생명과학 고3 세포호흡과 광합성 심화

발효

산소 없이 피루브산을 젖산이나 에탄올로 전환하며 NAD+를 재생하는 무산소 호흡이다.

산소가 없을 때 피루브산을 젖산이나 에탄올로 바꾸면서, 해당 과정이 계속 돌아가도록

NA D^{+}

를 되살려 내는 과정입니다.

발효는 에너지를 버는 일이 아니라 설거지입니다. 접시(

NA D^{+}

)가 없으면 요리(해당 과정)를 못 하니, 쌓인 접시를 급하게 씻어 다시 내주는 것입니다.

쉽게 말하면

해당 과정은 산소 없이도 ATP 2개를 만듭니다. 그런데 이 과정에서 $NA D^{+}$ 가 NADH로 바뀝니다. 세포가 가진 $NA D^{+}$ 의 총량은 정해져 있으므로, NADH를 다시 $NA D^{+}$ 로 되돌리지 않으면 해당 과정은 몇 초 안에 재료가 떨어져 멈춥니다.

산소가 있을 때는 미토콘드리아의 전자전달계와 산화적 인산화가 NADH의 전자를 받아 가며 $NA D^{+}$ 를 비워 줍니다. 산소가 없으면 그 길이 막힙니다. 그래서 세포는 궁여지책으로 피루브산에게 전자를 떠넘깁니다. NADH가 피루브산을 환원시키면서 자신은 $NA D^{+}$ 로 돌아오는 것 — 이것이 발효입니다.

동물의 근육 세포와 젖산균은 피루브산을 젖산으로 바꿉니다.

$피루브산 + NADH \to 젖산 + NA D^{+}$

효모는 피루브산에서 $C O_{2}$ 를 먼저 떼어 낸 뒤 에탄올로 바꿉니다.

$피루브산 \to 아세트알데하이드 + C O_{2}, 아세트알데하이드 + NADH \to 에탄올 + NA D^{+}$

두 경우 모두 발효 단계 자체에서는 ATP가 한 개도 만들어지지 않습니다. 발효로 얻는 ATP 2개는 전부 해당 과정의 몫입니다. 젖산과 에탄올에는 아직 많은 에너지가 남아 있는데(그래서 에탄올이 연료로 탑니다), 산소가 없으면 그 에너지를 꺼낼 방법이 없어 그냥 버리는 셈입니다. 산소 호흡이 훨씬 이득인 이유입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

빵이 부풀고 술이 익는 이유

효모의 알코올 발효에서 나오는 $C O_{2}$ 가 반죽 속에 기포로 갇혀 빵을 부풀립니다. 같은 발효의 다른 산물인 에탄올을 얻는 것이 술 빚기입니다. 굽는 동안 에탄올은 대부분 날아가고 기포 자국만 남습니다.
예시 2

요구르트와 김치가 시어지는 이유

젖산균이 당을 젖산 발효로 분해하면서 젖산이 쌓입니다. 젖산은 산이므로 pH가 낮아지고, 그 신맛과 낮은 pH가 다른 세균이 자라지 못하게 막아 음식이 보존됩니다.
예시 3

전력 질주하는 근육

산소 공급 속도가 근육의 ATP 소비 속도를 따라가지 못하면, 근육 세포는 젖산 발효를 켜서 $NA D^{+}$ 를 재생하고 해당 과정을 계속 돌립니다. 효율은 낮지만 빠릅니다. 발효는 열등한 호흡이 아니라 '급할 때 쓰는 비상 발전'입니다.

젖산 발효와 알코올 발효

구분	젖산 발효	알코올 발효
하는 생물	사람의 근육 세포, 젖산균	효모
최종 산물	젖산 (탄소 3개)	에탄올 (탄소 2개)
$C O_{2}$ 발생	나오지 않음	나옴
공통점	$NA D^{+}$ 재생 · 발효 단계의 ATP 생성 없음	$NA D^{+}$ 재생 · 발효 단계의 ATP 생성 없음

자주 하는 오해

발효가 ATP를 만든다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움발효로 ATP 2개를 얻는다

실제로는그 ATP 2개는 해당 과정에서 나온 것입니다. 피루브산이 젖산·에탄올로 바뀌는 발효 단계 자체는 ATP를 만들지 않습니다.

발효의 목적은 에너지 생산이 아니라

NA D^{+}

재생입니다. 오히려 NADH에 실려 있던 에너지를 젖산·에탄올에 담아 버리는 쪽에 가깝습니다. 이 점을 놓치면 '왜 굳이 손해 보는 반응을 하지?'라는 질문에 답할 수 없습니다 — 답은 '그래야 해당 과정이 멈추지 않기 때문'입니다.

발효는 미생물만 하는 특별한 일이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움발효는 효모나 젖산균 같은 미생물의 고유한 대사다

실제로는사람의 근육 세포도 산소가 부족하면 젖산 발효를 합니다.

발효는 '산소가 없을 때 해당 과정을 살려 두는 장치'이므로, 해당 과정을 쓰는 생물이면 누구나 필요한 안전장치입니다. 미생물의 것으로만 기억하면, 격렬한 운동 중 근육에서 왜 젖산이 생기는지를 설명하지 못합니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

해당 과정고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 세포호흡과 광합성

광계 I·II고3 광합성고3 광합성 영향 요인고3 명반응고3 세포 호흡고3 전자전달계와 산화적 인산화고3 탄소 고정 반응(캘빈 회로)고3 해당 과정고3 화학삼투고3 TCA 회로고3

자주 묻는 질문

Q1발효와 무산소 호흡은 같은 말인가요?

학교 교재에서는 대개 같은 뜻으로 씁니다. 다만 엄밀히 보면 발효는 최종 전자 수용체가 유기물(피루브산, 아세트알데하이드)인 반면, 일부 세균의 무산소 호흡은 질산 이온 같은 다른 무기물을 최종 전자 수용체로 쓰고 전자전달계를 사용합니다.

Q2산소가 있으면 효모는 발효를 하지 않나요?

효모는 산소가 충분하면 산소 호흡을 합니다. ATP를 훨씬 많이 얻을 수 있기 때문입니다. 술을 빚을 때 통을 막아 두는 것도 산소를 차단해 알코올 발효 쪽으로 몰기 위해서입니다.

Q3젖산은 그대로 남나요?

아닙니다. 산소가 다시 충분해지면 젖산은 피루브산으로 되돌아가 미토콘드리아에서 정상적으로 산화될 수 있습니다. 발효는 버리는 것이 아니라 잠시 미뤄 두는 것에 가깝습니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 생명과학 · 세포호흡과 광합성 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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산소가 있을 때 NADH가 어떤 대접을 받는지 보면 발효가 왜 '차선책'인지 분명해집니다. 전자전달계와 산화적 인산화를 열어 보세요.

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