파워 운동생리학 3장. 생체 에너지학 Bioenergetics

[문형철]

놀라운 내용들의 연속이다

선배 인류 탐구자들에게 감사와 존경을 보내며

chapter 3. bioenergetics 생체 에너지학

Bioenergetics

1. Discuss the function of the cell membrane, nucleus, and mitochondria.

2. Define the following terms: (1) endergonic reactions, (2) exergonic reactions, (3) coupled reactions, and (4) bioenergetics.

3. Describe the role of enzymes as catalysts in cellular chemical reactions.

4. List and discuss the nutrients that are used as fuels during exercise.

5. Identify the high-energy phosphates.

6. Discuss the biochemical pathways involved in anaerobic ATP production.

7. Discuss the aerobic production of ATP.

8. Describe the general scheme used to regulate metabolic pathways involved in bioenergetics.

9. Discuss the interaction between aerobic and anaerobic ATP production during exercise.

10. Identify the enzymes that are considered rate limiting in glycolysis and the Krebs cycle.

인체에서는 매분마다 수천개의 화학적 작용이 일어나는데, 이러한 반응작용을 대사작용(metabolism)이라고 함. 화학적 반응을 포함하는 대사작용에는 분자를 합성하는 동화작용(anabolic reaction)과 분자륻을 분해하는 이화작용(catabolic reaction)이 있음. 모든 세포들은 에너지가 필요하며 탄수화물, 지방, 단백질 등과 같은 음식물을 분해시켜 생물학적으로 이용가능한 에너지 형태로 전환하는 화학적 경로를 갖고 있음. 이러한 과정을 연구하는 것이 생체 에너지학 bioenergetics임. 

세포 구조

세포는 17세기 영국 과학자 로버트 훅에 의해 발견. 인체의 95%를 구성하는 기본적인 화학적 물질 네가지는 산소(65%), 탄소(18), 수소(10%), 질소(3%)임. 

 These include oxygen (65%), carbon (18%), hydrogen (10%), and nitrogen (3%)

탄소를 함유하는 물질을 유기화합물이라고 함. 예를들어 H2O 물은 탄소가 결여되어 있어서 무기화합물인 반면 단백질, 지방, 탄수화물은 탄소를 함유하기 때문에 유기화합물임.

1) 세포막

원형질막이라 불리는 세포막은 외부환경으로부터 세포를 구분하는 반투과성 장벽임. 세포막의 가장 중요한 두 기능은 세포의 구성요소를 둘러싸는 것과 세포내외부로 다양한 기질통과를 조절하는 것임. 

2) 핵

핵은 크고 둥근모양으로 세포내에 위치하고 있으며 세포의 유전적 요소(유전자)를 갖고 있음. 유전자들은 이중의 DNA로 구성되어 있으며 이는 유전자 코드를 위한 기본이 됨. 유전자는 단백질합성을 조절하여 세포 구성성분과 세포활동을 조절함. 

대부분의 세포는 오직 하나의 핵만 가지고 있지만 골격근 세포는 근섬유를 따라 많은 핵을 가지고 있음. 

3) 세포질

근세포에서는 근형질(sarcoplasm)이라 칭함. 세포질(cytoplasm)은 핵과 세포막 사이에 있는 세포의 액체부분임. 세포질 내에는 여러가지 세포기관이 있는데, 이들은 세포의 특별한 기능과 관계가 있음. 미토콘드리아와 같은 세포기관은 세포의 발전소라 불리며, 음식물을 유용한 세포에너지로 이용하기 위한 산화적 과정에 관계함. 세포질에는 해당작용을 위해 포도당분해를 조절하는 효소가 있음. 

