14. 화학에너지의 수확 경로(5)

14. 화학에너지의 수확 경로(5)

 

  앞서 설명한 많은 이화작용 경로는 일부 변형될 수 있지만 본질적으로는 가역적인 작동이 가능하다. 해당과정과 시트르산회로의 중간체는 산화되어 이산화탄소로 되는 대신에 포도당 신생 과정이라는 과정에서 환원되어 포도당을 만드는 데 사용될 수 있다. 마찬가지로 아세틸 CoA는 지방산을 만드는 데 사용된다. 가장 흔한 지방산은 짝수의 탄소수를 가지고 있다. 이들은 적당한 사슬 길이가 될 때까지 2-탄소의 아세틸 CoA 단위체가 한 번에 하나씩 첨가되어 만들어진다. 또한 아세틸 CoA는 다양한 색소, 식물의 생장 물질, 고무, 스테로이드 호르몬, 기타 물질의 조립 단위이다. 시트르산회로의 일부 중간체는 핵산의 주요 구성요소를 합성하는 경로의 반응물이다. 일상생활에서 운동하는 동안에 이화작용과 동화작용의 상호작용을 예로 들 수 있다. 우리가 달리기할 때 분자들이 혈류를 통해 기관 사이로 이동하며 다리 근육에서 포도당의 이화작용으로 에너지를 방출한다. 또한 심장 세포에서는 포도당의 이화작용으로 심장박동에 필요한 에너지를 방출한다. 달리는 동안, 산소가 부족해지면 포도당의 무산소성 이화작용이 일부 일어나 젖산이 생성된다. 산소를 다시 사용할 수 있으면 역반응이 일어난다. 간세포는 근육에서 온 젖산이 피루브산으로 전환되는 곳이며 더 많은 포도당이 동화작용으로 만들어진다. 이렇게 우리는 걷거나 뛸 때, 다리와 심장의 근육세포는 포도당의 이화작용으로 에너지를 얻지만, 간세포는 근육의 요구를 충족시키기 위해 동화작용을 통해 포도당을 합성한다.

 

  생물은 이화작용과 동화작용 사이에서 일정한 상태를 유지하기 위해 다양한 세포의 효소를 조절한다. 걷거나 천천히 뛸 때 가장 에너지가 필요한 근육은 운동에 동력을 공급하는 다리근육과 혈액을 순환시키는 심장근육이다. 에너지는 해당과정, 시트르산회로, 산화적 인산화에 의한 포도당의 이화작용으로부터 나온다. 따라서 이들 근육은 많은 양의 포도당을 요구한다. 일부 글리코젠은 다리 근육에 저장되어 있어 포도당으로 가수분해된다. 또한 간에서도 글리코젠이 가수분해되어 혈액으로 포도당을 방출한다. 포도당이 일하는 근육에서 사용되어 없어질수록 더 많은 포도당이 아미노산과 피루브산의 동화작용에 의해 간에서 만들어진다. 이 피루브산의 일부는 발효에 의해 다리근육에서 생성되어 혈액을 따라 간으로 수송된 젖산에서 나온 것이다. 생화학 경로에서 조절되는 지점이 없다면 이화작용과 동화작용의 정교한 통합은 성취될 수 없다. 이때 무언가에게 포도당을 분해하거나 저장하지 말고 합성하라고 명령해야 한다. 따라서 이러한 생화학 경로에서 각 단계의 속도 조절을 위한 여러 기작이 이용된다. 우선 효소량의 변화를 통해 세포는 효소 유전자의 발현을 증가시킬 수 있다. 공유결합 변형에 의한 효소 활성의 변화에서 단백질 인산화효소가 인산기를 첨가해 효소의 활성을 변화시킬 수 있다. 또한 되먹임 억제로 그 경로의 산물이 결합하여 유발한 효소의 다른자리입체성 변화가 전체 경로를 차단할 수 있다. 마지막으로 기질의 가용성에서 특정 효소의 기질이 다른 경로에 의해 사용되어 없어지면 그 효소는 더 이상 기능할 수 없으며 해당 경로는 차단된다는 것이다. 녹말은 소화계에서 포도당으로 가수분해되고, 포도당은 신체의 다른 부위로 분배되기 위해 혈액으로 들어간다. 하지만 포도당이 몸의 다른 부위로 분배되기 전에 조절을 위한 점검이 이루어져야 한다. 만일 혈액 내에 이미 신체의 요구를 충족시킬 충분한 양의 포도당이 존재한다면, 여분의 포도당은 글리코젠으로 전환되어 간과 근육에 저장된다. 음식물 섭취를 통해 충분한 포도당이 공급되지 못한다면 글리코젠이 분해되거나, 다른 분자들을 사용하여 포도당 신생 과정을 통해 포도당이 만들어진다. 최종적으로 혈액 내의 포도당 농도가 놀랄 만큼 일정하다. 해당과정과 시트르산회로에 관여하는 핵심 효소들은 다른자리입체성 조절을 받는다. 대사 경로에서 고농도의 최종 산물은 앞쪽의 반응을 촉진하는 효소의 작용을 억제할 수 있다. 또한 한 경로의 산물이 과량으로 생성되면, 다른 경로의 효소를 활성화해 반응속도를 증가시킴으로써 첫 번째 산물의 합성에 필요한 원료물질을 다른 곳으로 보낸다. 이러한 음성 및 양성 되먹임 기작은 에너지 수확 경로의 여러 지점에서 사용된다.

 

  해당과정의 주요 조절 지점은 인산과당인산화효소이다. 이 효소는 ATP나 시트르산에 의해 다른자리입체성 조절을 받아 억제되고, ADP나 AMP에 의해 활성화된다. 무산소성 조건에서 발효는 비교적 소량의 ATP를 생성하고, 인산과당인산화효소는 빠른 속도로 작동한다. 하지만 산소가 있으면 호흡은 발효보다 16배 많은 ATP를 만들고 이 많은 양의 ATP는 다른자리입체성 조절에 의해 인산과당인산화효소를 억제한다. 따라서 해당과정은 느려진다. 시트르산회로의 주요 조절 지점은 아이소시트르산 탈수소효소이다. 이 효소는 기질 농도의 증가에 의해 활성화되고, 시트르산회로의 산물인 ATP와 NADH에 의해 억제된다. ATP와 NADH가 과도하게 축적되면 이 반응은 느려지고, 시트르산회로가 중단된다. 또 다른 조절 지점에 아세틸 CoA가 관여한다. ATP 농도가 높고 시트르산회로가 작동되지 않는 경우, 시트르산이 축적되어 지방산 합성효소를 활성화하고 아세틸 CoA가 저장용 지방산 합성에 사용된다. 이 지방산은 나중에 대사되어 많은 양의 아세틸 CoA를 만들 수 있다.

이화작용과 동화작용