핵심 개념
식물의 호흡은 광합성을 통해 생산된 유기물(포도당)을 산화시켜 생명 유지와 생장에 필요한 화학 에너지인 ATP를 생성하는 과정입니다. 이 과정에서 산소를 흡수하고 이산화탄소와 물을 배출하며, 광합성과 달리 24시간 내내 모든 살아있는 세포에서 일어납니다. $C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + Energy(ATP)$
호흡의 3단계 과정
- 해당과정(Glycolysis): 세포질에서 진행되며 6탄소 화합물인 포도당이 3탄소 화합물인 피루브산으로 분해되는 단계입니다.
- TCA 회로(Krebs Cycle): 미토콘드리아 기질에서 피루브산이 이산화탄소로 완전히 분해되며 전자전달체(NADH, FADH2)를 생성하는 단계입니다.
- 전자전달계(Electron Transport Chain): 미토콘드리아 내막(크리스태)에서 산소를 최종 전자 수용체로 사용하여 다량의 ATP를 생성하고 물을 형성하는 단계입니다.
호흡에 영향을 미치는 요인
- 온도: 온도가 상승함에 따라 호흡률이 증가하며, 통상 10도 상승 시 호흡 속도가 약 2배 증가하는 $Q_{10}$ 법칙이 적용됩니다.
- 산소 농도: 대기 중 산소 농도(약 21%)에서는 정상적이나, 5% 이하로 낮아지면 호흡이 억제되고 산소가 없으면 무기호흡(발효)이 일어납니다.
- 조직의 연령: 생장 활동이 왕성한 어린 조직(분열조직, 어린 잎)은 노쇠한 조직보다 호흡률이 훨씬 높습니다.
- 상처 및 스트레스: 수목에 상처가 나거나 병원균이 침입하면 방어 기작을 수행하기 위해 일시적으로 호흡량이 급증합니다.
광합성과 호흡의 비교
| 구분 | 광합성 | 호흡 |
|---|---|---|
| 장소 | 엽록체 | 세포질 및 미토콘드리아 |
| 시기 | 빛이 있을 때만 | 24시간 계속 |
| 에너지 | 에너지 저장 (동화 작용) | 에너지 방출 (이화 작용) |
| 원료 | 이산화탄소, 물 | 유기물, 산소 |
| 생성물 | 유기물, 산소 | 이산화탄소, 물, ATP |
시험 포인트
- 광호흡(Photorespiration)은 빛이 있을 때 Rubisco 효소가 산소와 반응하여 유기물을 소모하는 과정으로, 수목의 생산성을 저하시키는 요인입니다.
- 수목의 전체 호흡량은 유지호흡(현존 조직 유지)과 생장호흡(새로운 조직 형성)의 합으로 계산됩니다.
- 토양의 배수 불량으로 인한 산소 부족은 뿌리의 무기호흡을 유발하여 에탄올 등 독성 물질을 축적시키고 뿌리 고사를 초래합니다.
- 겨울철 상록수는 온도가 영하로 내려가면 호흡량이 극도로 낮아지지만 멈추지는 않으며, 이를 통해 세포의 생존을 유지합니다.
관련 용어
- ATP(Adenosine Triphosphate): 세포 내 에너지 전달 분자.
- $Q_{10}$: 온도가 10도 변함에 따른 반응 속도의 변화 비율.
- 무기호흡: 산소 없이 유기물을 분해하여 적은 양의 에너지를 얻는 과정.
- 호흡 기질: 호흡에 사용되는 유기물로 주로 탄수화물이 이용되나 지방이나 단백질도 사용 가능함.