Ⅱ mv mg1 물질대사 01 세포호흡 0 무기호흡 03 유기호흡 04 의이용 05 호흡기질과호흡률 06 광합성과호흡 알고가기 1 세포호흡은어디에서일어나는가? 세포호흡이일어나기위해서필요한물질은무엇인가? 3 생물은생명활동에어떤에너지를이용하는가? 4 사람에게서세포호흡결과생성된에너지가이용되는예를들어보자. 57 81 단원학습목표 1_ 해당, 발효와같은무산소호흡을이해한다. _TCA 회로, 전자전달계와같은산소호흡을에너지대사와연계시켜이해한다. C 식물과 CAM 식물 식물은기공을통해 를받아들이고 O 를방출하는데, 기공을열면물이증산된다. 특히, 날씨가덥고건조한지역의식물에서는수분의손실이치명적일수있다. 만약, 식물이이러한이유로기공을열지않는다면, 식물체내의 농도는낮아지고 O 농도는높아지게될것이다. 식물에서 를고정하는효소인루비스코는 농도가낮고 O 농도가높을때에는 대신 O 와결합하여광호흡반응을나타낸다. 광호흡은당을분해하는반응이지만, 가생성되지않는소모적인반응이므로식물에게는큰손실이주어진다. 사탕수수나옥수수등과같은식물은날씨가덥고건조한열대지역에서적응할수있도록진화된식물이며, 이를 C 식물이라한다. C 식물은엽육세포로흡수된 를우선3탄소화합물 (PEP) 에고정하여 4탄소화합물 ( 말산 ) 로저장하였다가, 인 접한유관속초세포에전달하게되고, 여기에서다시분리되어 3탄소화합물 (PEP) 은엽육세포로돌아가고 는칼빈회로에이용된다. 그러므로 C 식물은 C 식물에비해, 기공을자주열지않아도되므로, 낮은이산화탄소의농도와빛이강한환경에서광합성효율을극대화시킬수있다. 선인장이나파인애플과같은다육식물은대부분건조한지역에적응한식물로 CAM 식물이라하는데, CAM 식물은받아들인이산화탄소를 4탄소화합물로고정시켰다가칼빈회로에이용한다는점은 C 식물과같으나, 밤에만기공을열어이산화탄소를받아들인다는점은 C 식물과다르다. 이들은모두자신들이처한환경에서광합성효율을높이기위해, 가장잘적응한식물의예가될것이다. / 알 / 고 / 가 / 기 / 1_ 세포내미토콘드리아 _ 화학적에너지원인유기물, 산소 3_ 4_ 막의능동수송 (Na±-K± 펌프등 ), 근육수축, 생체물질의합성, 생물의발전과발광등 Ⅱ. 물질대사 1. 호흡
01 ncpv mvmg1 세포호흡을설명할수있다. 1. 이세포내에서분해되는세단계를말해보자.. 세포호흡의각단계가일어나는장소를말해보자. 3. 세포호흡에서을분해하면어떤물질이생성되는가? 생물이살아가는데필요한에너지는세포안에서유기물을분해시켜생성한다. 식물은빛에너지를이용하여스스로유기물을생산하고, 동물은유기물을섭취하여이용한다. 유기물은세포안에서어떤을거쳐에너지를생성하게될까? 세포에서유기물이분해되어에너지가생성되는을알아보자. 생물체내에서는끊임없이화학반응이일어나고있는데, 이를물질대사라한다. 물질대사에는반드시에너지의출입이뒤따르는데, 이를에너지대사라한다. 세포호흡은물질대사의한으로에너지를방출하는반응이며, 또한물질이분해되는이화작용이다. 세포호흡에는많은효소들이관여한다. 세포에서는유기물이효소의도움으로분해되면서에너지가방출되고, 이에너지의일부가 로저장되었다가생물의생활에너지로이용된다. 세포호흡은산소없이일어나는무기호흡과산소를이용하는유기호흡으로나눌수있다. 세포호흡에관여하는효소를알아보자. 1 세포에서생활에너지는어떻게생성될까? 토의, 조사 다음그림을보고세포내에서유기물이분해되는을알아보자. 및유기물 해당작용 1. 산소공급이충분할때, 세포호흡에서가장많은 를생성하는단계를말하여라. 정답 : 34 쪽 TCA` 회로 전자전달계. 다음 ( ) 안에알맞은말을써넣어라. 모든동식물이이용하는생활에너지는녹색식물의광합성에의해생산된유기물을 ( ) 을 미토콘드리아 ( 를 ) 통해분해시키면서얻는다. 세포질 3. 세포가생명활동에이용되는에너지를생성하기위해공급받아야하는물질은무엇이며, 이것들은어떤경로를거쳐공급되는지설명하여라. 세포호흡 8 83 호흡효소 세포호흡에서은우선수소 (H) 와이산화탄소 () 로분리되고, 이때분리된수소는전자전달계에서산화 (O ) 되어물이형성된다. 이러한화학반응의에서탈수소효소와탈탄산효소및전자전달계효소가대표적으로작용한다. 1_ 탈수소효소 (dehydrogenase) 는호흡기질로부터수소를이탈시켜기질을산화시키는효소로호흡기질에서이탈된수소 (H) 는조효소인 NAD(nicotineamide adenine dinucleotide) 나 FAD(flavin adenine dinucleotide) 등에의해전자전달계로넘겨지게된다. 탈수소효소는세포질이나미토콘드리아내에서호흡기질에작용한다. _ 탈탄산효소 (decarboxylase) 는호흡기질의중간분해물질인여러유기산의카르복시기 (-COOH) 에작용하여 를이탈시키는효소이다. 비타민 B 인티아민을조효소로가지며, 호흡기질의탄소 (C) 수를줄이면서분해시킨다. 3_ 전자전달계효소 (electron transferring enzyme) 는미토콘드리아의내막에모여서존재하며, 시토크롬 (cytochrome) 이대표적이다. 시토크롬은 Fe을함유하고있는데, NAD나 FAD에의해운반되어온 H로부터전자를받아환원되고, 다시이웃한효소에전자를넘기면서산화되는데, 이러한환 원과산화를되풀이하면서전자의에너지를이용하여양성자 (H±) 펌프를일으킨다. 그결과막을경계로양성자의농도기울기가형성되고이것에의해 를생성할수있는환경이된다. 탐구 1 해설 1_ 해당작용, TCA 회로, 전자전달계 _ 해당작용 TCA 회로전자전달계세포질미토콘드리아내부기질미토콘드리아내막 3_ 생활에너지로이용할 를생성하고, 대사생성물로 와 H O이생성된다. 1_ 전자전달계 _ 세포호흡 3_ 유기물과산소이며, 유기물은소화기를통해흡수하여공급되고, 산소는호흡기를통해흡수하여공급된다. Ⅱ. 물질대사. 호흡
