효소들은 많은 생리학적 반응에 관여하고 더불어 항상성 상태를 촉진한다. 더구나 효소들은 근육수축, 신경세포기능, 그리고 화학적인 신호변환과 같은 광범위한 일들에 필요한 세포에너지(ATP)의 조절된 생성을 위해서도 반드시 필요하다. 세포는 연료분자들의 분해로부터 방출된 에너지를 ATP에 전달하기 위하여 득특하면서도 서로 연관된 세가지 대사경로들을 사용한다. 이러한 세가지 대사경로는 1) 해당과정 2) 크렙스 회로 3) 산화적인산화이다.
다음절에서 우리는 세포내에서 대사경로 효소들의 위치, ATP 생성을 위한 각각 경로의 상대적인 역할, 이산화탄소 형성과 산소가 이용되는 자리들, 그리고 각각의 경로에 출입하는 주요 분자들을 포함, 이들 세가지 경로들의 중요한 특징들을 탐구할 것이다.
기억할 것
첫째, 해당과정은 단지 탄수화물들에서만 작용
둘째, 탄수화물 및 지질, 단백질과 같은 모든 영양소들을 크렙스 회로와 산화적 인산화를 경유하여 ATP를 생성
셋째, 미토콘드리아에서 크렙스 회로와 산화적 인산화가 일어남.
넷째, 크렙스 회로와 산화적 인산화반응은 산소를 필요로 하지만 해당과정은 산소의 유무에 관계없이 일어날 수 있음.
1. 세포의 에너지 전달과정
1) 해당과정(Glycolysis)
해당과정이란 탄수화물 주로 포도당을 부분적으로 분해하는 경로
해당과정은 6개의 탄소원자로 이루어진 포도당 한분자를 3개의 탄소원자로 이루어진 2개의 이온화된 형태인 피부르산 분자로 전환하는 10가지 효소반응으로 구성. 이 반응은 두분자의 ATP, NDA+로 이동된 2개의 수소원자, 수소이온으로 방출된 2개의 원자 총 4개의 수소원자를 생성
포도당 + 2 ADP + 2Pi +2NAD+ --> 1 피루브산 + 2ATP + 2NADH + 2H+ +2H2O
산소분자를 전혀 이용하지 않는 이들 10가지 반응은 세포질에서 일어난다. 포도당과 마지막 생성물인 피루브산 사이의 모든 중간체들은 하나 또는 그 이상의 이온화된 인산기를 가지고 있음에 주목하자. 원형질막은 이렇게 이온화된 분자들에 대해서 전혀 투과성이 없기 때문에 이들은 세포내에 갖혀있음.
참고) NAD, NADH
니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드는 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드 인산와 더불어 세포에서 발견되는 중요한 조효소이다. NADH는 NAD의 환원형태이고 NAD⁺는 NAD의 산화형태이다. NAD는 세포호흡에서의 해당과정과 TCA회로에 널리 쓰이며 NADH에 저장된 환원 잠재력은 전자전달계를 거치면서 ATP로 전환되거나 동화반응에 쓰인다. 반면, NADPH는 환원력을 제공하여 지방산과 핵산 합성과 같은 동화작용에 쓰인다
해당과정의 초기반응들(1과 3 반응)은 인산화된 중간산물을 생성하기 위해 한분자의 ATP를 생성하기보다 오히려 소모한다는 사실을 보여준다. 더구나 네번째 반응은 6개의 탄소원자로 이루어진 중간체를 3개의 탄소로 이루어진 분자 2개로 쪼개며, 다섯번째 반응에서는 한분자의 포도당에서 두분자의 3-포스포글리세르알데히드를 생성한다. 이 시점에서부터 우리는 각기 두분자의 중간체들이 반응에 참여한다는 사실을 잊지 말아야 한다.
해당과정에서 첫번째 ATP 형성은 하나의 인산기가 ADP로 이동하는 일곱번째 반응에서 발생한다. 2개의 중간체들이 관여하므로 일골번째 반응에서는 각각의 중간체에서 하나씩 2개의 ATP가 생성된다. 이 반응에서 ATP가 생성되는 기전을 기질수준 인산화(Substrate level phosphorylation)이라고 하는데 이는 인산기가 기질분자에서 ADP로 바로 전달되기 때문이다.
이와 비슷한 ADP의 기질수준 인산화는 열번째 반응에서 일어나 다시 두분자의 ATP가 만들어진다. 결국 일곱번째 반응과 열번째 반응의 결과로 해당과정에 진입하는 한분자의 포도당으로부터 총 4분자의 ATP가 생성된다. 그러나 해당과정의 첫번째와 세번째 반응에서 이미 두분자의 ATP를 소모하였기 때문에 전체 해당과정동안에는 단지 두분자의 ATP만이 순수하게 생성되었음을 알 수있다.
해당과정의 마지막 생성물인 피루브산은 해당과정동안 어느 반응에서도 사용하지 않았던 산소분자의 존재여부에 따라 두가지 방향중 하나의 방향으로 진행하게 된다. 만약 산소가 존재하는 조건(호기성 조건)이라면 피루브산은 크렙스 회로로 들어가서 다음절에서 논의할 이산화탄소로 분해된다. 반대로 산소가 없는 조건(혐기성)에서는 피루브산은 하나의 효소반응에 의하여 이온화된 형태의 젖산으로 전환된다.
이 반응에서 NADH+H+로부터 유래된 2개의 수소원자들은 젖산을 생성하기 위하여 각각의 피루브산 분자로 이동되어지고 NAD+는 재생성된다. 이 수소원자들은 원래 해당과정의 여섯번째 반응에서 NAD+로 전달되어진 것인데, 이로써 조효소 NAD+는 산소가 없는조건의 해당과정동안 두가지 반응사이에서 수소를 왕복시키는 역할을 한다고 볼 수 있다. 산소가 없는 조건의 해당과정 전체반응은 다음과 같다.
포도당 + 2ADP +Pi ---> 2젖산 + 2ATP +2 물
바로 전에 얘기한대로 산소가 존재하는 조건에서는 피루브산이 젖산으로 전환되지 않고 오히려 크렙스 회로로 들어간다. 따라서 젖산을 형성하기 위해 NADH+H+에서 NAD+를 재생하는 일은 일어나지 않는다. NADH에서 나온 수소는 산화적 인산화동안 NAD+와 물분자를 생성하면서 산소에 전달된다.
