발효

서론

생물은 살아가는데 필요한 에너지를 호흡을 통해 얻어야한다. 대부분의 세포활동을 위한 에너지원은 화학에너지인 ATP이다. 이 ATP를 가수분해하는 과정에서 발생하는 에너지는 생명활동에 필요한 다양한 대사활동을 일으키는데 이용된다.

ATP는 어디에서 얻어지는가? ATP는 음식물에서 직접 얻을 수 없으므로, 세포 내부에서의 생화학반응을 통해서 음식물의 결합에너지로부터 변환시켜야한다. 이와 같은 세포 내의 생화학 반응은 포도당을 기본 물질로 해당과정과 세포호흡 과정을 통해 ATP로 전환하는 과정이다. 해당과정은 산소를 이용하지 않는 무산소 과정이지만, 세포호흡은 산소를 이용하는 반응이다. 본 실험에서는 효모를 이용한 알코올 발효현상을 관찰하기로 한다.

⑴ 유기물을 에너지원으로 이용하여 성장하는 생물들은 유산소 호흡ㆍ무산소 호흡ㆍ발효의 3가지 서로 다른 대사방법을 통하여 생명활동에 필요한 에너지를 만들고 있다. 유산소 호흡은 유기물로부터 에너지를 만드는 과정에서 전자전달계를 거친 최종 전자의 수용체로서 산소를 이용한다. 무산소 호흡은 산소가 없는 환경에서 세포의 외부로부터 공급된 탄산가스, 황산염이온, 유황, 질산염이온, 푸마르산 등의 산화된 무기물 또는 유기물을 전자전달계에서 방출되는 전자의 수용체로 이용한다. 이들 두 과정을 통해 ATP가 만들어지는 것을 인산화라 한다.

⑵ 발효는 전자전달계에서 방출된 전자의 수용체로서 산소 또는 기타의 성분을 요구하지 않는다. 발효과정은 에너지원으로 이용하는 유기물질 자체가 효소에 의해 산화, 환원되면서 에너지를 방출하는 대사방법이다. 이와 같은 과정을 통해 ATP가 만들어지는 것을 기질수준의 인산화라고 한다. 진핵세포생물의 경우에는 무산소 호흡 현상은 찾아볼 수 없고, 유산소 호흡은 미토콘드리아에서 이루어지고, 발효는 세포질에서 일어난다. 비록 유산소 호흡을 하는 동물일지라도 격렬한 운동을 할 때에는, 근육세포에서 유산소 호흡뿐만 아니라 젖산을 생산ㆍ분비하는 젖산발효를 병행하기도 한다. 세포 소기관이 없는 원핵세포 생물의 경우에는 유산소 호흡, 무산소 호흡, 발효가 모두 세포질에서 진행된다.

생물에 의한 발효현상을 관찰하는 데에는 알코올발효과정을 통하여 탄수화물로부터 에탄올과 탄산가스를 생산하여 세포 밖으로 내버리는 효모를 이용하는 방법을 보편적으로 이용하고 있다. 특히 포도쥬스는 탄수화물과 아미노산을 많이 함유하고 있으며 삼투압도 낮기 때문에 효모의 성장을 위한 좋은 배지 및 알코올성 음료의 생산에 대한 간단한 실험 재료로 사용할 수 있다.

1) 해당과정(glycolysis)

해당과정(glycolysis)은 개략적으로 볼 때 한 분자의 포도당이 일련의 반응을 거쳐 2분자의 피루브산으로 분해되면서 ATP와 NADH+H+를 생성하는 과정으로 세포질 내에서 일어난다. 이것은 지구상에 있는 대부분의 생물에 공통적으로 존재하고 있으며, 세포호흡이나 무산소 조건 모두에서 일어난다. 산소를 필요로 하지 않으므로 생명의 진화 과정 초기에 출현했다고 추정된다.

해당과정은 먼저 에너지를 투입하는 전반부와 에너지를 얻는 후반부로 나뉘다. 전반부에는 2분자의 ATP를 투자하여서, 포도당 한 분자가 여러 특정 효소에 의해 인산과 에너지를 받아 두 분자의 G3P(glyceraldehyde-3-

phosphate)로 분해된다. 다음 후반부에서는 G3P(3C)가 피루브산(3C)으로 되는 과정에서 NAD+가 NADH+H+으로 환원되고 인산기가 결합하여 2ATP가 생성된다. 결과적으로 해당과정 중에는 1분자의 포도당이 분해되어 2분자의 피루브산으로 되면서 2ATP와 2NADH+2H+가 생성된다. 해당과정의 최종 산물인 피루브산은 알콜발효, 젖산발효, 세포호흡 등 다양한 생화학반응 경로로 들어가기 때문에 세포 대사에서 대단히 중요한 대사물질이다.