0 ibur mvmg1 해당작용을설명할수있다. 발효가무기호흡임을설명할수있다. 1. 해당작용이일어나는장소와해당작용이필요한이유를말해보자.. 은해당작용을거쳐어떤물질로되는가? 3. 앞의해당작용의그림을보고아래의반응식을완성해보자. 심한운동을마친선수는근육에피로감과통증을느낀 C 6 H 1 O 6 + NAD + + ADP + Pi 다. 그이유는근육세포에젖산이축적되기때문이다. 젖산이축적되는이유는무엇일까? + (NADH + H + ) + 대부분의생물은유기호흡으로에너지를얻지만, 산소가없는곳에적 응한일부생물은산소를이용하지않는무기호흡을통하여에너지를얻 는다. 유기호흡과무기호흡의전체적인은크게다르다. 그러나유 생물이세포호흡을통해에너지를생성하기위해서는세포에유기물과산소가공급되어야한다. 세포호흡은세포소기관인미토콘드리아에서일어나는데, 세포질로들어온은분자가커서미토콘드리아로들어갈수없다. 따라서세포질에서는의분해가일차적으로일어나야하며, 이를해당작용이라한다. 해당작용은산소를필요로하지않는무기호흡이다. 해당작용은어떤을거쳐일어날까? 토의, 조사 그림을보고해당작용이일어나는을알아보자. 기호흡도산소가없이일어나는해당작용을거친다. 세포질에서일어나는해당작용은 에의해이활성화되는과활성화된물질이으로분해되면서 가생성되는으로나눌수있다. 이 분자의으로분해되는에서 분자의 가소모되고 4분자의 가생성되므로, 결과적으로 분자의 가만들어진다. 은많은에너지를가진물질이지만, 세포는해당작용을거쳐서에들어있던일부에너지만얻을수있다. 이가진대부분의에너지는에저장되어있다. 해당작용을거쳐만들어진은어떻게이용될까? 해당작용엠브덴 (Embden, G.), 마이어호프 (Meyer Hof, O.), 파나스 (Parnas, J.K.) 에의해밝혀졌다. 따라서세사람의첫자를따 EMP 경로라고도한다. 해당작용 P P O 가없을때 O 가있을때 과당이인산 발효 TCA 회로 젖산 에탄올, 전자전달계 무기호흡 유기호흡 해당작용산소가있을때와없을때의세포호흡경로 84 85 해당 세포호흡에서첫번째일어나는해당작용은산소없이일어나는반응의이며, 대부분의생물에서공통적으로나타나는것으로보아, 미토콘드리아가진화되기이전부터생물이이용하던방법으로알려졌다. ADP 6 인산 안정하고반응성이커지도록만드는이다. 두번째단계에서는자유에너지를더욱낮추면서 ADP의인산화에이용하는이다. 이러한에서방출되는에너지로 분자의 와 분자의 NADH + H± 를생성한다. 일반적으로해당은 의농도가높으면억제되고, 대사작용이활발하여 ADP의농도가낮아지면촉진된다고한다. NADH NAD NAD 과당 -6- 인산 과당 1 6 이인산 O 없을때 젓산 분자 ADP 4 ADP 4 O 있을때 TCA 회로 이해당되는은크게두반응의단계로나누어볼수있는데, 첫번째는기질의자유에너지를증가시켜기질을불 탐구 1 해설 1_ 세포질, 은세포막의능동수송에의해세포로들어오지만, 미토콘드리아로들어갈수는없다. 따라서, 세포질에서해당작용에의해미토콘드리아내부로들어갈수있는작은물질인으로분해되어야한다. _ 1분자의이해당작용을거치면, 분자의과 NADH, 가생성된다. 3_ C H O + + ADP + Pi 1 C H O + (NADH + H±) + Ⅱ. 물질대사 3. 호흡
우리의생활주변에는산소없이유기물을분해하여얻은에너지로살아가는미생물이많다. 이러한미생물에의한무기호흡은발효와부패로 해당작용 나뉜다. 우리의생활에유용한물질이생성되는무기호흡을발효라하고, 해로운물질이만들어지는무기호흡을부패라한다. 부패는호흡기질로 3 서단백질이분해되어악취나독성을나타내는경우가많다. 발효가우리의생활에어떻게이용되고있을까? 조사, 토의 젖산발효 젖산 젖산균 (_10000) 1. 그림은발효가생활에이용되는몇가지예를나타낸것이다. 발효를식품과산업에이용하고있는예를살펴보자. 해당작용 효모를이용하여만드는술은알코올도수가 13% 를넘을수가없다. 그이유는무엇인가? 에탄올 아세트알데히드 알코올발효 장독대 양조공장 발효가식품에많이이용되는이유는발효생성물이에너지원으로이용될뿐만아니라부산물로생성되는케톤이나알데히드등에의해맛과향이좋아지기때문이다. 생활속의과학 urzorj/f k/rslfa 김치와된장은우리의식탁에끼니마다빠지지않고올라오 는대표적인음식이다. 물론예전처럼많이먹지는않지만그 래도식사때김치를거르면왠지허전하고, 된장을먹지않으 김치 퇴비공장 면배가부르지않은것처럼느껴진다.. 식품에이용되는발효의종류와발효미생물을조사해보자. 는사전에준비해올수도있다. 1. 발효식품이소화와흡수에유리한이유를간단히설명해보자.. 