대부분의 세포에서 해당과정 동안 한분자의 포도당에서 생산한 ATP의 양은 산소가 존재하는 조건에서 일어나는 크랩스 회로와 산화적 인산화과정에서 생성된 ATP의 양에 비해 훨씬 적다. 그러나 특별한 경우, 해당과정은 세포가 요구하는 대부분 혹은 전부를 제공하기도 한다. 예를들어, 적혈구는 다른 두 과정을 수행하기 위해 필요한 미토콘드리아가 없기 때문에 해당과정에 필요한 효소들을 가지고 있다. 따라서 그들의 모든 ATP 생산은 해당과정에서만 일어난다.
또한 어떤 골격근들은 상당히 많은 양의 해당효소들을 가지고 있지만 미토콘드리아는 거의 없다. 근육활동이 강할때 해당과정은 근육세포들 내에서 대부분의 ATP를 공급하고 많은 양의 젖산 생성에도 관여한다. 이러한 예외를 제외하고 대부분의 세포들은 해당과정만으로 세포가 필요로 하는 높은 ATP 생성률을 충족하기 위해 해당과정에 관여하는 충분한 농도의 효소도 갖고 있지 않으며, 또한 충분한 양의 포도당도 제공되지 않는다.
해당과정 동안 발생한 젖산은 어떻게 될까? 약간의 젖산은 혈액밖으로 방출되고 그 결과 심장, 뇌, 그리고 다른 조직으로 펴져 나가는데 거기서 젖산은 다시 피루브산으로 바뀌어 에너지원으로 사용된다. 이 포도당은 혈액으로 분비되어 인체 안의 모든 세포에게 에너지를 제공하게 된다. 운동처럼 에너지 요구가 높은 경우에는 후자의 반응이 특히 중요하게 작용한다. 해당과정에 대한 우리의 논의는 해당과정에 진입하는 대표적 탄수화물로서 포도당에 집중되어 있다. 그러나 이당류인 설탕에서 온 과당, 이당류 젖당에서 온 갈락토오스같은 탄수화물들도 해당과정의 초기부분에 관여하는 몇몇 대사 중간체로 전환되어 결국은 해당과정에 의해 분해될 수 있다. 표 3-8에 해당과정의 대표적인 특징을 요약하였다.
표 3-8 해당과정의 특징
에너지원 : 포도당과 다른 단당류들
효소 위치 : 세포기질
순수 ATP 생성 : 무산소 조건하에서 해당과정에 진입하는 포도당 한분자당 직접적으로 2개의 ATP가 생성된다.
조효소 생성 : 산소 존재하에서 2NADH + 2H+가 생성된다.
최종 생산물 : 호기성 조건에서 피루브산, 혐기성 조건에서 젖산이 생산된다.
크렙스 회로(Krebs cycle)
크렙스 회로는 이 회로내의 중간체들을 연구한 크렙스를 기념하여 이름 붙여졌으며, 구연산 회로 또는 TCA회로 라고도 한다. 이 회로는 연료분자의 분해대사와 ATP 생성에 관여하는 3개의 경로중 두번째 경로이다. 이것은 탄수화물, 지질, 단백질이 분해되는 동안에 형성된 분자조각들을 이용하여 이산화탄소, 수소원자(이들 중 반은 조효소에 결합된 상태) 그리고 적은 양의 ATP를 생성한다. 이 경로에 관여하는 효소들은 미토콘드리아 내부구획, 즉 기질에 위치한다.
크렙스 회로 시작에 관여하는 중요한 분자는 아세틸 조효소 A(Acetyl CoA) 이다. 조효소 A는 비타민 B의 판토텐산으로부터 유도되며, 주요 기능은 2개의 탄소를 가지고 있는 아세틸기를 한분자로부터 다른 분자로 이동시키는 역할을 한다. 이 아세틸기는 호기성 해당과정의 마지막 생성물인 피루브산 또는 지방산들과 몇몇 아미노산들의 분해과정에서 온다. 세포질에서 미토콘드리아로 들어갈때 피루브산은 아세틸조효소A와 CO2로 전환된다.
이 반응은 연료분자의 분해과정 동안 처음으로 이산화탄소를 생성하고 있으며 또한 수소원자를 NAD+에 이동하고 있음을 알아야 한다. 크렙스 회로는 아세틸조효소 A의 아세틸기를 4개의 탄소를 갖는 옥살로아세트산으로 옮겨 6개의 탄소를 갖는 시트르산을 만드는 것으로 시작한다. 이 회로의 세번째 반응과 네번째 반응에서 각기 이산화탄소가 생성된다. 따라서 조효소 A에 붙어있는 아세틸기의 구성성분으로 참여한 2개의 탄소는 이산화탄소 형태로 떨어져 나간다. 또한 이산화탄소에 존재하는 산소는 산소분자로부터 유래된 것이 아니고 크렙스 회로 중간체 물질의 카르복실기에서 비롯된 것임을 알아야 한다.
이 회로의 나머지 부분은 네번째 반응에서 형성된 4개의 탄소를 가지고 있는 분자가 다시 아세틸기를 받아들이고 이 크렙스 회로가 계속 반복되기 위해 필요한 4개의 탄소를 갖는 옥살로아세트산을 생성하기 위한 변형의 과정들이다. 지금 우리는 중대한 사실을 알게된다. 즉 이산화탄소 생성외에 크렙스 회로의 중간체들은 수소원자들을 만드는데 이들 대부분의 수소원자들은 조효소 NAD+와 FDA로 이동하여 NADH+와 FADH2를 만든다. NAD+에 수소를 전달하는 것은 크렙스 회로의 4번째 그리고 여덟번째 반응에서 일어나고 FAD에 수소를 전달하는 것은 여섯번째 반응에서이다. 자유 수소이온들을 포함, 조효소들과 함께 이동한 수소들은 연료대사과정의 다음과정 즉 산화적 인산화과정의 산소에 전달된다.
