암모니아와 요소(오르니틴회로)

[현종]

요소 [尿素, urea] 

CO(NH2)2의 화학식을 갖는 물질로, 포유류나 양서류가 단백질을 섭취하였을 때, 몸 속에서 단백질이 분해되면서 만들어지는 암모니아가 요소로 전환되어 소변과 함께 배출된다. 

몸속에서 단백질이 분해되고 나면 암모니아가 생성된다. 그런데 암모니아는 독성을 가지고 있어 몸속에 오랫동안 머물면 해로운 물질이다. 그래서 포유류와 양서류는 간에서 오르니틴회로를 통해 암모니아를 요소로 전환시키고, 이를 배설기관에 보내 얼마간 저장되었다가 체외로 배출한다. 오르니틴회로는 효소와 ATP 등을 이용하여 암모니아를 요소로 전환하는 회로이다. 오르니틴회로에 필요한 효소가 부족한 파충류나 조류, 수중동물 등은 암모니아를 요소로 전환시키지 못하고 요산으로 바꾸어 내보내거나 암모니아를 그대로 내보낸다.

요소는 프랑스의 화학자인 M.루엘이 1773년에 처음으로 오줌에서 분리하였고, 1828년 독일의 F.뵐러가 공업적으로 처음 합성했다. 요소는 색이나 냄새가 없고 기둥 모양의 결정을 만드는 물질이며, 분자량은 60.047, 녹는점은 132.7 ℃(1 atm)이고 비중은 1.335이다. 극성이 강한 물질이어서 물과 알코올에는 잘 녹지만 에테르에는 녹지 않는다.

암모니아 [ammonia] 

고약한 냄새가 나고 강염기성을 띠는 질소와 수소의 화합물.

NH3의 화학식을 갖는 암모니아는 질소원자를 포함하는 화합물로, 식물체에 대한 질소공급원으로 매우 유용하게 쓰이고 있는 물질이다. 식물체는 토양과 공기 중으로부터 재료들을 흡수하고, 흡수한 재료들을 이용해 필요한 유기물을 합성하는데, 단백질을 합성하는 데에 질소가 꼭 필요하다. 식물은 보통 토양으로부터 질소를 흡수하는데, 토양이 척박해지면서 질소가 부족한 경우가 많았다. 그래서 공업적으로 질소를 수소와 반응시켜 암모니아로 만들고 이를 이용해 비료를 만들 수 있었다. 암모니아를 대량으로 만드는 과정은 하버-보슈에 의해 발달했다. 암모니아는 이렇게 우리 생활에 유용하게 사용되는 물질이다.

그렇지만 우리가 단백질을 섭취하고 이를 분해하여 에너지를 얻고 나면 노폐물로 암모니아가 만들어지는데, 암모니아는 독성을 가지고 있는 물질이기 때문에 사람의 몸 속에 오랫동안 머물면 위험하다. 그래서 사람을 포함한 포유류나 양서류는 암모니아를 독성이 없는 요소라는 물질로 바꾸어 신장에 저장해 두었다가 소변이나 땀 등의 형태로 몸 밖으로 내보낸다. 또 파충류나 조류, 곤충 등은 암모니아를 요산으로 바꾸어 배출한다. 노폐물을 잠시 저장해 두었다가 배설하는 동물들의 경우 이와 같이 독성이 있는 암모니아를 독성이 적은 물질로 전환시킨다. 그렇지만 수중동물의 경우 암모니아가 생기면 그때그때 소변으로 배출하기 때문에 굳이 다른 물질로 전환하지는 않는다.

암모니아는 매우 고약한 냄새가 나는 물질이다. 가끔 청소가 잘 되어 있지 않은 화장실에서 고약한 냄새가 나는 경우가 있는데, 이는 체내에서 미처 요소로 전환되지 못한 암모니아가 소변에 함께 섞여 몸 바깥으로 배출되기 때문이다.

오르니틴회로 [ornithine cycle] 

동물체 내에서 암모니아를 요소로 전환하는 화학반응 경로로 오르니틴 ·시트룰린 ·아르기닌의 세 가지 아미노산이 암모니아와 이산화탄소를 결합시켜 요소를 만들면서 순환하는 과정이다. 간에서 만들어진 요소는 신장에 도달해 방광에 저장되었다가 오줌과 함께 배출된다. 이는 암모니아가 체내에 축적되면 독성이 있으므로 독성이 약한 물질인 요소로 전환되어 배출되기 위함이다.

요소를 만드는 반응경로이기 때문에 요소회로라고도 한다. 회로라고 부르는 이유는 반응경로가 순환하기 때문이다. 동물이 단백질을 섭취하면 이 단백질은 체내에서 아미노산으로 분해된다. 분해산물인 아미노산은 다시 그 동물이 필요로 하는 단백질을 합성하는 데 쓰이지만 여분의 아미노산은 다시 분해되어 에너지 공급원으로 쓰인다. 또, 몸을 구성하고 있는 단백질 자체도 항상 일부가 분해되어 아미노산으로 되고 이 아미노산이 에너지 공급원으로 쓰이고 있다.

아미노산 분자에는 질소원자가 하나씩(어떤 아미노산은 둘 또는 셋) 들어 있기 때문에 아미노산이 완전 분해되어 물과 이산화탄소로 될 때 이 질소원자는 암모니아 NH3가 된다. 그런데 암모니아가 체내에 축적되면 독성이 있으므로 곧 체외로 방출되거나 독성이 약한 물질로 전환되어 저장되어야 한다. 물 속에 사는 무척추동물이나 어류는 이 암모니아를 그대로 수중에 방출하고, 파충류나 조류는 요산이라는 물질로 전환시켜 체내에 저장하였다가 배출한다. 양서류와 포유류는 이 암모니아를 요소로 전환시켜 일시적으로 오줌 속에 저장하였다가 체외로 배출한다.

간에서 암모니아를 요소로 바꾸는 반응을 요약하면 다음과 같다.

오르니틴회로는 오르니틴 ·시트룰린 ·아르기닌의 세 가지 아미노산이 암모니아와 이산화탄소를 결합시켜 요소를 만들면서 순환하는 과정이다. 간에서 만들어진 요소는 혈액을 따라 신장에 도달하고, 신장에서 걸러져 방광에 저장되었다가