탄수화물 대사

 소화 흡수된 단당류가 문맥을 따라 간으로 운반되면 과당과 갈락토오스는 간에서 효소에 의해 포도당으로 전환되어 대사 된다. 따라서 탄수화물 대사는 포도당 대사라고 할 수 있다. 혈당은 포도당이며, 세포는 혈액으로부터 포도당을 받아서 대사에 이용한다. 

포도당의 이용경로

 

1. 포도당 대사

 혈액을 따라 운반되어 온 포도당은 세포 내로 들어온 후 이화대사나 동화대사 과정을 거친다. 이화대사는 포도당을 분해하여 에너지를 생성하는 과정으로서 해당과정과 TCA 회로가 있고, 동화대사에는 글리코겐 합성과 포도당 신생합성이 있으며, 그 외 포도당은 오탄당 인산회로, 체지방합성, 코리회로 등의 과정을 거친다. 

 

① 해당과정

 산소가 없어도 진행되는 혐기성 반응으로서 세포질에서 이루어진다. 해당과정을 거쳐 2분자의 피루브산(3탄소 유기산)으로 분해된다. 

1포도당 + 2NAD + 2ADP → 2피루브산 + 2NADH + 2ATP

 

 이 과정에서 포도당 1분자 당 2분자 ATP가 소모되면서 4분자의 ATP가 생성되므로 결국 2분자 ATP가 생성된다고 볼 수 있다. 또한 2분자의 NADH가 생성되어 최종 에너지 생성단계인 미토콘드리아의 호기적 전자전달계를 거치면서 1분자 NADH당 2.5ATP를 만들므로 2분자 NADH는 미토콘드리아의 전자전달계로 들어가는 경로의 차이에 의해 2.5ATP 또는 1.5ATP를 생성하므로 2분자의 NADH로부터는 결국 3~5ATP가 생성된다고 볼 수 있다. 따라서 산소가 충분히 공급되는 경우에는 해당과정을 통해서 총 5~7 ATP가 생성되는 셈이다. 

 

② TCA 회로와 전자전달계

 TCA란 카르복실기를 세 개 가지고 있는 구연산을 말한다. TCA 회로가 진행되기 위해서는 산소가 필요하므로 세포질에서 산소 없이 포도당으로부터 분해되어 나온 피루브산은 호기적 상태에서 산소가 충분한 미토콘드리아로 들어간 후 다음 두 단계의 과정을 거친다. 

       (1) 피루브산은 미토콘드리아 안으로 들어가 아세틸 CoA로 산화된다. 

2피루브산 + 2NAD⁺+2CoA → 2아세틸CoA + 2NADH + 2CO₂

 

 이 반응에서 3탄소를 가진 피루브산은 탄소하나를 CO₂로 떼어내고 2탄소의 아세틸 CoA로 전환된다. 이 반응에서 티아민(비타민B1)의 조효소 형태인 TPP(비타민B1+2분자의 인산)가 CO₂를 떼어내는 탈탄산반응을 도와주고, 니아신의 조효소 형태인 NAD는 탈수소반응을 도와 NADH가 된다. 이렇게 생성된 2NADH는 호기적 전자전달계를 거치면서 5ATP를 생성한다. 

       (2) 이어서 탄소 2개의 아세틸 CoA는 탄소 4개의 옥살로아세트산과 결합하면서 CoA가 빠지고 탄소 6개의 구연산을 생성하며 이 반응을 시작으로 하여 여러 단계의 반응을 거치면서 TCA 회로를 진행한다. 1회전의 TCA 회로를 통해 3분자의 NADH, 1분자의 FADH₂, 1분자의 GTP, 2분자의 CO₂가 생성되고, 마지막으로 옥살로아세트산이 재생산되어 다시 새로운 아세틸 CoA와 결합하여 구연산을 생성함으로써 TCA회로는 반복된다. 

 

 TCA 회로 1회전에서 생성된 NADH와 FADH₂가 전자전달계를 거치는 동안 1분자당 각각 2.5ATP와 1.5ATP가 생성되므로 3분자의 NADH로부터는 7.5ATP, 1분자의 FADH₂로부터는 1.5ATP가 생성되고, 1분자의 GTP가 1ATP로 전환되어 TCA 회로 1회전을 통해 10ATP가 생성됨을 알 수 있다. 그런데 포도당 1분자에서 아세틸 CoA 2분자가 생성되므로 결국 TCA 회로 2회전을 통해 20ATP가 생성됨을 알 수 있다.

