세포 호흡과 광합성의 비교와 에너지 전환

핵심 정리

세포 호흡과 광합성은 생물 안에서 에너지가 흐르는 두 개의 큰 경로다. 광합성은 식물과 일부 생물이 빛에너지를 화학 에너지로 바꾸어 포도당 같은 유기물에 저장하는 과정이다. 세포 호흡은 저장된 유기물의 화학 에너지를 꺼내 ATP를 합성하는 과정이다. 세포 호흡에서 포도당의 에너지를 이용해 ATP가 합성된다. 두 과정은 에너지의 전환 방향이 반대이며, 반응물과 생성물도 서로 뒤바뀐다.

식물 세포에서는 광합성과 세포 호흡이 모두 일어난다.식물 세포에서는 광합성과 세포 호흡이 모두 일어난다. 두 과정은 낮과 밤, 또는 빛의 세기에 따라 우세해지는 정도가 달라질 뿐, 식물 세포 안에서 함께 진행된다. 따라서 식물의 에너지 흐름을 이해하려면 두 과정을 한 세포 안에서 연결해서 보아야 한다.

광합성의 명반응과 암반응에는 산화 환원 효소가 관여한다. 광합성에서 방출되는 산소는 물에서 유래한다.광합성에서 방출되는 산소는 물에서 유래한다. 반면 세포 호흡에서는 전자가 최종적으로 산소에게 전달된다. 세포 호흡의 최종 전자 수용체는 산소이다.세포 호흡의 최종 전자 수용체는 산소이다. 피루브산 산화와 TCA 회로 과정에서는 모두 탈탄산 반응이 일어난다.

자세히

세포 호흡은 세 단계로 나누어 이해한다. 첫 단계는 세포질에서 일어나는 해당 과정이다. 포도당 한 분자가 두 분자의 피루브산으로 분해되며, 이 과정에서 ATP와 NADH가 소량 만들어진다. 해당 과정에 들어가는 물질은 포도당만이 아니다. 지방은 가수분해되어 글리세롤과 지방산이 되는데, 글리세롤은 해당 과정으로 들어가고 지방산은 아세틸 CoA로 분해되어 TCA 회로로 들어간다.

두 번째 단계는 미토콘드리아의 기질에서 일어나는 피루브산 산화와 TCA 회로다. 피루브산은 이산화탄소를 방출하며 아세틸 CoA가 되고, 아세틸 CoA는 TCA 회로에서 완전히 산화되어 CO₂와 전자를 내놓는다. 이때 만들어진 NADH와 FADH₂가 세 번째 단계로 전자를 전달한다. 세 번째 단계인 전자 전달계는 미토콘드리아의 내막에서 일어나며, 전자가 최종적으로 산소에 전달되어 물이 생성되고 이때 방출되는 에너지로 ATP 합성 효소가 대량의 ATP를 만든다. 산소가 없으면 전자 전달계가 멈추므로 세포 호흡 전체가 제한된다.

광합성은 명반응과 암반응으로 나뉜다. 명반응은 틸라코이드 막에서 일어난다. 빛을 흡수한 광계가 물을 분해하여 산소를 방출하고, 전자 전달 과정에서 ATP와 NADPH를 만든다. 이때 방출되는 산소는 물에서 온 것이다. 암반응은 스트로마에서 일어나는 캘빈 회로이며, 명반응에서 만들어진 ATP와 NADPH를 사용하여 CO₂를 고정하고 포도당을 합성한다. 따라서 광합성의 두 단계 모두 산화 환원 반응의 연속이며, 두 단계 모두 효소가 관여한다.

두 과정의 차이는 아래 표로 정리할 수 있다.