서는 쓰는 산소와 내놓는 이산화 탄소의 몰수가 같아서, 그대로 두면 기체의 부피가 거의 변하지 않는다. 그래서 시험관에 수산화 칼륨을 넣어 내놓은 이산화 탄소를 바로 흡수한다. 그러면 쓴 산소만큼 기체가 줄고, 관 속 압력이 낮아져 물방울이 시험관 쪽으로 끌려 들어간다. 물방울이 움직인 부피가 쓴 산소의 부피이다.

정리 1.10.1 호흡 속도와 보정

호흡 속도는 \[\frac{\text{시료의 부피 변화} - \text{대조의 부피 변화}}{\text{시간} \times \text{시료의 질량}}\]이다. 유리 구슬만 넣은 대조 관은 온도와 기압의 변화로 생기는 부피 변화를 알려 주어, 이것을 빼서 보정한다.

기체의 부피는 온도와 기압에 민감하다. 실험하는 동안 실내 온도가 0.1 °C만 바뀌어도 관 속 기체가 늘거나 줄어 물방울이 움직인다. 같은 부피의 유리 구슬을 넣은 관을 함께 두면, 생물과 상관없는 이 움직임을 따로 잴 수 있다. 마른 완두는 살아 있지만 호흡이 아주 느려 대조와 거의 차이가 없다. 그래서 세 관을 비교하면 싹 트는 동안 호흡이 크게 빨라진다는 것을 알 수 있다.¹

1.10.2온도와 호흡 속도

호흡은 여러 효소 반응이 이어진 과정이므로 온도에 영향을 받는다. 같은 장치를 15 °C와 25 °C 물중탕에 담가 비교하면, 생물의 호흡이 온도에 따라 얼마나 빨라지는지 알 수 있다. 물중탕에 담그면 온도가 일정하게 유지되어 대조 관의 보정도 작아진다. 장치를 물중탕에 넣은 뒤 바로 재지 말고, 온도가 같아질 때까지 몇 분 기다린 다음 물방울의 위치를 기록하기 시작한다.

그림 2. 대조의 부피 변화를 빼면 싹 튼 완두는 마른 완두보다 20배 빠르게 산소를 쓴다(25 °C).

1.10.3예제 풀이

예제 1.10.2

그림 2로 싹 튼 완두 1 g이 1분에 쓰는 산소의 부피를 구하여라. 15 °C에서 같은 실험을 하니 보정 값이 0.20 mL였다. 온도를 10 °C 올리면 호흡 속도는 몇 배가 되는가? 수산화 칼륨 대신 물을 적신 솜을 넣으면 물방울은 어떻게 움직이겠는가?

보정한 부피 감소는 \(0.42 - 0.02 = 0.40\) mL이므로 호흡 속도는 \(0.40/(20 \times 10) = 0.0020\) mL/(g·분)이다. 15 °C에서는 0.20 mL이므로 0.0010 mL/(g·분)이고, 10 °C 올리면 두 배 빨라진다.

물을 적신 솜으로 바꾸면 이산화 탄소가 흡수되지 않는다. 포도당을 쓰는 호흡에서는 쓴 산소와 내놓은 이산화 탄소가 같은 부피이므로 물방울이 거의 움직이지 않는다. 만약 이때도 물방울이 안쪽으로 움직인다면 쓴 산소가 내놓은 이산화 탄소보다 많다는 뜻이고, 이것은 완두가 지방처럼 산소를 더 많이 쓰는 양분을 분해하고 있음을 알려 준다. 즉 호흡계는 기체의 부피 변화를 재어 호흡의 빠르기뿐 아니라 무엇을 분해하는지까지 어림하게 해 준다.

아래 탐구 카드에서 호흡계로 싹 튼 씨앗의 산소 소비 속도를 재고, 온도에 따른 변화를 비교해 보자.

호흡으로 내놓은 이산화 탄소의 부피를 쓴 산소의 부피로 나눈 값을 호흡률이라 한다. 탄수화물을 쓰면 1, 지방을 쓰면 약 0.7, 단백질을 쓰면 약 0.8로, 운동 생리학에서는 날숨을 분석해 몸이 무엇을 연료로 쓰는지 알아낸다.