산화적 인산화 과정은 수소가 없는 형태의 조효소의 재생에 필요하므로 크렙스 회로는 산소가 존재하는 조건하에서만 작동할 수 있다. 무산소 조건에서 이들 조효소로부터 수소를 떼어내는 반응은 미토콘드리아에서 존재하지 않는다.
지금껏 우리는 크렙스 회로가 어떻게 ATP를 생성하는가에 대해 언급하지 않았다. 사실 크렙스 회로는 직접적으로는 단 1개의 높은 에너지를 함유하는 뉴클레오티드를 만들 뿐이다. 이것은 다섯번째 반응에서 일어나는데 무기인산이 GDP로 옮겨가 GTP를 형성하는 것이다. ATP처럼 GTP가 가수분해되어 에너지를 필요로 하는 반응에 에너지를 공급할 수 있다. 더구나 GTP에 저장된 에너지는 다음과 같은 반응에 의해 ATP로 전환될 수 있다.
산화적 인산화반응(oxidative phosphorylation)
산화적 인산화반응은 연료분자에서 에너지를 꺼내 ATP로 만드는 세번째 경로인데, 정량적으로 가장 중요한 기전이다. 이 경로의 주요 원리는 간단하다. 즉 ATP로 이동한 에너지는 수소이온이 산소분자와 결합하여 물분자를 만들때 방출되는 에너지에서 비롯된다는 것이다. 수소들은 크렙스 회로에서 지방산의 대사경로에서 그리고 훨씬 적게는 산소존재하의 해당과정에서 만들어진 NADH + H+ 그리고 FADH2에서 유래된 것이다. 전체 반응은 다음과 같다.
1/2O2 + NADH + H+ --->H2O + NAD+ + 에너지
미토콘드리아의 내부기질에 녹아있는 크렙스 회로관련 효소들과 달리 산화적 인산화를 중재하는 단백질들은 미토콘드리아의 내막에 박혀있다. 산화적 인산화과정에 관여하는 단백질은 2개의 그룹으로 나눌 수 있는데, 1) 수소이온들은 산소분자를 전달하는 일련의 과정을 중재하는 단백질 2) 이들 반응에서 방출된 에너지를 ATP의 합성으로 이끄는데 관여하는 단백질들이다.
첫번째 그룹에 속하는 단백질들의 대부분은 철이나 구리를 보조인자로 갖고 있고 시토크롬(cytochrome)이라고 불려진다. 이들의 구조는 적혈구에서 산소분자와 결합하는 철을 함유한 빨간색의 헤모글로빈과 닮았다. 전자전달사슬(electron transport chain)에서는 NADH+H+ 혹은 FADH2에 있는 수소원자로부터 2개의 전자가 빠져나와 전자전달사슬의 한 구성원으로부터 다른 구성원으로 전달되는데 시토크롬이 바로 이들 구성원들을 형성한다. 이들 전자들은 철이나 구리를 함유한 회로상의 다른 구성원들로 계속 전달디어 결국 산소분자에 이르게 되고 다시 이것은 수소이온들과 결합하여 물분자를 만들게 된다. 전자들처럼 이들 수소이온들은 자유 수쇼이온들 그리고 수소원자로부터 전자들이 시토크롬으로 전달되는 전자전달계의 초기반응에서 수소-함유 조효소들로부터 방출된 것들이다.
중요한 것은 조효소에 있는 수소들을 물에 전달하는 것외에 이 과정은 수소가 없는 조효소를 재생산한다는 것이다. 이들 수소가 없는 조효소는 크렙스 회로, 해당과정 혹은 지방산 회로에 있는 중간체 물질들로부터 2개의 수소를 더 받아들이는데 쓰일 수 있다. 결국 전자전달계는 조효소가 수소가 없는 형태가 되도록 유산소 조건을 제공하고, 반면에 해당과정에만 적용가능한 무산소 조건에서는 젖산의 생성과 연결되어 있다. 전자전달계의 사슬에 따라 각 단계별로 적은 양의 에너지가 방출된다. 전자들이 전자전달계를 따라 1개의 단백질에서 다른 단백질로 이동하면서 방출한 에너지 중 일부가 시토크롬으로 하여금 수소이온을 기질에서 막간 공간으로 퍼올리도록 사용된다. 이것이 미토콘드리아 내막을 사이에 두고 수소이온의 농도기울기, 이른바 위치에너지를 형성하게 한다. 4장에서 배우겠지만 수소이온과 같은 용질은 농도기울기를 따라 움직이게 되는데 이때 지질의 이중층은 가장 친수성이 높은 분자와 이온의 통과를 막는다. 그러나 미토콘드리아의 내막에는 ATP합성효소(ATP synthesis)가 박혀 있다. 이 효소는 내막에서 통로로서의 역할을 담당, 수소이온이 다시 막간공간에서 기질로 이동할 수 있도록 해준다. 이런 과정을 화학삼투(chemiosmosis)라고 한다. 이 과정에서 수소이온의 농도기울기로 생긴 에너지가 ADP와 Pi로부터 ATP를 생성하도록 촉매하는 ATP합성효소에 의해 화학적 결합에너지로 바뀌게 된다.
FADH2는 전자전달계 사슬에서 NADH가 들어가는 지점을 지난 지점에서 진입한다. 따라서 이것은 화학삼투에 들어가는 NADH보다 덜 공헌하게 된다. 화학삼투에 관련된 과정은 아주 정확하게 비례적이지 않다. 왜냐하면, 해당과정과 크렙스 회로에서 생긴 NADH의 일부는 특정 유기산 합성과 같은 다른 세포내 활동을 위해 사용되기 때문이다. 또한 미토콘드리아의 수소이온의 일부는 ATP합성 이외의 목적에 사용되기도 한다. 따라서 전자들의 산소로의 이동은 일반적으로 NADH+H+한분자당 약 2.5개의 ATP분자, FADH2의 경우에는 한분자당 1.5개 정도의 ATP분자를 생성한다.
요약하면 생체내에서 만들어지는 대부분의 ATP는 탄수화물, 지방, 그리고 단백질이 분해되는 과정 중 크렙스 회로에서 주로 만들어진 수소원자들을 처리하는 산화적 인산화과정에서 만들어진다. 따라서 산화적 인산화반응과 크렙스 회로가 진행되는 미토콘드리아는 세포의 에너지 생산공장이라고 할 수 있다. 더하여 우리가 호흡하여 들이마시는 대부분의 산소는 바로 세포소기관에서 소모되고 우리가 내뿜는 이산화탄소도 이곳에서 만들어진다.