여러가지발효식품과이용되는발효미생물을말해보자. 3. 발효가산업에이용되는예를말해보자. 식품에주로이용되는무기호흡은젖산발효와알코올발효이다. 해 특히요즘우리들의식탁에서김치와된장이다시인기를얻게된것은김치와된장이건강과체형유지에도움을준다는사실이알려지면서부터이다. 하지만김치와된장이몸에좋은진짜이유는따로있다. 김치는젖산균에의해강장작용을한다. 또김치는식이성섬유와비타민등이풍부하게들어있다. 게다가혈중콜레스테롤수치를낮추어주어고혈압이나심장병예방에효과가있다. 된장은여러가지효능이있는것으로잘알려져있는데, 특히항암효과와간기능을회복하는데도움을주는것으로알려져있다. 당작용을거쳐만들어진이젖산발효에서는젖산으로, 알코올 Q 발효식품이몸에좋은이유를생각해보자. 발효에서는알코올로전환된다. 86 87 발효식품 발효식품은젖산균이나효모등미생물의발효작용을이용하여만든식품을지칭하며, 옛날부터사람들이널리이용하였다. 발효식품의예로는알코올성음료 ( 술 ), 빵, 김치, 젓갈, 간장, 된장, 고추장, 식초및발효유제품인치즈, 버터, 요구르트등이있다. 발효에이용하는미생물로는맥주나포도주를만드는효모균, 글루콘산발효를일으키는검은곰팡이및푸른곰팡이속의일종, 푸마르산발효를일으키는거미줄곰팡이속의일종, 버터나우유의제조에이용되는젖산균, 김치나요구르트에이용되는젖산균, 간장과된장의제조에이용되는젖산균, 시트르산 옥살산등의발효를일으키는곰팡이류등도알려져있다. 또한, 효모균을특수한상태하에서배양하면글리세린이다량으로생기는것이발견되어, 그방법이공업화되기도하였으며, 현재는많은산업의현장에서발효를응용하고있다. _ 구분알코올발효젖산발효아세트산발효발효미생물효모젖산균아세트산균발효식품술, 빵김치, 요구르트식초 3_ 미생물의발효를산업에이용하는예로는발효사료및발효퇴비생산, 효소생산, 메탄발효를통한바이오에너지, 아미노산이나항생물질또는항암물질의생산등에이용된다. 양조주는효모에의해생성된알코올로알코올의도수가높아지면효모가발효를하지못하여살수없다. 위스키나보드카등은발효된술을증류하여만든것으로알코올함량이 35~60% 정도로높다. 이러한술을증류주라한다. 탐구 3 해설 1_ 발효의산물은대사작용에의한중간생성물이기때문에분자량이작아서소화하기위한에너지소비를줄일수있고, 흡수도쉽게일어날수있다. 생활속의과학 Q 발효식품은원료의맛과부드러움을간직하면서, 발효에서 생성된유기산등에의해독특한향미가보태진다. 이것은소화와흡수 에도유리하며, 식욕을높이고, 에너지원으로사용되거나다양한영양 소를섭취할수있도록해준다. Ⅱ. 물질대사 4. 호흡
세포에산소가충분히공급될때에는이미토콘드리아내부로 3. 근육이피로할때, 근육을주무르면피로가빨리풀린다. 그이유를설명해 들어가유기호흡에이용된다. 유기호흡은에너지가많이생성되는 보자. 이다. 그러나격심한운동을할때에는근육세포에충분한산소가신속 4 하게공급되지못하고, 에너지도필요한만큼충분히생성되지못한다. 이때, 근육세포에서는어떤일이일어나는지알아보자. 근육세포에서무기호흡은어떻게일어날까? 예상, 추리 1. 그림은근육세포에산소가충분히공급될때와충분하게공급되지않을때일어나는반응을나타낸것이다. 두의차이를알아보자. 근육에서는많은에너지를소모한다. 근육세포는유기호흡을통하여에너지를생성하지만, 심한운동으로산소공급이충분하지못할때에는필요한에너 스트레스가근육에서젖산발효를촉진시킨다고한다. 그이유를생각해보자. 근육세포에서젖산발효는반드시필요하다고한다. 그이유는무엇일까? O 공급없음 젖산 지를해당작용을통해보충한다. 이때근육세포에이많아지면해당작용이잘일어나지않으므로이젖산으로전환되어축적된다. 젖산농도정상인 : 1.5mmol/L이하심한운동을한운동선수 : 10~15mmol/L + NADH+H + + 근육세포에젖산이많이축적되면삼투압이높아지고, 그결과근육세포가팽창하여신경을압박하므로피로와통증을느끼게된다. 산소공급이원활하지않은상황에서도근육세포에서는무기호흡을통해에너 충분한 O 공급 TCA 회로 ( 유기호흡 ) 지를생산하여근육수축에사용한다. 젖산이축적된근육세포에산소가공급되면젖산의일부는유기호흡에이용되고, 이때생성된에너지를이용하여일부의젖산은으로. 다음그림은근육이나간세포에축적된젖산의산화을나타낸것이다. 전환된다. 이런은언제활발하게일어날지추측해보자. 젖산 O 공급 TCA 회로 ( 유기호흡 ) 정답 : 343쪽 1. 1분자의이호흡기질로쓰일때, 해당작용에서몇분자의 가생성되는가?. 다음 ( ) 안에알맞은말을써넣어라. 근육세포에충분한산소가공급되지않을때에는해당작용에의해생성된 ( ) 이 ( 가 ) 젖산으로 전환된다. 젖산이근육에쌓이면피로하므로젖산을피로물질이라한다. 3. 무기호흡에대한설명으로옳은것은무엇인가? 1 미토콘드리아에서일어난다. 효소는관여하지않는다. 1. 을세포호흡에이용할때, 어떻게하면더많은에너지를생산할수 3 젖산균은무기호흡을한다. 4 는생성되지않는다. 있는지말해보자. 5 이이산화탄소와물로분해된다.. 격심한운동을할때에는근육에피로물질이쌓인다. 근육에서일어나는반 4. 발효가우리생활에이용되는예를들어보아라. 응과피로를일으키는물질을말해보자. 88 89 탐구 4 해설 1_ 산소가공급되지않을때에는해당을거쳐생성된은 NADH에의해젖산이되므로 만생성된다. 