참고) 밴더 생리학

주요원소 4가지 : 수소(63%), 산소(26%), 탄소(9%), 질소(1%) = 체내 전체원자의 99.3%

무기질 원소 7가지 : 칼슘, 인, 칼륨, 황, 나트륨, 염소, 마그네슘 = 체내 전체원자의 0.7%

나머지 미량원소 13가지 : 철, 요오드, 구리, 아연, 망간, 코발트, 크롬, 셀레늄, 몰리브덴, 불소, 주석, 실리콘, 바나듐

생물학적 에너지 전환

지구의 모든 에너지는 태양에서 나옴. 식물이 태양의 빛에너지를 화학작용을 통해 탄수화물, 지방, 단백질을 생성함. 인간을 포함한 동물은 식물과 다른 동물들을 섭취하여 세포활동에 필요한 에너지를 얻음. 에너지는 전기적, 기계적, 화학적 형태와 같이 다양한 형태로 존재하며 모든 형태의 에너지는 상호교환적임. 예를들어 근세포는 탄수화물, 지방, 단백질로부터 얻은 에너지를 기계적 에너지로 전환하여 신체를 움직임. 화학적 에너지를 기계적 에너지로 전환시키는 생체에너지 과정은 연속적인 화학작용에 의해 조절됨. 

분자생리학과 운동생리학

분자생물학은 분자수준에서의 생물학이라고 정의함. 인간의 유전자는 대략 2만-2만5천개의 유전자를 가지고 있음. 각각의 유전자는 specific cellular 단백질을 합성함. 세포신호는 특정 유전자를  turning on or turning off하면서 단백질 합성을 조절함. 그러므로 단백질 합성을 촉진하거나 억제하는 신호로서 동작하는 이런 요소를 이해하는 것은 운동생리학을 이해하는데 중요함. 

운동은 근육안에서 합성하는 단백질의 종류와 양을 조절함. 13장 참조. 궁극적으로 운동이 어떻게 근육의 특정 단백질의 합성을 촉진하는지에 대한 이해를 도모하는 것은, 운동과학자들이 염원하고 있는 트레이닝의 최대효과를 이루기 위하여 가장 효율적인 트레이닝 프로그램이 무엇인지를 알 수 있게 해줌. 

세포의 화학적 반응

탄수화물, 지방, 단백질의 화학적 결합은 많은 양의 잠재적 에너지를 함유하고 있어 "고에너지 결합"상태임. 생체 에너지학은 음식물을 에너지 형태로 전환하는 과정이며, 이는 일련의 화학적 작용의 결과로 발생함. 이러한 반응이 일어나기 전 반응물질에 필요한 에너지를 에너지 소비반응(endergonic reaction)이라 함. 화학적 과정의 결과로 에너지를 방출하는 반응을 에너지 생산반응(exergonic reaction)이라고 함. 

C6H12O6 포도당이 세포 산화반응에 의해 이산화탄소와 물로 분해되면서 에너지를 방출함. 자유에너지를 방출하는 반응을 에너지 생산반응(Exergonic reaction)이라고 함. 

에너지 생산반응을 통해 방출된 총에너지 양은 위 그림과 같고, 에너지 생산반응으로 방출된 총 에너지양은 연소와 같은 단순반응이나 세포의 산화작용과 같이 여러단계에 걸쳐 생산되는 에너지양과 같음. 

연결반응

세포 내부에서 일어나는 여러가지 화학적 반응을 연결반응이라고 하며, 이는 하나의 반응에서 유리된 자유에너지가 다음 반응을 추진하기 위해 사용되는 연결작용임. 에너지 생산반응에 의한 에너지 방출은 세포내에 에너지가 필요한 반응을 추진하기 위해 사용됨. 에너지 생산반응은 에너지 소비반응을 위한 연결반응이라고 할 수 있음. 산화-환원반응은 연결반응의 중요한 형태임. 

산화-환원반응

원자가 분자로부터 전자를 제거하는 과정이 산화(oxidation)이고 원자나 분자에서 전자를 추가하는 과정은 환원(reduction)임. 이러한 산화와 환원은 항상 연결반응을 함. 왜냐하면 분자는 그거이 전자를 다른 원자(분자)에 기부하지 않으면 산화될 수 없기 때문임. 전자를 기부하는 원자나 분자는 환원제(reducing agent)이고 전자를 받아들이는 것은 산화제(oxidizing agent)임. 원자 또는 분자는 산화제와 환원제 모두의 역할을 수행할 수 있음. 

