02 발효

1. 산소 호흡과 발효

⑴ 산소가 충분할 때: 피루브산은 미토콘드리아로 들어가 피루브산 산화, TCA 회로, 산화적 인산화를 거쳐 CO₂와 H₂O로 완전히 분해되며, 해당 과정에서 생성된 NADH도 미토콘드리아로 들어가 산화적 인산화를 통해 ATP 합성에 이용된다.

⑵ 산소가 부족할 때: 산화적 인산화에서 전자의 최종 수용체로 작용하는 산소가 없을 때, NADH가 NAD⁺로 최종 산화되지 못해 NAD⁺가 고갈되므로 결과적으로는 해당 과정도 중단될 수 있다. 이때, 피루브산과 NADH는 미토콘드리아로 들어가지 못하고 세포질에 남아 발효에 이용된다. 발효의 과정에서는 해당 과정을 지속하기 위한 NAD⁺의 재생이 일어나며, 피루브산이 CO₂와 H₂O로 최종 분해되지 못하고 중간 산물(알코올, 젖산 등)이 발생한다. ATP의 생산은 해당 과정의 기질 수준 인산화에 의해서만 일어난다.

⑶ 발효의 의의

① 1분자의 포도당이 발효로 분해되면 해당 과정의 기질 수준 인산화에 의해 2ATP가 생성된다.

② 산소가 없는 상태에서는 해당 과정에서 생성된 NADH가 전자 전달계에서 사용되지 못하여 NAD⁺로 산화되지 않는다. 즉, 발효가 일어나지 않으면 해당 과정에 필요한 NAD⁺가 고갈되어 포도당이 공급되어도 해당 과정이 중단된다.

③ 발효로 NADH가 NAD⁺로 산화되고, NAD⁺는 다시 해당 과정에 사용될 수 있다.

2. 발효 과정

⑴ 알코올 발효

① 해당 과정에서 생성된 피루브산으로부터 아세트알데하이드와 CO₂가 생성된다.

② 아세트알데하이드는 NAD⁺의 재생 과정에서 H⁺과 전자를 받아 에탄올로 환원된다.

③ 효모에 의해 일어나고, 각종 술, 빵 등의 제조에 이용된다.

④ 해당 과정에서 2ATP가 생성된다.

⑵ 젖산 발효

① 해당 과정에서 생성된 피루브산이 NAD⁺의 재생 과정에서 수소를 받아 젖산으로 환원된다.

② 사람의 근육 세포에서 산소 호흡에 필요한 산소가 충분하지 않을 때 젖산 발효가 일어난다. 과도한 운동으로 인해 근육 세포에 O₂ 공급이 부족해지면 젖산 발효를 통해 ATP가 합성된다. 근육 세포에 축적된 젖산은 혈액을 통해 간으로 운반된 후 피루브산으로 전환되어 산소 호흡에 이용되거나 포도당으로 전환된다.

③ 젖산균의 젖산 발효는 김치, 요구르트, 치즈 등을 만드는데 이용된다.

④ 해당 과정에서 2ATP가 생성된다.

• 아세트산 발효

포도주나 막걸리를 뚜껑을 열어 보관했을 때 신맛이 난다. 이는 아세트산균에 의해 막걸리나 포도주에 들어 있는 에탄올이 아세트산으로 변하기 때문이다.

C₂H₅OH+O₂ → CH₃COOH+H₂O+소량의 ATP

이와 같은 과정을 아세트산 발효라고 하며, 식초를 만들 때 이용된다. 아세트산 발효는 알코올 발효나 젖산 발효와 달리 산소를 이용하나 에탄올이 이산화 탄소와 물로 완전히 분해되지 않고 중간 산물인 아세트산이 생성되기 때문에 발효로 구분된다.

• 발효의 이용: 발효는 식품 산업, 화장품, 염색약, 바이오 에너지 분야 등에 이용된다.

참고자료: 지학사 생명과학2 교과서, EBS 수능특강 생명과학2