표 3-10에서 산화적 인산화 반응의 열쇠가 되는 특징들을 요약했다.
표 3-10. 산화적 인산화 반응의 특징
경로에 진입하는 물질 : 해당과정, 피루브산과 아미노산을 분해하는 크렙스 회로, 지방산의 분해로부터 만들어진 NADH + H+와 FADH2에 존재하는 수소원자. 산소분자
효소의 위치 : 미토콘드리아 내막
ATP 생산 ; 2-3개의 ATP가 각각의 NADH + H+로부터 생산성된다. 1-2개의 ATP가 각각의 FADH2로부터 생성된다.
최종생산물 : 경로에 진입하는 수소원자들 각 한쌍에 대하여 한분자의 물이 생산
전체 반응 ; ,,,
2. 탄수화물, 지방 그리고 단백질의 대사
세가지 연료분자(탄수화물, 지방, 단백질)가 어떻게 ATP를 생성하는 과정들로 진입해 들어가는지 알아보자. 우리는 또한 이러한 연료분자들의 합성 그리고 하나의 물질에서 다른 부류의 물질로 바뀌는 경로와 제한성들을 알아볼 것이다. 이들 합성경로는 또한 에너지의 저장과 방출 외 다른 기능을 가지는 분자들을 합성하는데도 사용되어진다. 예를들어 몇몇 효소의 첨가로, 지방합성을 위한 경로는 세포막의 구성 성분인 인지질들의 합성을 위해서도 사용될 수 있다. 이 절에서 제공되는 정보들은 신체가 요구하는 것과 수시로 변하는 연료분자들이 어떻게 서로 맞추어 나가는가를 이해하는데 기본으로 삼아야 한다. 식욕, 음식의 소화와 흡수, 혈액을 이용한 흡수연료 분자들의 수송, 세포막을 통과하는 수송, 그리고 굶주림과 기아 등에 대한 신체의 반응을 조절하는 생리적 기작은 15장과 16장에서 다룸.
1) 탄수화물 대사
탄수화물 이화작용
해당과정을 통하여 포도당이 피루브산 또는 젖산으로 분해되는 것 그리고 크렙스 회로와 산화적 인산화를 통하여 피루브산이 이산화탄소와 물로 대사되는 것 등은 앞에서 다룸
포도당이 이산화탄소와 물로 분해되는 동안 방출되는 에너지의 양은 포도당 1몰당 686kcal 이다.
C6H12O6 + 6O2 -> 6H2O + 6 CO2 + 686kcal/mol
이 에너지의 약 40%가 ATP로 전환된다. 그림 3-46은 포도당이 이화작용을 거치는 동안 ATP가 만들어지는 장소를 요악하여 보여준 것이다. 2개의 ATP는 해당과정 동안 기질수준 인산화반응에 의해 만들어지고, 2개의 ATP는 크렙스 회로에 진입하는 2개의 피루브산 각각에서 만들어진 GPT에서 생성된 것이다. 포도당이 이화작용으로 만들어지는 전체 ATP들 중 대부분 즉 포도당이 이화작용으로 만들어지는 전체 ATP 들 중 대부분 즉 포도당 한분자당 34분자의 ATP를 만들어내는 곳은 포도당 분해과정 중 여러곳에서 생성된 수소를 이용하는 산화적 인산화반응이다.
산소가 없는 무산소 조건에서는 포도당이 분해되면서 단지 두분자의 ATP만이 만들어질 수 있으므로 유산소 대사경로의 진화는 포도당 분해로부터 세포에 유용한 에너지의 양을 엄청나게 증가시켰다. 예를들어 하나의 근육이 수축하면서 38 ATP를 소모한다면 이 양의 에너지는 유산소 조건에서 오직 한분자의 포도당이 분해되면서 제공될 수 있지만 무산소 조건에서는 19분자의 포도당이 분해되어야 한다.
그러나 무산소 조건에서 포도당 한 분자당 오직 두분자의 ATP가 생성되지만 그래도 해당과정에 의해 대량의 포도당이 젖산으로 분해된다면 많은 양의 ATP가 제공될 수 있음을 알아두어야 한다. 이것은 연료 에너지의 효율적인 이용방법은 아니지만 과격한 운동 동안 발생하는 무산소 조건에서 ATP를 계속적으로 제공할 수 있게 해준다.
해당과정 2ATP
크렙스 회로 2 ATP
산화적 인산화 34 ATP
클리코겐 저장
적은 양의 포도당은 음식으로부터 혈액으로 흡수되지 못할 경우를 대비하여 신체 내에 저장될 수 있음. 제 2장에서 언급한 골격근과 간에 저장되어 있는 글리코겐이라는 다당류를 기억해보라. 글리코겐은 그림 3-47에 나타낸 것과 같은 경로에 의해 포도당으로부터 만들어진다. 글리코겐의 합성과 분해를 위한 모든 효소들은 세포기질에 있다. 글리코겐 합성의 첫 단계는 한분자의 ATP로부터 인산기를 포도당으로 옮겨 포도당 6-인산을 만드는 것인데, 이것이 해당과정의 첫단계와 똑같다. 따라서 포도당 6-인산은 피루부산으로 분해될 수 있고, 클리코겐으로 합성될 수 있다. 그림 3-47에 나타난 것처럼 글리코겐을 합성하거나 분해하기 위해 서로 다른 효소들이 사용되고 있음을 주시하라. 공유결합이나 다른자리 입체성조절을 통하여 조절받는 효소들이 포함된 2개의 경로는 포도당과 글리코겐 사이의 흐름을 조절하는 기전을 제공한다. 간이나 골격근에 포도당이 존재하면 글리코겐 합성에 관여하는 효소들은 억제된다. 이런 조합을 통해 글리코겐 형탤 포도당을 저장할 수있게 되는 것이다.