산소가공급될때에는이 TCA 회로를거쳐분해되면서더많은 를생성한다. _ 젖산이근육에많이축적되면피로를느끼게된다. 이런상태에서산소가충분히공급되면일부 ( 근육 ) 의젖산은 TCA 회로를거쳐산화되면서 를생성하고, 일부 ( 간 ) 의젖산은생합성이라는을통해으로합성하여다시조직세포로공급된다. 1_ 산소를충분히공급하여을완전히산화시킬때 _ 근육에서일어나는반응은`1 참조, 젖산 3_ 근육을주무르면정맥혈관의확장과이완이반복되고, 이러한현상은판막을가진정맥에서혈액의흐름을촉진한다. 혈액이근육세포로많이공급되면산소의공급이원활해져근육에서는`` 와같이젖산을제거한다. 스트레스가주어지면우리의자율신경인교감신경의영향을받아근육이경직된다. 이러한현상에의해피부나근육으로의혈액공급량이줄어들고, 근육에서는산소가부족하여젖산이축적된다. 심한근육의운동에는많은양의 가소모되는데, 산화적인산화에필요한양만큼의 O 를신속히공급할수는없다. 이런경우에근육세포는근육세포에많이저장되어있는크레아틴인산의인산기를 ADP에전달하여 를생산한다. 근육세포에크레아틴인산이점차소모되면, 이어서해당이촉진된다. 해당의결과과 NADH 가생성되지만, O 의공급이원활하지않기때문에 NADH 는축적되고, 가부족하여해당도정지될지경에이른다. 이런경우에는 NADH에의해이젖산으로환원되어해당은지속적으로일어날수있다. 1 3_3 4_ 술, 김치, 치즈, 요구르트등의제조 Ⅱ. 물질대사 5. 호흡
03 j5ur mvmg1 TCA 회로와전자전달계를미토콘드리아의구조와관련지어설명할수있다. 세포호흡의에너지효율을계산할수있다. 물이나밥을먹지않고도얼마간은살수있지만, 숨을쉬지않고는 5분을넘기기어렵다. 우리는숨을쉬면서산소를받아들이고이산화탄소를방출한다. 받아들인산소는어디에서어떻게소모될까? 또, 이산화탄소는어떻게생성될까? 3. 피펫이장치된고무마개로시험관을막고, 잉크의눈금이 0.1mL씩감소될때마다걸리는시간을측정하여기록하자. 눈금이감소되는데걸리는시간 ( 초 ) 구분 0.1mL 0.mL 0.3mL 0.4mL 마른콩물에불린콩 4. 미토콘드리아의구조와세포호흡에대한그림을보고, 유기호흡이일어나는위치를알아보자. 해당작용 세포질 미토콘드리아 O 공기중에는약 1% 의산소가함유되어있다. 이런환경에서많은생물은유기호흡을통해살아간다. 유기호흡은해당작용을통해생성된피루 아세틸 CoA O 브산이미토콘드리아로들어가분해되는을말한다. 유기호흡은해당작용에비해훨씬많은에너지를생성한다. 콩이발아할때산소가얼마나소비되는지측정하고, 세포내에서일어나는호흡을미토콘드리아의구조와관련지어알아보자. H O TCA 회로 H 전자 H O 전달계 5 콩이발아할때무엇이필요하며, 이것은어디에서소모될까? 관찰, 자료해석 미토콘드리아에서의유기호흡 미토콘드리아 (_0000) 시험관에넣는콩은겉면의수분을닦아준다. 준비시험관, 피펫, 물에불린콩, 마른콩, 수산화칼륨, 솜, 스포이트, 잉크, 고무마개 1. 시험관에수산화칼륨을소량넣은후솜을넣고, 물에불린콩과마른콩을각각넣자.. 고무마개에눈금이있는 1mL 피펫을거꾸로꽂은후그림과같이스포이트로잉크가피펫의 0.9mL에오도록넣자. 1. 실험장치에서수산화칼륨을넣어주는이유는무엇인가?. 잉크방울이이동하는이유는무엇인지설명해보자. 3. 마른콩으로실험하는이유는무엇인가? 4. 콩이흡수하는산소는미토콘드리아의어느부위에서사용될까? 세포내에서일어나는호흡의반응식을나타내면다음과같다. C 6 H 1 O 6 + 6O + 6H O 6CO + 1H O+38 탈수소효소, 탈탄산효소, 전자 전달효소, 산화효소등의호흡 세포호흡은해당작용, TCA 회로, 전자전달계의세단계에걸쳐이 효소를찾아보자. 루어진다. 이반응에서는탈수소효소나탈탄산효소등의여러가지효 소가각단계마다관여한다. 90 91 탐구 5 해설 3_ 눈금이감소되는데걸리는시간 ( 초 ) 구분 0.1 ml 0. ml 0.3 ml 0.4 ml 마른콩 38 - - - 물에불린콩 4 10 16 1_ 콩의발아는세포호흡을통하여이루어진다. 세포호흡은산소가소모되고, 이산화탄소가방출된다. 수산화칼륨 (KOH) 은방출되는이산화탄소 () 를제거해줌으로써, 세포호흡에산소가소모됨을알수있다. _ 방출되는이산화탄소는수산화칼륨이제거시켜줌으로써, 실제적으로산소의소비에의해기압이낮아지며기압의차이에의해잉크방울이이동된다. 3_ 발아의조건에는물, 산소, 온도가필수적이다. 마른콩으로실험하는이유는발아를하는것과하지않는것사이, 즉, 호흡의유무차이를확인하기위한대조군이다. 4_ `4 그림을통해보면산소는미토콘드리아의내막에서일어나는전자전달계에서소모되어, 물이생성된다. 미토콘드리아 미토콘드리아는그크기가 0.~3lm로타원형이며, 비교적크기때문에광학현미경상에서도관찰이가능하다. 야누스그린 B에염색되어다른부분과쉽게구별되며, 이중막으로구성되어있고, 특히, 내막은주름이많은크리스타구조로되어있다. 호흡이왕성한세포일수록그수가많으며, 동물의간세포 1개당 1000여개정도, 식물세포에는 100여개정도들어있다. 미토콘드리아는각종산화 환원효소, 각종탈수소효소, 탈탄산효소, 전자전달효소등많은효소를갖고있으며여러기질을산화하고있다. 미토콘드리아내에서일어나는기질의산화반응은크게 TCA 회로와전자전달계로나누어일어난다. 미토콘드리아속에는고유의 DNA가존재하고있고, 고유의단백질합성계가존재하고있어서자기증식할수있는특징을가진다. 이러한미토콘드리아의 DNA나단백질합성계는세균과흡사하여, 진화론적인관점에서는세균과유사한기원을가진것으로추정하고있다. 미토콘드리아가가진고유한 DNA는항상모계로부터자식대로유전되므로, 미토콘드리아 DNA의유래를밝힌다면, 지구상의최초의어머니인 미토콘드리아이브 를찾을수있다. Ⅱ. 물질대사 6. 호흡