참고) 산화라는 용어가 반응에서 산소의 활동을 의미하지는 않음. 이 용어는 산소가 전자를 받으려는 경향이 있어 산화제로 작용한다는 사실에서 유래됨. 

세포에서의 산화-환원반응이 자유전자보다는 수소원자의 이동과 관계되어 있음. 이러한 사실은 수소원자 가 하나의 양성자, 하나의 전자구조로 되어 있기때문임. 그러므로 수소원자를 잃은 원자나 분자는 전자를 잃고 산화되며 수소 또는 전자를 얻는 것은 환원됨. 많은 생물학적 산화-환원반응에서 전자 한쌍은 분자들사이에서 자유전자 또는 수소원자 한쌍으로 전달됨. 

2개의 분자 즉 NAD와 FAD는 수소 또는 전자의 이동에서 중요한 역할을 함. NAD는 니아신(비타민 B3)에서 얻어지는 반면, FAD는 리보플라빈(비타민 B2)에서 나옴. NAD+는 산화된 형태이며, 환원된 형태는 NADH로 표기함. FAD는 산화된 형태이며, FADH는 환원된 형태임. 생체에너지 반응동안에 전달분자로서 NAD+와 FAD가 어떤 역할을 하는가에 대한 자세한 내용은  전자전달체계 장에서 설명.

효소

인체내에서 일어나는 세포의 화학반응속도는 효소(enzyme)라 불리는 촉매에 의해 조절됨. 효소들은 세포내의 대사작용 경로를 조절하는데 중요한 역할을 하는 단백질임. 화학반응은 반응물질들이 반응하기 위한 충분한 에너지를 갖고 있을때 발생함. 이 에너지를 활성에너지(energy of activation)라 함. 효소들은 활성에너지를 낮추는 촉매작용을 하고, 이는 반응비율을 증가시키는 결과를 가져옴. 

그림과 같이 효소는 활성에너지를 낮춤으로써 반응을 촉진함. 즉 반응에 필요한 에너지가 감소하므로 촉매반응과 비촉매반응의 활성화 에너지에 차이가 있음. 그래서 효소는 반응을 직접 일으키는 것이 아니고, 반응이 일어나면 단순히 반응비율이나 속도를 조절하고 반응의 특성이나 결과는 변형시키지 않음. 

효소가 활성에너지를 낮출 수 있는 능력은 효소의 독특한 구조적 특징에 기인함. 일반적으로 효소는 3차원적인 형태를 가진 큰 단백질 분자이며, 각각의 효소 형태는 특이한 융기와 구를 가지고 있는데 이 부위를 활동부위(active site)라고 함. 이러한 활동부위는 특이한 형태를 갖고 있으며 기질이라는 특정한 반응분자에 적합한 효소가 결합하게 함. 효소의 활동부위는 기질의 형태에 따라 다르며, 효소와 기질의 두 분자가 결합하여 효소-기질 복합체(enzyme-substrate complex)를 형성함. 이러한 효소-기질 복합체가 형성되면 반응을 위한 활성화에너지가 낮아져서 반응이 쉽게 이루어져 효소와 산출물로 분리됨. 

대부분 살아있는 세포의 효소들은 혈액으로 방출되지 않기때문에 혈액에서 발견할 수 있는 효소는 의학적 문제를 진단하는데 중요한 단서를 제공함. 