포도당이 부족하게 되면 효소활성이 위 경우와 서로 반대가 되어 결국 글리코겐이 포도당 6-인산으로 분해된다. 이를 글리코겐 분해(glycogenolysis)라고 함. 이렇게 만들어진 포도당 6-인산은 다시 2가지 대사경로를 거침. 1) 골격근 세포를 포함, 대부분의 세포에서는 해당과정으로 진입하여 ATP 형성을 통해 에너지를 제공 2) 간(그리고 콩팥) 세포에서는 포도당 6-인산에서 인산기를 제거하여 생긴 포도당을 연료로 사용하기 원하는 다른 세포에게 제공하기 위해 세포에서 혈액으로 빠져나가도록 함
포도당 합성
포도당은 글리코겐의 분해에 의해 간에서 만들어지기도 하지만 콩팥에서는 글리세롤(당알코올)과 아미노산의 분해과정 동안 생긴 중간체 물질로부터 합성하기도 함. 비탄수화물 전구물질에서 새롭게 포도당을 만들어내는 과정을 포도당 신생(gluconeogenesis)이라고 함. 포도당 신합성에 주로 사용되는 기질은 젖산과 아미노산 분해과정에서 생성되는 피루브산이다. 또 중성지방의 가수분해에 의해 생성된 글리세롤은 피루브산을 포함시키지 않는 경로를 통하여 포도당으로 전환될 수 있음.
간과 신장에서 포도당 신생의 경로 그림 3-48은 해당과정의 반응이 가역적이기 때문에 피루브산에서 포도당을 합성하기 위해 또 다른 효소를 필요로 한다. 피루브산에 이산화탄소가 첨가되어 크렙스 회로에 있는 4개의 탄소로 이루어진 옥살로아세트산이 만들어짐에 따라 피루브산은 미토콘드리아내의 반응들에 의해 포스포에놀피루브산으로 전환된다. 몇가지 반응이 더 관여, 옥살로아세트산으로부터 유래된 탄소 4개짜리 중간체 물질을 미토콘드리아에서 끄집어 내어 세포질에서 포스포에놀피루브산으로 전환하는 것이다. 포스포에놀피루브산은 해당과정의 각 단계를 거슬러 해당과정 세번재 반응까지 올라간다. 이 세번째 반응에서는 해당과정에서 사용한 효소와 다른 효소가 과단 1,6-2인산을 과당 6-인산으로 변환시키는데 사용된다. 이후의 반응들은 다시 가역적이어서 포도당 6-인산으로 바뀌고, 이것은 간과 신장에서 포도당으로 전환되거나 글리코겐으로 저장된다. 포도당이 해당과정에 의해 피루브산으로 분해될때는 열이라는 형태와 ATP생성으로 에너지가 방출되지만 이 경로를 뒤집을 경우에는 에너지가 첨가되어야 한다. 포도당 신합성 반응들을 통하여 포도당 1분자를 만들면서 총 6분자의 ATP가 소모된다.
많은 동일한 효소들이 해당과정과 포도당 신생 경로에 사용되기 때문에 다음과 같은 의문이 생길 수 있다. 즉 무엇이 이들 과정에 있는 반응들의 방향을 결정짓는가? 포도당이 피루브산으로 분해되기도 하고, 거꾸로 피루브산으로 분해되기도 하고 거꾸로 피루브산이 포도당으로 합성되는 것을 도대체 어떤 조건이 결정짓는가? 해답은 세포안의 포도당이나 피루브산의 농도 그리고 대사경로 상의 비가역적 반응에 관여하는 중요 효소들의 농도와 역가를 변화시키는 각종 호르몬들의 조절에 있다. 예를들어 혈중 포도당의 농도가 정상치보다 떨어지면 특정 호르몬이 혈액으로 방출되어 간에 작용하게 된다. 여기서 호르몬은 포도당 신생경로에 관여하는효소들의 발현을 유도하여 결국은 포도당이 합성되도록 돕는 것이다.
지방대사
지방이화작용
트리글리세리드(지방) 혹은 중성지방은 3개의 지방산들이 1개의 글리세롤에 연결되어 만들어짐. 지방은 체내에 저장된 에너지의 약 80%를 차지함. 휴식하는 동안 근육, 간, 신장에 의해 사용되는 에너지의 절반은 지방산의 분해에 의해 만들어진 것
대부분의 세포들이 지방을 조금만 저장하지만 지방세포는 체내에 지방을 잘 저장한다. 이들 각 세포에서는 1개의 큰 지방덩어리가 세포질의 거의 대부분을 차지하고 있음. 이 지방세포의 집합체가 지방조직을 형성하는데 이것은 피부밑에 축적되어 있다. 지방세포의 기능은 음식을 잘 섭취할때는 중성지방을 만들어 저장하는 것이고, 음식이 장관을 통해 흡수되지 않을때는 다른 세포들의 ATP 합성을 위해 필요한 에너지를 제대로 제공하기 위해 지방산과 글리세롤을 혈액으로 방출하는 것이다. 지방세포에서 중성지방의 저장과 방출을 조절하는 인자는 제 16장에서 설명할 것이다. 여기서 우리는 대부분의 세포들이 ATP 합성을 위해 필요한 에너지를 제공하기 위해 세포들이 ATP 합성을 위해 필요한 에너지를 제공하기 위해 지방산을 분해하는 경로, 그리고 다른 연료분자들이 지방산을 합성하는 경로 등에 대해 강조할 것이다.
위 그림은 미토콘드리아 내부에 존재하는 효소들에 의해 이루어지는 지방산 분해경로를 보여주고 있다. 지방산의 분해는 지방산의 카르복실기 말단에서 한분자의 조효소를 붙여주는 것으로 시작한다. 이 첫단계는 ATP를 AMP와 2개의 인산기(Pi)로 분해하는 것과 동시에 일어난다.
지방산의 조효소A 유도체는 베타산화(beta oxidation)라 불리는 일련의 반응을 통해 진행되는데, 지방산의 끝에서 아세틸 조효소 A를 떼어내고 두쌍의 수소원자를 조효소로 옮기는 것(한쌍은 FAD로, 다른 한쌍은 NAD+로)을 말한다. 조효소로부터 나온 수소원자들은 ATP를 만들기 위해 이제 산화적 인산화반응에 진입하게 된다. 아세틸조효소A가 지방산의 말단에서 떨어져 나올때, 다른 조효소 A가 더해지는데(이 단계에서는 ATP가 필요없음), 이과정은 계속 반복된다. 이 과정을 거쳐 한번에 2개씩 탄소만큼 지방산의 길이가 짧아져 결국은 모든 탄소원자가 조효소 A분자에 옮겨질때까지 계속된다. 우리가 본 것처럼 이제 이들분자는 크렙스 회로와 산화적 인산화반응에 의해 이산화탄소와 ATP를 생산하게 된다.