6 TCA 회로에서은어떻게분해될까? 자료해석 는 를생성하고물이된다. 한편, 해당작용에서생성된 NADH 도 그림은 TCA 회로를나타낸것이다. 이미토콘드리아에서분해되는을알아보자. 미토콘드리아로이동하여전자전달계에서 생성에이용된다. 전자전달계에서는어떤을거쳐 가생성되고, 또어느에서산소가소모되는지알아보자. 7 전자전달계에운반되는수소는어떤일을할까? 자료해석 CoA ( 가 ) 아세틸 CoA ( 나 ) CoA 시트르산 ( 다 ) 그림을보고 NADH 또는 FADH 에의해미토콘드리아내막의전자전달계로전해진수소가어떻게이용되는지알아보자. 옥살아세트산 α -케토글루타르산 H± H± H± ( 바 ) 말산 ( 마 ) 숙신산 ( 라 ) ADP+Pi 막간공간 전자운반체 미토콘드리아내막 전자흐름 NADH FADH FAD 1 O +H± H O H± 합성 효소 TCA 회로 FADH FAD ADP+ Pi H± 미토콘드리아기질 NAD + (nicotinamide adenine dinucleotide) 1. 탈수소효소와탈탄산효소가작용하는부위를각각기호로말해보자. 미토콘드리아내막의전자전달계 FAD(flavin adenine dinucleotide). 1분자의이분해되면 NADH+H +, FADH, 이산화탄소, 는각각몇분자가생기는가? 세포호흡에서탈수소효소에의 1. NADH 또는 FADH 에의해전달된수소는미토콘드리아내막에서어떻게해이탈된수소를전자전달계로 3. 그림을보고이분해되는반응식을완성해보자. 운반하는조효소 변화되는지그림을보고설명해보자. C 3H 4O 3`+`4NAD +`+`FAD`+`ADP`+`Pi`+` `+`4(NADH + H + )`+`FADH `+`. 미토콘드리아내막의내부기질과외막과내막의용액사이에수소이온의농도기울기가어떻게다른지말하고, 이것이어떤일을할수있는지설명해 보자. 3. 전자전달계에전해진전자의최종수용체는어떤물질인가? 해당작용을거쳐생성된은미토콘드리아의기질에서탈탄산 4. 위의그림을보고전자전달계에서일어나는반응식을완성해보자. 효소와탈수소효소의작용을받아이산화탄소와수소로분해되는데, 이 1 NADH+H + + +3Pi+ O 을 TCA 회로라한다. 이때떨어져나온이산화탄소는호흡기로운 +H O+3 반되어방출되며, 수소는 NADH와 FADH 에의해미토콘드리아내막 FADH +ADP+Pi+ FAD+H O+ 에분포한전자전달계로운반된다. 전자전달계에전해진고에너지수소 9 93 탐구 6 해설 1_ 3탄당에속하는 (C H O ) 은이산화탄소 3분자로분해된다. 이때탈탄산효소는, 시트르산, a`-`케토글루타르산에작용하여이산화탄소를떨어뜨리고, 각각아세틸CoA, a`-`케토글루타르산, 숙신산을형성한다. _ 1분자의이분해될때물 (H O) 이 3분자가소모되는데, 물의수소 6원자와의수소 4원자에의해 NADH + H± 4분자와 FADH 1분자가만들어진다. 또한 는 3분자, 는 a`-`케토글루타르산에서숙신산이될때기질수준의인산화에의해 1분자가생성된다. 3_ C H O + 4 + FAD + ADP + Pi + 3H O 3 + 4(NADH + H±) + FADH + 탐구 7 해설 1_ NADH 또는 FADH 가기질에서분해되면, FAD 와두개의H± 와두개의전자 (e ) 가나온다. 이때나오는전자는 고에너지전자 이다. 이고에너지전자가전자전달 계로들어가면, 전자전달계에붙어있는여러효소들은이고에너지전자의에너지를이용하여수소이온을이동시킨다. NADH에서나온고에너지전자는수소이온들을세번이동시킬수있는에너지를가지고, FADH 에서나온고에너지전자는수소이온들을두번이동시킬수있는에너지를가진다. _ 기질에있는 H± 이온들이외부구획으로이동했으므로막간공간의수소이온의농도가내부기질에비해높아진다. 이때막간공간의 H± 는내부기질로이동하려는힘을가진다. 막에존재하는 합성효소는이힘을이용하여 ADP에 Pi를결합하여 를만든다. 3_ 고에너지전자들은전자전달계를거치면서에너지가약해지는데, 에너지를모두잃게되면 ;!; O 를 O 으로전환시키며 개의 H± 가결합하여물 (H O) 이된다. 4_ NADH + 3ADP + 3Pi + ;!; O 1 NADH± +H O+3 FADH + ADP + Pi + ;!; O 1 FNAD + H O+ ADP Ⅱ. 물질대사 7. 호흡