2) 세포 호흡(cellular respiration)

보통 산소를 체내로 받아들이고 이산화탄소를 체외로 배출하는 과정을 호흡이라고 하지만, 좀 더 엄밀하게는 산소를 이용하여 전자전달계를 통한 산화 환원과정을 거쳐 에너지를 얻는 과정을 말한다. 산소가 존재할 때 진핵세포의 호흡은 세포 내의 미토콘드리아에서 수행되며, 해당과정의 산물인 피루브산이 시트르산 회로와 전자전달계를 거치면서 에너지를 얻을 수 있게 된다. 대개 직접 ATP를 만들기보다는 해당과정과 시트르산 회로에서 만들어진 NADH+H+를 산소를 이용해 전자전달계에서 산화시켜 26-28개 정도의 ATP를 만든다. 전자의 최종 수용체로 산소를 이용하는 호흡과정을 수행하면 해당과정에 비해 더 많은 에너지를 얻을 수 있으나 산소가 없어지면 시트르산 회로와 전자전달계를 사용할 수가 없게 된다.

< 피루브산 산화와 시트르산 회로 >

3) 발효(fermentation)

일반적으로 미생물을 이용하여 유용한 물질을 만들어내는 과정을 일컫는데 사용되나, 생물학에서는 산소가 없거나 적은 환경에서 해당과정에서 소비된 NAD, FAD등의 환원력(reducing power)을 재생시키고 ATP를 생산하기 위해서 수행되는 과정을 말한다. 산소가 없어지면 해당과정에서 사용한 NAD, FAD등을 재사용할 수 없으며 ATP생산도 중단된다. 그렇기 때문에 산소가 없는 조건에서 살고 있는 몇몇 세균은 유기물인 피루브산을 효소를 통해 환원시키고 다시 그 산물을 산화시킨다. 이 과정에서 NAD. FAD를 다시 환원시킬 수 있다. 따라서 물질 (pyruvate)의 산화/환원 상태에는 변화가 없으며, 해당과정에서 소비된 전자전달물질을 원래의 상태로 되돌리면서 결과적으로 ATP를 생성할 수 있게 된다.

발효가 가지고 있는 또 다른 특성은, 지속적으로 ATP를 생성하기 위해 해당과정을 하도록 한다는 것이다. 이 경우 세포호흡처럼 많은 양의 ATP는 아니지만 기질수준인산화로부터 얻는 ATP 양만큼만 얻게 된다. 그러나 발효를 할 수 있는 세포가 무산소 상태가 될 때 해당과정의 속도는 10배 또는 그 이상으로 빨라지므로 포도당 단일분자당 ATP 분자로 환산한 효율이 산소호흡과 비교해서 크게 감소될지라도 ATP 생성의 실제 속도가 유지된다.

많은 형태의 발효가 서로 다른 세균과 진핵생물의 체세포에 의해 이루어진다. 이런 서로 다른 발효는 최종산물의 생성에 의해서 구별되어 종류와 대사기작에 따라 구별된다. 대표적으로 알코올이 생성되는 알코올 발효 ethanol fermentation와 같이, 젖산 발효(lactate fermentation), 프로피온산 발효(propionic acid fermentation), 아세트산 발효(acetate fermentation), 혼합산 발효(mixed acid fermentation) 등 다양한 발효과정이 존재한다.

※ 효모(Saccharomyces cerevisiae)

미생물 연구에 많이 사용하는 단세포의 진핵생물로 분류학적으로는 균계의 자낭균 (Ascomycetes)에 속한다. 크기 8 μm의 타원형인 세포이며, 꽃의 꿀샘이나 과실의 표면과 같은 당농도가 높은 곳에 많이 생육하고 있다. 당을 발효시켜 에탄올과 이산화탄소를 생산하는 성질 때문에 맥주의 제조나 빵의 발효에 이용된다. 효모의 세포벽은 주로 글루칸과 만난에 의하여 구성되며, 그 밖에 지질 ·단백질과 소량의 키틴질을 함유한다. 세포 내에는 핵 ·미토콘드리아 ·액포 ·글리코겐 과립을 가지며, 발효와 호흡 모두 가능하다.

1. 실험 목표 :  미생물(효모)을 이용한 발효 과정을 관찰하고, 발효의 조건을 알아본다.

2. 준 비 물

큐네 발효관, 비커, 스포이드, 시험관, 탈지면, 효모, 녹말 용액, 설탕 용액, 포도당 용액

3. 실험 과정

(1) 건조시킨 효모 8g을 70mL의 물의 비커에 풀어 효모액을 만든다.

(2) 1% 녹말, 5% 설탕, 5% 포도당 용액 30mL 씩을 준비하여 각각에 효모액 15 mL 씩을 넣는다. (Falcon tube 45ml 눈금에 맞춰서 붓고 잘 흔들어 줄 것)

(3) 혼합액을 발효관에 넣는다. 이때 맹관부에 기포가 들어가지 않도록 한다.

(3) 맹관부에 기포가 들어가지 않도록 발효관을 세운 다음 발생하는 기체의 부피를 2분 간격으로 기록한다. (관찰 시 방대쪽에 기포가 발생하여 넘치려 할 경우 파이펫으로 일정량 덜어내어 넘침을 방지한다.)

5. 토의 및 고찰

(1) 어떤 용액에서 기체가 많이 발생하였는가? 그 이유를 설명하여 보자.

(2) 설탕을 호흡 기질로 사용할 수 있는 이유는 효모에 어떤 효소가 있기 때문인가?

(3) 기체를 보다 잘 발생시키기 위해서 어떤 조건이 필요한가?