지방산 한분자를 완전히 분해하면 몇개의 ATP가 만들질 수 있을까? 체내에서 대부분의 지방산은 14개에서 22개의 탄소를 갖고 있고, 이 중에서 16개짜리와 18개짜리가 가장 흔하다. 탄소 18개를 갖고 있는 한분자의 포화지방산이 분해되면 146개의 ATP분자가 만들어진다. 반면 우리가 방금 공부한대로 1개의 포도당 분자가 분해되면 최대 38개의 ATP 분자가 만들어진다. 따라서 지방산과 포도당의 분자량 차이를 고려해서 지방 1g을 분해하여 만들어진 ATP는 탄수화물 1g을 분해할때에 비해 2.5배 정도 더 많은 양을 생성한다.
만일 평균적인 사람이 지방보다는 탄수화물의 형태로서 남아도는 에너지를 보관하려면 사용 가능한 같은 양의 에너지를 보관하기 위해 약 30% 정도 체중이 더 늘어남을 감수해야 할 것이다. 또한 남는 여분의 체중을 갖는 신체를 움직이기 위해 더 많은 에너지를 소모해야 할 것이다. 그래서 연료 경제성 측면에서 큰 발전은 동물들이 연료를 지방으로 저장하는 능력을 진화시켰을 때에 이루어졌다고 할 수 있다.
지방합성
지방산의 합성은 지방산의 분해과정과 거의 역으로 진행되는 반응들에 의해 나타난다. 그러나 합성경로에 쓰이는 효소들은 세포질에 존재하는 반면, 방금 우리가 살펴본대로 지방산을 분해하는 효소들은 미토콘드리아에 있다. 지방산의 합성은 세포질의 아세틸조효소 A와 함께 시작하는데, 이것의 아세틸기를 다른 조효소A 분자에 이동시켜 4개의 탄소를 갖는 사슬을 만들도록 하는 것이다. 이 과정을 반복함으로서 한번에 2개의 탄소를 덧붙여 긴 사슬의 지방산이 만들어지낟. 이것은 신체내에서 만들어지는 모든 지방산이 짝수 개의 탄소원자로 이루어져 있는 사실을 잘 설명해준다.
한번 지방산이 형성되면 중성지방은 글리세롤에 있는 3개의 수산기 각각에 지방산을 연결시킴으로써 만들어질 수 있는데, 좀더 구체적으로 설명하면 알파-글리세롤인산이라는 인산화된 글리세롤에 연결시킨다. 중성지방의 합성은 활면소포체의 막에 붙어있는 효소들에 의해 촉매된다. 포도당 분해과정에서 만들어진 분자들과 지방산과 알페 글리세롤인산의 합성을 위해 필요한 분자들과 비교해보라. 첫째, 지방산의 합성의 맨 처음 물질인 아세틸조효소A는 해당과정의 마지막 생성물인 피루브산에서 만들어질 수 있다. 둘째 수소가 결합된 조효소와 ATP와 같은 지방산 합성에 필요한 다른 성분들도 탄수화물 분해과정에서 만들어진다. 셋째, 알파-글리세롤인산은 포도당 중간체 물질로부터 만들어질 수 있다. 따라서 음식물에 있는 탄수화물 상당량이 소화기관에서 흡수되지마자, 지방으로 바뀌어 지방조직에 저장된다는 사실은 크게 놀라운 사실이 아니다.
지방산, 좀더 구체적으로 지방산 분해과정에서 만들어진 아세틸조효소A는 새로운 포도당 분자를 합성하는데, 사용될 수 없다는 것을 이해하는 것이 매우 중요하다. 이것에 대한 이유는 포도당 합성경로를 다시 확인해보면 쉽게 알 수 있다. 첫째, 피루브산이 아세틸조효소 A와 이산화탄소로 분해되는 과정은 비가역적이므로 아세틸 조효소 A가 포도당이 만들어질 수 있는 피루브산으로 전환될수는 없다. 둘째, 아세틸조효소 A에 있는 2개의 탄소에 해당하는 것이 크렙스 회로를 통해 포도당 합성의 또 다른 출발점이 되는 옥살로 아세트산으로 전환되기 전에 이미 2개의 이산화탄소로 변환되기 때문에 그들은 순전히 옥살로아세트산을 합성하기 위해 사용될 수 없다.
그러므로, 포도당은 지방을 쉽게 전환될 수 있으나, 지방의 지방산 부분은 포도당으로 전환될 수 없다.
단백질과 아미노산 대사
단백질 합성의 복잡함과 대조적으로 단백질 분해에는 아미노산 사이의 펩티드 결합을 끊는(단백질 분해) 단백질 분해효소(protease)라고 일컫는 오직 몇가지 효소를 필요로 한다. 이들 몇몇 효소들은 단백질 사슬의 끝에서 한번에 1개의 아미노산을 떼어내는 한편, 다른 효소들은 사슬 내의 특정 아미노산 사이의 펩티드 결합을 끊어 자유 아미노산 대신 펩티드를 만든다.
아미노산들은 ATP합성을 위한 에너지를 제공하기 위해 분해될 수 있으며, 단백질이 아닌 수 많은 다른 분자들의 합성을 위한 중간체 물질을 제공할 수도 있다. 20개의 서로 다른 아미노산이 있기 때문에 수많은 종류의 중간체 물질이 형성될 수 있고, 또한 이들을 가공하는 수많은 종류의 중간체 물질이 형성될 수 있고, 또한 이들을 가공하는 수 많은 경로가 있을 수 있다. 이들 대부분의 경로들에 공통적인 기본유형은 아미노산 분해의 전체적 밑그림을 제공할 수 있다. 대부분의 탄수화물이나 지방과 달리 아미노산들은 탄소, 수소, 산소원자외에 그들의 아미노기가 제거되면 대부분 아미노산의 나머지 부분은 해당과정이나 크렙스 회로로 들어갈 수 있는 중간체 물질로 대사될 수 있다.