NADH NAD + FAD FADH H± + e e 효소 a e 효소 b 전자전달계에서의 합성 e 효소 c e 1 _ O H O 미토콘드리아의내막에는전자전달에관여하는효소가많다. 해당이나 TCA 회로에서생성된 NADH나 FADH 는전자전달계에고에너지수소를전해주고각각 NAD + 와 FAD로돌아간다. 전자전달계에전해진수소는 H + 와고에너지전자로분리되어 H + 는막간공간으로이동하고, 고에너지전자는전자전달계효소를차례로환원시키면서전달된다. 이때, 산화환원을반복하는전자전달계효소가막간공간으로 H + 를능동수송한다. 한편, 전자전달계에서전달되는전자는 점차에너지의준위가낮아지고, 최종적으로산소에전해져물을생성한 3. 그림을보고세포호흡전에서일어나는반응식을완성해보자. C 6H 1O 6 +` +`6H O+`38ADP +`38Pi +`` +`38 1몰이연소할때방출되는에너지의총량은 688kcal이고, 세포호흡에이용될때에는 38몰의 가생성된다. 1몰의 는약 7.3kcal의에너지로이용될수있으므로세포호흡의에너지효율은약 40% 이다. 몰 (mol) 물질의양의단위, 물질입자가아보가드로수 (6.0 10 3 ) 만큼존재할때를 1몰이라함 다. 이와같은을거치면크리스타막을경계로내부와외부에 H + 이온의농도기울기가생기게되고, 그것에의해 가합성된다. 38 7.3kcal 77kcal 에너지효율 = 100= 100? 40(%) 688kcal 688kcal 8 세포호흡에서한분자가몇몰의 를생성할까? 자료해석 ` 그림은세포호흡이일어나는전을개략적으로나타낸것이다. 1 분자에서생성되는총 의수를계산해보자. 해당 6 6 18 4 NADH 비커에서연소효율세포호흡효율자동차에서에너지효율 NADH 6 TCA 회로 6H O 6NADH FADH 6O 전자전달계 1H O 1. 세포호흡에작용하는효소라고볼수없는것을골라라. 1 탈수소효소 NADP + 3 탈탄산효소 4 산화효소 5 FAD 정답 : 343 쪽 1 분자가세포호흡에이용될때만들어지는. 유기호흡이일어나는생물에서세포호흡의을 3 단계로구분하여라. 3. 미토콘드리아내로들어간은 TCA 회로와전자전달계를거치며에너지를방출한다. 1. 해당, TCA 회로, 전자전달계에서 는각각몇개씩만들어지는 TCA 회로와전자전달계가일어나는위치는구체적으로어디인가? 가?. 1분자가완전히산화되는데필요한산소는몇분자인가? 또, 이때 4. 산소의공급이원활하지않을때, TCA 회로와전자전달계가작동될수없다. 그이유를설명하여라. 생성되는이산화탄소는몇분자인가? 94 95 탐구 8 해설 1_ 구분 해당 TCA 회로 전자전달계 계 NADH FADH 8 34 10 38 _ 1 분자가해당과 TCA 회로를거치면서 10 개의 와 FADH 가생성되는데, 이것이전자전달계에서 6분자의 O 에의해산화되어 1분자의 H O이생긴다. 또, 이해당되어형성된 분자의 (3 C) 은탈탄산효소의작용을받아 6분자의 가생성된다. H O 이 6분자소모된다. 3_ C H O + 6O +6H O + 38ADP + 38Pi 6 + 1H O +38 (adenosine triphosphate) 는모든생물체의생활에너지로활용되는물질이며, 에너지저장체및운반체이고, 미토콘드리아나엽록체에서생성된다. Ribose Adenine Adenosine triphosphate ` `아데닌 - 리보오스 - 인산 ~ 인산 ~ 인산 C H N C H ºO H PO H PO H PO z11c adenosine 1_ Phosphate groups P ~ P ~ _ 해당, TCA` 회로, 전자전달계 P Hydrolysis Adenosine diphosphate (ADP) P ~ P P Energy ` 고에너지인산결합 ( 각 7.3kcal) 3_ TCA`회로 - 미토콘드리아기질, 전자전달계 - 미토콘드리아내막 4_ 산소가공급되지않으면, 전자전달계의작동이정지되고이어서 TCA`회로도정지된다. Ⅱ. 물질대사 8. 호흡
04 j8 jrj3a. 생물은유기물이산화될때방출되는에너지를 에저장하여이용함으로써얻을수있는이점을토의해보자. 생물이 를이용하는예를들수있다. O 에너지 CO 화력발전소에서는석탄이나석유의화학에너지를가정에서활용하기쉬운전기에너지로전환한다. 세포호흡에서도유기물의화학에너지를활용하기에편리한 로전환시킨다. 1. 생물에서 가이용되는각각의경우마다구체적인예를 가지이상씩말해보자.. 를생활에너지로이용함으로써유리한점은무엇인가? 녹말 물 생물은세포호흡을통해생성된 를어떻게이용할까? 유기물이분해되면서방출되는에너지의 40% 정도는 로전환되 세포 고, 나머지는열에너지의형태로체온의유지등에소모된다. 에저장된에너지는근육수축, 세포막에서의능동수송, 체구성 9 세포는생활에너지를어떻게이용할까? 토의, 조사 1. 그림은생물에서 가생성되고이용되는여러가지경우를나타낸것이다. 각각의경우에해당하는구체적인예를조사해보자. 물질의합성, 발전, 발광등의생명활동에유용하게사용된다. 근수축과같은신체운동에서는근육에저장된 를이용하는데, 운동을계속해도그양에는별차이가없다. 그것은근육에 가부족할때, 근육에저장된크레아틴인산이크레아틴과인산으로분해되면서 를재합성하기때문이다. 세포막안쪽에서바깥쪽으로농도기울기를역행하여나트륨이온을능동수송할때에도 가필요하다. 또한생물체에필요한여러가지물 Ⅰ-. 세포막을통한물질의출입 질을합성하는데에도에너지가사용된다. 