호흡

호흡은 생명체가 몸 안팎으로 기체를 교환하여 생존에 필요한 에너지를 얻는 과정으로, 이는 고세균과 세균 등의 원핵생물로부터 원생생물, 균류, 식물 및 동물을 비롯한 진핵생물까지 모든 유기체에서 공통적으로 나타난다. 생명체의 호흡은 기체 교환의 범위와 방법에 따라 외호흡, 내호흡 및 세포호흡으로 구분할 수 있다.¹⁾

목차

동물의 외호흡은 산소 기체를 생물체 내로 받아들이고 이산화탄소를 배출하는 과정으로 다양한 방식으로 이루어진다. 호흡 기관이 없는 경우에는 피부 또는 표피를 통한 기체의 확산으로만 호흡이 가능하다. 효율적인 호흡을 위하여 특수하게 발달한 호흡 기관으로는 곤충의 기관, 어류의 아가미 및 포유동물의 호흡기관계 등 다양한 호흡계를 들 수 있다.

식물과 동물의 외호흡 (출처:한국식물학회)

외호흡은 산소 기체가 어떻게 생물체 내로 유입되는지를 설명하지만 산소가 세포 내에까지 이르게 되는지에 대한 설명은 하지 못한다. 반면, 내호흡은 산소와 이산화탄소와 같은 기체가 혈액과 조직 사이로 이동하는 과정을 설명할 수 있다. 허파로 유입된 산소는 폐포(허파꽈리)의 얇은 상피를 가로질러 폐포 주위의 모세혈관으로 확산되고 동시에 이산화탄소는 반대 방향(모세혈관에서 폐포)으로 확산된다. 산소를 함유한 혈액은 순환계를 따라 몸을 구성하고 있는 세포 및 조직으로 고루 전달된다.

내호흡으로 세포에 전달된 산소는 세포호흡에서 사용된다. 소화기관을 통하여 소화되고 순환기관을 거쳐 세포에 전달된 영양분과 산소가 만나 세포호흡을 거쳐 에너지를 생성한다. 세포호흡에서는 일련의 복잡한 화학반응을 거쳐, 소화 산물인 포도당과 산소가 이산화탄소, 물 그리고 ATP로 전환된다. 세포호흡에서 생성된 ATP는 근육의 수축, 세포 분열, 세포의 이동 및 물질 합성 등의 다양한 세포 기능 수행에 에너지로 공급된다.

세포호흡은 산소의 존재 여부와 전자수용체에 따라 유기호흡, 발효 및 무기호흡의 세 종류의 호흡으로 나뉜다.²⁾

세포 호흡 (출처:한국식물학회)

산소를 사용하는 보편적인 세포호흡으로 세포질의 해당과정, 미토콘드리아 기질의 크렙스 회로(시트르산 회로) 및 미토콘드리아 내막의 전자전달계로 구성되며 산화적 인산화를 거쳐 ATP를 합성한다.³⁾

산소 공급이 제한될 경우 산화적 인산화가 일어나기 어려우므로 생물은 세포질에서 일어나는 해당과정에서 생성되는 소량의 ATP에만 의존하게 된다. 산소 부족으로 인하여 해당과정의 산물인 피루브산이 미토콘드리아에 들어가지 못하거나 전자전달계에 전자를 전달하지 못하게 되는 경우에 발효 반응이 일어난다. 발효를 하는 세포는 탄수화물을 작은 분자로 산화하는 과정에서 포도당 한 분자 당 2개에 불과한 낮은 효율이지만 ATP를 획득한다. 발효에는 근육세포에서 볼 수 있는 젖산발효와 효모의 에탄올발효가 있다. 젖산발효에서는 해당과정의 최종 산물인 피루브산을 젖산으로 전환하며 NAD+를 해당과정으로 되돌려 보냄으로써 ATP를 생성할 수 있도록 한다. 에탄올 발효에서는 피루브산이 에탄올과 이산화탄소로 산화되며 이 과정에서 젖산발효와 같이 NAD+를 해당과정으로 되돌려 보냄으로써 소량의 ATP 생성이 지속되도록 한다. 에탄올 발효는 식물, 효모 및 일부 세균에서 관찰된다.⁴⁾

산소가 없는 환경에서 일어나는 호흡으로 산소 대신 다른 물질, 예를 들면 질산, 황, 철 또는 이산화탄소 등이 최종 전자수용체로 사용된다. 산소 대신 다른 전자수용체가 사용된다는 점을 제외하고 전자전달계를 이용하여 전기화학적 기울기를 만들어 궁극적으로 다량의 ATP를 합성할 수 있다는 점에서 유기호흡과 상당히 많은 공통점을 가진다. 대부분의 무기호흡 생물은 산소가 있으면 살 수 없는 절대혐기성 생물(obligate anaerobe)이지만 산소가 있을 때는 유기호흡을 하는 생물도 다수 존재한다.⁵⁾⁶⁾

1. 생명과학교재편찬회 (2015) 생명과학 지구의 생명. 탐구당 637
2. Gnaiger E, Steinlechner-Maran R, Méndez G (1995) Control of mitochondrial and cellular respiration by oxygen. Journal of Bioenergetics and Biomembranes. 27: 583–596
3. Ochs RS (2014) Biochemistry. Jones and Bartlett Learning. pp 181-182
4. Campbell MK, Farrell SO (2012) Biochemistry. Brooks/Cole, Cengage Learning. pp 499-503
5. Nealson KH, Saffarini D (1994) Iron and Manganese in Anaerobic Respiration: Environmental Significance, Physiology, and Regulation. Annual Review of Microbiology 48: 311-343
6. Hedderich R, Klimmek O, Kröger A (1998) Anaerobic respiration with elemental sulfur and with disulfides. FEMS Microbiology Reviews 22: 353–381