위 그림은 아미노기가 제고되는 두가지 유형의 반응들을 보여주고 있다. 첫번째 반응이 산화적 탈아미노반응(Oxidative deamination) 에서 아미노기는 1개의 암모니아(NH3)분자를 방출하며, 특정분자의 이름이 아니라 일종의 카테고리를 보여주는 이름인 케톤산을 만들기 위해 물분자에서 가져온 산소원자로 재체된다. 아미노기를 제거하는 두번째 수단은 아미노기전달반응(Transamination)이라고 하는데, 한 아미노산의 아미노기를 다른 케토산으로 옮기는 것이다. 아미노기가 옮겨간 케톤산은 아미노산으로 되는 것을 주시하라. 세포들은 핵산에 있는 퓨린이나 피리미딘 염기처럼 다른 중요한 질소삼유 분자들을 만들기 위해 아미노산에 있는 질소를 이용할 수 있다.
위 그림은 글루탐산이라는 아미노산의 탈아미노반응과 알라닌이라는 아미노산의 아미노기전달반응을 보여주고 있다. 여기서 만들어진 케노산들은 크렙스 회로에 있거나, 해당과정에 있는(피루브산) 중간체 물질일 수 있음을 주시하라. 한번 만들어지면 이들 케토산들은 이산화탄소를 만들기 위해 그리고 ATP를 만들기 위해 대사될 수 있으며 아니면 포도당을 만드는 합성경로의 중간체물질로 사용될 수 있다. 세번째 대안으로 그들은 피루브산을 거쳐 아세틸조효소A로 변환된 후 지방산을 합성하는데, 사용될 수 있다. 그러므로 아미노산들은 에너지를 생산하는데 사용될 수도 있고, 어떤 것들은 탄수화물이나 지방으로 전환될 수 있다.
산화적탈아미노반응으로 만들어진 암모니아는 축적되면 세포에 상당한 독이 된다. 다행히 암모니아는 세포막을 투과하여 혈액으로 들어가고 이로 인해 간에 도달하게 된다. 간은 요소를 형성하기 위해 두분자의 암모니아를 이산화탄소에 연결시키는 효소를 지니고 있다. 따라서 별로 독성이 없는 요소가 단백질 분해대사의 주요 질소폐기물이 되는 것이다. 이것은 간에서 혈액으로 들어가고 신장에서 오줌으로 배출된다.
아미노산 합성
지금껏 우리는 주로 아미노산의 분해대사에 관해서 의논하였다. 이제는 아미노산의 합성에 대해서 알아보자. 케토산인 피루브산과 알파-케토글루타르산은 포도당 분해과정에서 만들어질 수 있다. 이들은 방금전에 얘기한 대로 아미노기 전달에 의해 아미노산인 글루탐산과 알라닌으로 전환될 수 있다. 따라서 식사를 통해 다른 아미노산들이 아미노기 전달을 위한 아미노기를 제공하기 위해 제공된다면 포도당은 특정아미노산을 합성하는데 이용될 수 있다. 그러나 20개의 아미노산들 중에서 오직 11개만이 이 과정에 의해서 만들어진다. 왜냐하면 특정 9개의 케토산은 다른 중간체 물질로부터 합성될 수 없기 때문이다. 따라서 우리는 우리가 먹는 식품에서 이들 케토산들에 해당하는 아미노산들을 섭취하여야 하며, 이들을 필수아미노산(Essential amino acid) 이라고 부른다.
위 그림은 신체가 아미노산을 다루는 여러경로를 요약한 것이다. 신체 전체의 자유아미노산으로 이루어진 아미노산 풀(pool)은 1) 섭취한 단백질로서 창자에서 소화되는 동안 아미노산으로 분해되는 것들 2) 탄수화물과 지방으로부터 유래된 케토산으로부터 비필수 아미노산들의 합성 3) 신체구성 단백질들의 끊임없는 분해 등으로 이루어져 있다. 이들 풀은 신체구성의 단백질 합성, 특수 아미노산 유도체로 쓰일 뿐 아니라 탄수화물과 지방으로도 계속 전환될 아미노산들을 제공한다. 신체는 오줌, 털, 피부, 손톱, 월경 등에 의해 즉은 양의 단백질과 아미노산을 잃는다. 아미노산을 잃는 주요 경로는 이처럼외부로부터 유출되는 것보다 오줌의 요소처럼 궁극적으로 질소원소를 배출하는 탈아미노반응에 의해서이다.
음성질소균형과 양성질소균형이라는 용어는 일정기간 동안 체내에 있는 아미노산의 순감소 혹은 순증가가 있는가를 각각 일컫는 것이다. 필수아미노산이 식사에 결핍되어 있으면 음성질소균형, 즉 순손실이 항상 일어난다. 결핍된 필수아미노산을 필요로 하는 단백질은 결국 합성될 수 없고, 이들 단백질에 참여해 들어간 다른 아미노산들은 대사된다. 이 사실은 왜 단백질을 위한 식단을 짤때 단백질의 아미노산 조성을 무시하고는 결코 결정될 수 없음을 잘 설명해준다.
단백질은 필수아미노산들의 상대적 비율이 얼마만큼 평균 신체 단백질의 그것들과 비슷한가에 따라 등급이 매겨진다. 최상급의 단백질은 주로 동물성인데, 대부분의 식물성 단백질은 그보다 낮은 등급에 해당한다. 그럼에도 불구하고 식물단백질 단독으로도 혼합해서 먹으면 적당한 양의 모든 필수아미노산을 얻을 수 있다.
물질대사 요약
세가지 주요 유기분자들의 대사과정을 논의하였으므로 이제는 이들 각자가 어떻게 다른 것들과 연관되어 있으며 ATP를 합성하는 과정과 관련지어 있는지를 간단하게 살펴볼 수있다.