근육운동 반딧불이는발광세포속에발광물질인루시페린을가지고있다. 이물질이 와반응하여활성화된후발광효소인루시페라아제와산소에 의해빛을낸다. 물질합성 정답 : 343 쪽 1. 다음중에서 가이용되는경우라고볼수없는것은무엇인가? 능동수송 1 근세포의수축 전기가오리의발전 3 간에서요소의합성 4 폐포에서기체의교환 5 신장에서의재흡수 반딧불이. 다음 ( ) 안에알맞은말을써넣어라. 생물이섭취한유기물은 ( ) 을통하여분해되는데, 이때발생하는에너지는 ( ) 에저장하전기뱀장어였다가유용한활동에이용하고있다. 합성효소 3. 생물에서에너지를이용할때에도에너지보존의법칙이성립한다. 생물에서에너지가전환되는예반딧불이유충를들어에너지보존법칙을설명하여라. 생물에서 가생성되고이용되는경우발광 발전 96 97 탐구 9 해설 1_ 생물은유기물을분해할때발생되는에너지로유동모자이크막을경계로 H± 의농도기울기를형성하고, H± 의농도기울기가가진위치에너지를이용하여 를생성한다. ` 에너지가이용되는예로는근육의운동, 물질의합성, 세포막의능동수송, 반딧불이의발광등에이용된다. _ 에함유된에너지를생활활동에바로사용하는것은비효율적이다. 그이유는, 에함유된에너지가크기때문에그대로사용할경우에너지활용의효율성이낮아지고, 세포에해를미칠수있다. 또한, 많은반응을거쳐야하기때문에신속하게사용하기에어려움이있다. 그러므로을우선산화하여작은에너지저장체인 로전환하여저장하고있으며, 필요시에는신속하게이용하고있다. 1_ 근육운동 : 달릴때다리의근육수축시 ` 물질합성 : 간에서글리코겐의합성시, 리보솜에서단백질합성시 ` 능동수송 : 세포막의 Na±-K± 교환펌프시, 세뇨관에서 의재흡수가일어날때, ` 발전, 발광 : 전기가오리의발전시, 반딧불이의발광시 _ 에너지를운반하기쉽다. 에너지사용의효율성을높일수있다. 언제어디서나신속하게에너지를이용할수있다. 반딧불이의발광 반딧불이의발광세포는발광물질인루시페린 (luciferin) 을갖고있다. 이것이루시페라아제의작용으로활성화된후다시산화되면서빛 ( 냉광, 450`~`650nm) 을발한다. LH + 111 L*H + AMP + PPi ( 루시페린 ) ( 활성루시페린 ) 루시페라아제 L*H +O 111 L*+H O+ 빛 E ( 활성루시페린 ) ( 산화루시페린 ) 1_4 _ 호흡, 3_ 은세포호흡결과 를생성하고열에너지를방출한다. 이때에저장된에너지와열에너지를합하면이가진총에너지와같다. Ⅱ. 물질대사 9. 호흡
05 mvmg 1 urlrwu/f mvmg 1y5 w 단백질과지방이세포호흡에이용되는을설명할수있다. 호흡률을계산할수있다. 10 콩은채식을위주로한우리민족에게단백질이나지방의공급원으로서음식의중요한재료로이용되어왔다. 콩이나고기를통해흡수한단백질과지방이우리몸속에서이용되는과이세포호흡에이용되는은어떻게다를까? 세포호흡에서연료로이용하는탄수화물, 지방, 단백질을호흡기질이라한다. 단백질과지방이세포호흡에서어떻게이용되는지알아보자. 단백질과지방은세포호흡의연료로어떻게이용될까? 자료해석. 유기물이산화될때, 흡수되는산소와방출되는이산화탄소양의상대적인 비율을호흡률이라한다. 다음표는발아중인피마자와밀을그림과같이장 치하여일정시간이경과한후, 피펫속의잉크가이동한거리로기체의변화 량을계산한것이다. 피마자와밀의호흡률을계산해보자. 잉크방울 온도계 잉크방울 수조 피마자 피마자 O O 삼각플라스크 피마자 밀 물 A 3 166 KOH H O B 66 4 A B ( 단위 :ml) 1. 지방과단백질이세포호흡에이용되는경로를설명해보자.. 피마자와밀의호흡률을말해보자. 3. 피마자와밀의기질을설명해보자. 호흡률 (`RQ) = CO 방출량 O 흡수량 A 삼각플라스크 : O `흡수량 B 삼각플라스크 : O `흡수량- CO `방출량 우리가음식물로섭취하는주영양소의호흡률은탄수화물이 1, 지방은 0.7, 단백질은 0.8 정도야! 1. 그림을보고지방과단백질이세포호흡에이용되는경로와탄수화물이이용되는경로를비교해보자. 호흡기질로는주로탄수화물이많이이용되지만, 몸의구성물질인단백질과저장양분인지방이이용되기도한다. 이들기질은적당한형태로변형되어세포호흡의해당이나 TCA 회로로들어가완전히분해되면서이용된다. 각영양소가세포호흡에이용될때, 호흡률은각각다르게나타난다. 그러므로호흡률을계산해보면, 생물의조직에서어떤물질이호흡기질로이용되는지알수있다. 어떤경우에지방이호흡기질로사용될까? 탄수화물 지방 단백질 당 글리세롤 지방산 아미노산 정답 : 343 쪽 아미노기 1. 세포호흡에이용될수없는물질을골라라. 해당작용 아세틸 CoA TCA 회로 전자전달계 1 글루탐산 비타민 D 3 글리코겐 4 5 글리세롤. 지방이어떤물질로전환되어세포호흡에이용되는지말하여라. 3. 어떤생물의호흡률이 0.85였다. 이생물에서호흡기질로어떤물질이이용되었는가? 또, 그렇게말한이유를설명하여라. 98 99 탐구`10 해설 1_ 탄수화물은단당류로분해된다음, 해당, TCA 회로와전자전달계를거쳐분해된다. 지방의분해산물인글리세롤은으로전환된다음 TCA 회로로들어가고, 지방산은 b`-`산화을통해 탄소화합물인아세틸`-`CoA로분해되어 TCA 회로로들어간다. 