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고등학교 2~3학년 (16-18세)

세포 호흡

Cellular Respiration

세포 호흡은 포도당을 여러 단계에 걸쳐 조금씩 분해하면서, 거기서 나오는 에너지를 ATP 에 담는 과정이에요. 세포질의 해당 과정에서 포도당이 피루브산 두 분자로 나뉘고, 산소가 있으면 피루브산이 미토콘드리아로 들어가 TCA 회로와 전자 전달계를 거치면서 포도당 1분자당 최대 약 32 ATP 가 만들어져요. 산소가 없으면 전자 전달계가 멈추고 해당 과정만 돌아가는 발효가 일어나 ATP 를 2분자밖에 얻지 못하며, 사람의 근육 세포에서는 젖산이 생겨요. 그림에서는 산소 공급을 100%에서 0%까지 줄이면서 TCA 회로와 전자 전달계에서 나오는 ATP 가 함께 줄고, 피루브산이 젖산 쪽으로 넘어가는 모습을 볼 수 있어요.

포도당을 천천히 태워 에너지를 얻다

🔥 세포 호흡은 느린 연소
①나무가 타면 그 에너지가 한꺼번에 열과 빛으로 흩어진다
②세포는 포도당을 여러 단계로 나누어 조금씩 산화시키고, 나오는 에너지의 일부를 ATP 에 담는다
③최종 산물은 연소와 같은 이산화 탄소와 물이지만, 효소가 한 단계씩 진행시키므로 세포가 상하지 않는다

세포 호흡의 세 단계

100%
💡 산소를 줄이면
①산소가 충분하면 해당 과정 2 + TCA 회로 2 + 산화적 인산화 약 28 로, 포도당 1분자당 최대 약 32 ATP 가 나온다
②산소가 줄면 전자 전달계의 마지막 전자 수용체가 모자라 전자 전달계와 TCA 회로가 함께 느려진다
③남는 피루브산은 젖산으로 바뀌는데(젖산 발효), 이 과정에서 NAD⁺ 가 다시 만들어져 해당 과정이 계속 돌아간다
④산소가 전혀 없으면 해당 과정의 2 ATP 만 남아, 같은 에너지를 얻으려면 포도당을 16배 가까이 더 써야 한다

핵심 반응

세포 호흡 전체 반응식
C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O → 6CO₂ + 12H₂O + 에너지 (최대 약 32 ATP)
NADH 1분자당 약 2.5 ATP, FADH₂ 1분자당 약 1.5 ATP 로 셈한 값이다(예전 교재는 3 · 2 로 셈해 38 이라 적기도 한다)

호흡 단계 비교

세포 호흡 세 단계 비교
단계장소기질산물ATP
해당 과정세포질포도당피루브산 2분자, NADH 22
TCA 회로미토콘드리아 기질피루브산 → 아세틸 CoACO₂, NADH, FADH₂2
전자 전달계 (산화적 인산화)미토콘드리아 내막NADH, FADH₂, O₂H₂O약 28

발효: 산소 없이 ATP 얻기

발효 비교

알코올 발효와 젖산 발효
구분알코올 발효젖산 발효
생물효모젖산균, 사람의 근육 세포
최종 산물에탄올 + CO₂젖산
ATP포도당 1분자당 2분자포도당 1분자당 2분자
쓰임빵, 술요구르트, 김치 (젖산균)

예제와 기출로 점검

예제 1
산소가 충분한 조건에서 포도당 1분자가 완전히 분해될 때 만들어지는 ATP 는 최대 약 몇 분자인가? (NADH 1분자당 2.5 ATP, FADH₂ 1분자당 1.5 ATP 로 계산한다)
1
해당 과정에서 2 ATP, TCA 회로에서 2 ATP 가 기질 수준 인산화로 만들어진다.
2
포도당 1분자에서 NADH 10분자와 FADH₂ 2분자가 생기므로, 산화적 인산화로 10 × 2.5 + 2 × 1.5 = 28 ATP 가 만들어진다.
3
2 + 2 + 28 = 32
▸ 최대 약 32 ATP
ATP 의 대부분(28분자)이 전자 전달계를 거치는 산화적 인산화에서 나온다. 그래서 그림에서 산소를 0%로 줄이면 전자 전달계 상자가 꺼지고, 해당 과정의 2 ATP 만 남는다.
예제 2
격렬한 운동으로 산소가 부족해진 사람의 근육 세포에서 일어나는 발효의 이름, 최종 산물, 포도당 1분자당 얻는 ATP 수를 쓰시오.
1
사람의 근육 세포는 산소가 부족하면 젖산 발효를 한다.
2
포도당은 해당 과정을 거쳐 피루브산이 되고, 피루브산은 NADH 에서 전자를 받아 젖산으로 바뀐다.
▸ 젖산 발효, 최종 산물은 젖산, ATP 는 2분자
발효에서는 해당 과정만 ATP 를 만들므로 포도당 1분자당 2 ATP 뿐이다. 피루브산을 젖산으로 바꾸는 단계는 ATP 를 만들지 않지만, NAD⁺ 를 되돌려 놓아 해당 과정이 멈추지 않게 한다.
수능 유형
사람의 세포 호흡에 대한 설명으로 옳은 것은?
①해당 과정은 미토콘드리아 기질에서 일어난다.
②TCA 회로에서 CO₂ 가 방출된다.
③전자 전달계는 산소가 없어도 진행된다.
④해당 과정에서 가장 많은 ATP 가 만들어진다.
⑤젖산 발효는 미토콘드리아에서 일어난다.
▸ ② TCA 회로에서 CO₂ 가 방출된다.
1
TCA 회로(미토콘드리아 기질)에서 탄소가 산화되어 CO₂ 가 방출되고 NADH 와 FADH₂ 가 만들어진다.
2
해당 과정은 세포질에서 일어나고(①), 전자 전달계는 O₂ 가 있어야 진행되며(③), ATP 는 전자 전달계를 거친 산화적 인산화에서 가장 많이 나오고(④), 발효는 세포질에서 일어난다(⑤).

총정리

산소 호흡
최대 약 32 ATP
산소가 있을 때 (포도당 1분자당)
발효
2 ATP
산소가 없을 때 (포도당 1분자당)
🎯 시험 포인트
①해당 과정: 세포질, 포도당 → 피루브산 2분자, ATP 2분자 (산소 불필요)
②TCA 회로: 미토콘드리아 기질, CO₂ 방출, NADH · FADH₂ 생성
③전자 전달계: 미토콘드리아 내막, O₂ 필요, 산화적 인산화로 가장 많은 ATP 생성
④산소가 부족하면 발효(알코올 발효, 젖산 발효)가 일어나고 해당 과정의 2 ATP 만 얻는다
⑤전자 전달계의 마지막 전자 수용체는 O₂ 이고, O₂ 는 물(H₂O)이 된다
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