그림은 우리가 방금 논의한 주요 경로들과 일반 중간체 물질들 사이의 관계를 보여주고 있다. 세가지 모든 유기분자들은 몇가지 중간체 물질을 통해 크렙스 회로에 진입할 수 있으며 따라서 이들 모두는 ATP 합성을 위한 에너지원으로 사용될 수 있다. 포도당은 피루브산, 올살로아세트산, 아세틸조효소 A와 같은 일반 중간체 물질을 통해 지방 혹은 아미노산으로 전환될 수 있다. 비슷하게 몇몇 아미노산들도 포도당과 지방으로 전환될 수 있다. 그러나 피루브산이 아세틸조효소A로 바뀌는 반응이 비가역적이어서 지방산은 포도당으로 전환될 수 없고, 대신 중성지방의 글리세롤 부분은 포도당으로 전환될 수 있다. 지방산은 몇몇 아미노산을 만들기 위해 케토산류의 분자들이 필요에 따라 에너지를 공급하기 위해 사용될 수도 있고, 다른 모든 분자는 아니지만 대부분은 합성할 수 있는 원료물질을 제공할 수도 있는 고도로 연계되어 있는 종합적 과정이다.
3. 필수 영양소
정상적인 혹은 적절한 신체기능을 위해서 반드시 필요한 50여가지 물지리 우리몸에서 전혀 합성되지 않거나 그들이 몸 밖으로 배출되거나 분해되는 정도를 따라잡지 못할정도로 만들어진다. 이런 물질들을 우리는 필수영양소라고 한다. 이들은 일정비율로 우리몸에서 이들이 제거되므로 우리는 먹은 음식에 꾸준히 이들이 포함되어야만 한다.
필수영양소라는 용어는 두가지 기준을 만족하는 물질에만 사용되어야 한다. 첫째, 그들이 건강을 위해 필수적이어야 하고, 둘째, 적당량 신체에서 합성되지 않는다는 것이다. 따라서 정상적인 대사활동을 위해 필수적인지만 포도당은 필수 영양소로 구분되지 않는다. 왜냐하면 예를들어 아미노산으로부터 신체가 필요로 하는 양 만큼 정상적으로 합성해낼 수 있기 때문이다. 더구나 건강을 유지하기 위해 식단에 포함되어야 할 필수영양소의 양은 그물질이 필수영양소인가 아닌가를 결정하는데 기준이 되지 않는다.
물은 약 1.5리터, 아미노산 메티오닌은 약 2그램 정도 필요하지만, 비타민인 티아민의 경우 하루에 단지 1mg정도가 필요할 뿐이다. 물은 신체가 합성할 수 있는 양보다 오줌, 피부, 그리고 호흡기를 통해 훨씬 더 많이 유실되므로 필수영양소이다(물은 산화적 인산화과정에서 최종생성물로 만들어지며, 또한 여러 다른 대사경로중에서도 만들어 질 수 있음을 상기하라). 그러므로 체내 물의 평형을 유지하기 위해선 물의 섭취가 필수적이다.
무기질 원소들도 신체가 합성하거나 분해할 수 없는 물질로 끊임없이 오줌이나 분변, 그리고 여러 형태의 배설물로 유실된다. 주요 무기질들은 상당히 많은 양이 제공되어야 하지만 아주 미량이 필요한 경우도 있다.
우리는 이미 20개의 아미노산들 중 9개의 필수아미노산임을 얘기하였다. 2개의 지방산인 리놀렌산과 리놀렌산은 여러개의 이중결합을 갖고 있으면서 화학적 신호전달체계에서 매우 중요한 역할을 하는 필수영양소이다. 세가지 추가적인 필수 영양분 즉 이노시톨, 콜린, 카르니틴은 뒤에 나올 여러장에서 설명되는 기능을 수행하지만 필수 영양소외의 다른 보통의 영역에 속하지 않는다. 마지막으로 비타민이라 알려진 필수 영양분의 영역은 특별한 주목을 받을만하다.
비타민
비타민은 14개의 유기필수 영양소들로 식사를 통해 매우 적은 양이 필요하다. 발견된 첫 비타민들의 정확한 화학구조는 당시 알려지지 않았으며 이들은 단순하게 알파벳의 문자로 이름붙여졌다. 비타민 b는 이제는 비타민 B 복합체라고 알려진 8개의 물질로 이루어져 있음이 밝혀졌다. 식물과 세슘들은 비타민합성을 위한 효소들을 갖고 있다. 우리는 식물이나 이들 식물을 먹은 동물고기를 섭취함으로써 이들 비타민들을 얻을 수 있다.
수용성 비타민, 지용성 비타민
비타민들은 특별한 화학적 구조를 갖고 있지 않으나 수용성비타미과 지용성 비타민들로 나눌 수 있다. 수용성 비타민들은 NAD+, FAD, 조효소 A와 같은 조효소의 일부를 구성한다. 일반적으로 지용성 비타민(A, D, E, K)은 조효소로서의 기능을 하지 않는다. 예를들어 비타민 A(레티놀)은 눈에서 빛에 민감한 색소를 만드는데 사용되고, 따라서 이 비타민의 결핍은 야맹증에 걸리게 한다. 각 지용성 비타민의 특수한 기능에 대해선 다음 장에서 설명될 것이다.
비타민들 중 몇몇은 다른 분자들에게서 에너지를 방출시키는 화학반응에서 조효소로 참여하지만 비타민의 분해가 화학에너지를 제공하지는 않는다. 식사를 통해 어떤 최소량을 넘게 비타민의 양을 늘린다고 반드시 그 비타민이 조효소로 기능을 하는 효소들의 역가를 증가시키지 않는다. 매우 적은 양의 조효소가 그들을 필요로 하는 화학반응에 참여하고, 이 수 이상으로 농도를 높인다고 반응속도가 빨라지지 않는다. 섭취된 많은 양의 비타민 운명은 그 비타민이 수용성인가 지용성인가에 따라 달라진다. 식사 중 수용성 비타민의 양이 증가하면 오줌으로 배출되는 양도 그만큼 증가하므로 체내에 이들 비타민이 축적되는 것은 제한되어 있다. 반면에 지용성 비타민들은 콩팥에서 거의 배출되지 않고 지방조직의 지방에 녹기 때문에 체내에 축적될 수 있다. 지용성 비타민들을 너무 많이 섭취하면 독성효과를 초래할 수 있다.