 이와 같이 포도당 1분자는 해당과정, TCA 회로, 전자전달계를 통해 6분자의 CO₂와 H₂O로 완전 연소되면서 총 30~32ATP를 생성한다. 

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 30~32ATP

 

③ 글리코겐 합성과 분해

글리코겐 합성

 에너지를 생성하고 남은 여분의 포도당은 간과 근육에서 글리코겐 합성효소의 도움으로 글리코겐으로 전환되어 저장된다. 

 간의 글리코겐 저장량은 간 중량의 4~6% 정도로서 식후에는 6%까지 되기도 하나 12~18시간 금식 후에는 글리코겐이 모두 혈당으로 거의 소모된다. 근육에는 1% 이하의 글리코겐이 있으나 근육량이 많으므로 총저장량은 간보다 훨씬 많다. 

 

글리코겐 분해

 포도당이 부족하여 혈당이 저하되면 글리코겐 분해효소들에 의해 글리코겐이 포도당으로 분해된다. 간 글리코겐은 분해되어 혈중으로 방출됨으로써 혈당을 보충할 수 있다. 그러나 근육 글리코겐은 분해 마지막 단계인 포도당 6-인산에서 포도당 6-인산 가수분해효소가 없어서 포도당으로 전환되지 못하므로 혈당원이 될 수 없다. 따라서 포도당 6-인산은 근육에서 곧바로 해당과정을 통해 에너지원으로 이용된다. 글리코겐 분해과정에는 비타민 B6의 조효소 형태인 PLP가 필요하다. 

 

④ 포도당 신생합성

 뇌세포, 적혈구, 신경세포는 혈당을 주된 에너지 급원으로 이용하므로 혈당의 유지는 매우 중요하다. 혈당이 저하되면 간 글리코겐이 분해되거나 간에서 포도당 신생합성과정이 일어나 혈당을 올린다. 당 이외의 물질인 아미노산, 글리세롤, 피루브산, 젖산 등으로부터 포도당이 합성되는 과정을 포도당 신생합성이라 한다. 포도당 신생합성 과정은 해당과정과 대부분 공유하지만 단지 몇 군데에서 우회하여(피루브산 → 옥살로에세트산 → 포스포에놀피루브산) 포도당을 생성한다. 아미노산은 종류에 따라 포도당 신생합성과정을 시작하는 경로가 다르다.

 

⑤ 오탄당 인산회로

 주로 피하조직이나 적혈구, 간, 부신피질, 고환, 유선조직 등에서 활발히 이루어지는 경로이다. 이 과정에서 NADPH가 생성되어 이들 조직에서 지방산과 스테로이드 호르몬 합성에 이용되고 또한 리보오스가 생성되어 핵산합성에 이용된다.

 

⑥ 체지방 합성과정

 글리코겐 저장량이 포화되면 여분의 포도당은 피루브산을 거쳐 아세틸 CoA가 된 후, 아세틸 CoA를 통해 지방산을 합성하고 해당과정 중간경로를 통해 글리세롤을 합성한다. 글리세롤 1분자와 지방산 3분자가 연결되어 중성지방이 합성된 후 피하나 복강 등 체지방 조직에 저장된다. 

 

⑦ 글루쿠론산 회로

 포도당으로부터 글루쿠론산을 생성하는 과정으로서 글루쿠론산은 간에서 여러 독성물질의 해독과정에 관여한다. 

포도당 ↔ 포도당 6-인산 → 포도당 1-인산 → 글루쿠론산

 

2. 과당과 갈락토오스 대사

 과당과 갈락토오스는 포도당 대사과정을 공유한다. 과당은 과당 1-인산을 거쳐 곧 해당과정의 중간 생성물인 과당 6-인산이 되어 피루브산을 거쳐 아세틸 CoA로 전환된다. 갈락토오스는 포도당 1-인산을 거쳐 포도당 6-인산이 되어 해당과정으로 들어가 대사 된다.