단백질은아미노산으로분해된다음탈아미노반응에의해 1_ `1 을참조 _ 피마자의호흡률 :0.71, 밀의호흡률 :0.97 3_ 호흡기질탄수화물지방단백질호흡률약 1.0 약 0.7 약 0.8 `피마자의기질은호흡률이 0.7에가깝기때문에호흡기질로대부분지방이이용되었다. 밀의호흡률은 1에가깝기때문에호흡기질로대부분탄수화물이이용되었다. 아미노기를떨어뜨린후이나 a`-` 케토글루타르산으 로전환되어분해된다. _ 세포호흡에서는유기물을산화하기위해 O 를소모하고, 그결과 를방출한다. 호흡률은세포호흡에소모되는 O 의양과 의양의상대적인비율을나타낸것이다. < 피마자의호흡률 > `O 소모량 :3 방출량 :66=3- 방출량 ` 방출량`=3-66=166 호흡률 =;!3^^;=0.71 < 밀의호흡률 > ` O 소모량 :166 방출량 :4=166- 방출량 ` 방출량 =166-4=16 호흡률 =;1!6^6@;=0.97 1 지방은글리세롤과지방산으로분해되고, 글리세롤은으로전환되어 TCA`회로에서분해된다. 지방산은활성아세트산 (C) 의형태로분해된후 TCA`회로에서분해된다. 3_ 탄수화물의호흡률은 1.0, 단백질의호흡률은 0.8, 지방의호흡률은 0.7이다. 따라서호흡률이 0.85라는것은탄수화물, 단백질, 지방이골고루호흡기질로사용되었음을의미한다. Ⅱ. 물질대사 10. 호흡
06 u/famf1ntau/f mvmg1 광합성과호흡을관련지어설명할수있다. 나무가울창한산속을걸으면누구나기분이상쾌해진다. 식물이광합성으로생성한산소를들이마시기때문이다. 광합성과호흡은어떤관련성이있을까?. 광합성과호흡가운데어느한가지가일어나지않는다면생태계가어떻게될지토의해보자. 1. 광합성과호흡은어디에서일어나며, 여기에서이용되는물질은각각무엇인지말해보자.. 태양에너지는최종적으로어떻게되는지설명해보자. 3. 삼림을훼손하여지구의녹지공간이줄어든다면, 생태계에는어떤변화가일어날지설명해보자. 광합성 ( 공통점 ) 호흡 생물은광합성과호흡에서물질과에너지를이용한다. 생물에필요한에너지의근원은태양이다. 생물은식물이광합성을통해전환한화학에너지를호흡에이용한다. 빛에너지이용엽록체 NADP CO 흡수, O 방출 전자전달계 생성이중막 ( 내막주름구조 ) 효소화학반응기체출입 화학에너지이용미토콘드리아 NAD, FAD O 흡수, CO 방출 광합성과호흡은어떤관련을가지는지알아보자. 11 광합성과호흡은어떻게관련되어있을까? 자료해석 1. 그림은광합성과세포호흡에서에너지흐름과물질의순환을나타낸것이다. 광합성과세포호흡이어떻게관련되어있는지생각해보자. 광합성과호흡의공통점과차이점 광합성과호흡은공통점뿐만아니라차이점도가지고있는생화학반응이다. 광합성은무기물에서유기물을합성하는반면에, 호흡은유기물을무기물로분해시키는반응이다. 즉, 광합성은빛에너지를생물이이용할수있는화학에너지로전환하는이며, 호흡은생물이살아가기위해 해당작용, 광합성, 유기호흡이지구상에나타난순서를생각해보자. 그화학에너지를이용하는이다. 태양에너지 생태계, 산소 정답 : 343 쪽 1. 광합성과호흡에서공통점이라고볼수없는것은무엇인가? 열에너 1 전자전달계 세포내에서일어남 3 효소화학반응 4 CO 의방출 5의합성 지. 광합성이일어나는엽록체와호흡이일어나는미토콘드리아의미세구조에서공통점은무엇인가? 광합성 세포호흡 3. 밀폐된공간에동물과식물을함께넣어두면, 각각따로넣었을때보다잘살수있다. 지구생태이산화탄소, 물 계에서도마찬가지이다. 그이유를설명하여라. 에너지흐름과물질의순환 100 101 탐구`1 해설 1_ 생태계에서식물은탄소의순환에중요한역할을하고있다. 식물은대기중의 를이용하여빛에너지를유기물이라는화학적에너지의형태로저장한다. 이것을광합성이라하며, 광합성에는물이함께이용되고산소가방출된다. 광합성결과형성된유기물이모든동 식물의생활활동에너지로이용된다. 동 식물에서에너지를활용하는세포호흡은 O 를소모하여유기물을산화시키며 와물이생성된다. _ 세포호흡이일어나지않는다면, 식물의광합성에의해이산화탄소가부족해질것이고, 대기중에산소의농도가높아질것이다. 결국모든식물들의광합성도일어나지못하게될것이다. 즉, 생태계내에서물질의순환과에너지흐름이일어나지못하고생태계의모든생물들은멸종하게될것이다. 1_ 구분일어나는장소이용되는물질생성되는물질광합성엽록체빛,, H O, O 호흡미토콘드리아, O,, H O _ 열에너지 3_ 녹지공간이줄어들면, 식물의광합성이감소되므로 1차적으로대기중의의농도가증가하고 O 의농도는감소할것이다. 차적으로동물이호흡에곤란을느끼게되고, 온실효과등의환경적문제도발생될것이다. 해당작용, 광합성유기호흡지구의대기환경은꾸준히변화되어왔다. 원시지구의대기에는 O 와 는거의존재하지않고, H, CH, NH, H O 등이존재하는환원성대기의상태였다. 이러한상태에서는유기호흡이나광합성은할수없기때문에해당작용이가장먼저나타났을것이며그후에광합성과유기호흡이나타났을것이다. 1_4 _ 이중막구조로되어있다. 3_ 동식물의호흡을통해발생하는이산화탄소는식물이광합성에이용하면서산소를발생시키고, 산소는다시동식물의호흡에이용될수있어서상호필요한물질을제공하기때문이다. Ⅱ. 물질대사 11. 호흡