마무리

호흡계는 수산화 칼륨으로 이산화 탄소를 흡수시켜, 기체 부피의 감소로 생물이 쓴 산소의 양을 잰다. 온도와 기압에 따른 부피 변화는 유리 구슬을 넣은 대조 관으로 보정하고, 보정한 감소량을 시간과 질량으로 나누어 호흡 속도를 구한다. 처음 질문의 싹 튼 완두는 25 °C에서 1 g이 1분에 약 0.0020 mL의 산소를 써, 마른 완두보다 20배 빠르게 호흡한다.

탐구 1

싹 트는 콩은 얼마나 빨리 산소를 쓸까?

실험 · 호흡계 · KOH와 CO₂ 흡수 · 온도와 세포 호흡 속도

수조 온도 25 °C

KOH 솜 빼기 (세 관 모두)

그래프

관마다 콩 25알을 넣고, 마른 콩 관과 유리구슬 관은 유리구슬로 부피를 발아 콩 관과 같게 맞춘다. 1 mL 피펫 눈금(0.01 mL)으로 색소 방울이 처음 자리에서 움직인 부피를 읽는다. 수조 물이나 기압이 조금 바뀌면 세 관의 방울이 함께 움직이는데, 유리구슬 관의 이동이 그 몫이다. 호흡 속도 값은 교육용 모식값이다.

탐구 문제마른 콩은 몇 해 동안 창고에 두어도 살아 있고, 물에 불리면 싹이 튼다. 싹 트는 콩은 마른 콩보다 세포 호흡을 얼마나 빨리 할까? 온도가 오르면 호흡은 빨라질까? 가설을 먼저 세우고(예를 들어 "발아 중인 콩은 온도가 높을수록 O₂를 빨리 소비할 것이다") 그 가설을 확인할 실험을 설계해 보자.
복원세포 호흡은 C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O이다. O₂를 쓴 만큼 CO₂가 나오므로 그대로 두면 기체 부피가 거의 변하지 않는다. 그래서 관 안에 KOH 용액을 적신 솜을 넣어 CO₂를 흡수한다(CO₂ + 2KOH → K₂CO₃ + H₂O). 그러면 줄어든 기체 부피가 곧 소비한 O₂의 부피가 되어, 피펫 속 색소 방울이 관 쪽으로 빨려 들어간다.
설계조작 변인은 콩의 상태(발아·마른)와 수조 온도이다. 종속 변인은 일정 시간 동안 소비한 O₂ 부피이다. 콩 수, 관 속 부피, KOH 양, 측정 시간은 통제한다. 유리구슬만 든 관은 온도·기압 변화로 생기는 방울 이동을 알려 주는 대조군이다. 관을 수조에 넣고 7분쯤 기다려 온도를 맞춘 뒤 읽기 시작한다.
분석각 관의 이동에서 유리구슬 관의 이동을 빼면 보정한 O₂ 소비량이 된다. 시간에 대해 그리면 거의 직선이고, 그 기울기가 호흡 속도(mL/분)이다. 발아 중인 콩은 저장한 녹말을 분해해 새 세포를 만드느라 마른 콩보다 열 배 넘게 빨리 호흡한다. 온도가 10 °C 오를 때 속도가 몇 배가 되는지(Q₁₀) 구해 보자.
측정25 °C에서 한 번 재고, 10 °C와 35 °C에서도 재어 온도–속도 그래프를 그리자. 결과가 처음 세운 가설을 지지하는가? 그다음 KOH 솜을 빼고 다시 재 보자. 발아 콩 관의 방울이 왜 거의 움직이지 않는가?
오차·안전측정 중 수조 온도가 바뀌거나 관을 손으로 잡으면 공기가 팽창·수축해 방울이 움직인다. 유리구슬 관으로 보정해도 관마다 부피가 다르면 오차가 남는다. 마개 틈으로 공기가 새면 방울이 움직이지 않는 계통 오차가 생기므로, 시작 전에 마개와 피펫 연결을 확인한다. KOH는 강염기라 피부와 눈을 상하게 하므로 장갑과 보안경을 쓰고, 솜이 콩에 직접 닿지 않도록 솜 위에 마른 솜을 덮는다.

확인조건이 달라지면

KOH 대신 증류수를 적신 솜을 넣고 발아 중인 콩으로 재었더니 방울이 20분 동안 0.02 mL만 움직였다. 바르게 해석한 것은?