젖산 탈수소 효소 - 심근허혈

크레아틴 키나아제 - 심근 허혈, 근육 dystrophy

알칼라인 포스파타제 - 뼈암, 파제트 병, 폐쇄성 황달

아밀라제 - 췌장염, 위궤양에 의한 천공

알돌라제 - 근육 dystrophy

참고) 근디스트로피란 유전적인 요인으로 진행성 근력 저하 및 위축을 보이고, 병리학적으로 근육섬유의 괴사 및 재생을 특징으로 하는 퇴행성 근육병증을 말한다. 이는 디스트로핀(dystrophin) 유전자 등 유전자 돌연변이에 의해 디스트로핀(dystrophin) 같은 근세포막에 존재하는 특정 단백이 소실되어 근세포막의 안정성에 관여한다고 알려져 있는 구성 단백질인 디스트로핀-당단백질 복합체(dystrophin-glycoprotein complex) 등이 제대로 형성되지 못하여 근세포막의 손상으로 근육섬유의 괴사와 퇴행과정을 거쳐 결국 근력저하 및 위축이 발생하게 되는 질환이다.

효소의 분류

오래전에 발견된 펩신, 트립신, 레닌을 제외하고 모든 효소는 -ase로 끝나게 됨. 

kinase - 인산그룹(즉 인산화)을 활성화하여 한분자의 구성요소를 다른 분자로 이동시키는 것을 촉진

dehydorgenase - 자신의 기질로부터 수소원자를 제거하는 역할

oxidase - 산소분자를 수반하며 산화환원반응의 촉매역할을 하는 역할을 담당

isomerase - 구조적 이성질체의 형성을 위해 기질분자내의 원자를 재배열함. 

Using the International Union of Biochemistry classification, there are six classes of enzymes (41):

1. Oxidoreductases 

All the enzymes in this class catalyze oxidation-reduction reactions. Subclasses in this group of enzymes include dehydrogenases, oxidases, oxygenases, reductases, peroxidases, and hydroxylases.

2. Transferases 

Transferases are enzymes that catalyze the transfer of elements from one molecule to another. Subclasses of this group include kinases, transcarboxylases, and transaminases.

3. Hydrolases 

These enzymes catalyze reactions in which the cleavage of bonds is accomplished by adding water. Subclasses of hydrolases include esterases, phosphatases, and peptidases.

4. Lyases 

Lyases catalyze reactions in which groups of elements (e.g., H2O, CO2, and NH3) are removed to form a double bond or are added to an existing double bond. Synthases, deaminases, and decarboxylases are examples of lyases.

5. Isomerases 

This is a heterogeneous class of enzymes that catalyze reactions that result in the rearrangement of the structure of molecules. Subclasses of this group of enzymes include mutases, isomerases, and epimerases.

6. Ligases

Ligases catalyze bond formation between two substrate molecules. ATP provides energy for these reactions. The names of many ligases include synthetase or carboxylase. Specific examples of each enzyme class as they relate to bioenergetics are contained in table 3.2.

효소의 활동에 영향을 미치는 요인들

온도, 수소이온농도(pH)

평균 체온인 37도를 넘으면 대부분의 효소활동이 증가함. 이는 에너지를 생산하는데 필요한 반응속도를 향상시켜 생체에너지인 ATP 생산을 증가시킴. 

신체의 pH는 효소활동에 중요한 영향. 각각의 효소들은 최적의 pH수준을 가지고 있음. 예를들어 고강도 운동으로 근육은 젖산을 생산하며 이는 강한 산성으로 빠르게 분해되어 수소와 젖산염을 형성함. 많은 양의 수소이온이 축적되면 신체의 pH를 감소시켜 생체에너지 효소들의 최상의 pH상태를 변화시키며, 이는 골격근 수축에필요한 ATP생산을 감소시킴. 실제로 다양한 종류의 고강도 운동에서 산성화는 운동능력을 감소시키는 중요한 요인임. 10장과 19장 참조. 

운동을 위한 에너지원

1) 탄수화물 

포도당 C₆H₁₂O₆

락토스 C₁₂H₂₂O₁₁

탄수화물은 탄소, 수소, 산소로 구성되고 저장된 탄수화물은 신체에 가장 빠르게 에너지를 제공하며 탄수화물 1g당 4kcal의 에너지를 생산함. 

탄수화물은 단단류, 이당류, 다당류로 존재하며, 단당류는 포도당과 과당같은 단일설탕임. 포도당은 음식과 다당류의 탄수화물 분해결과로 소화관, 혈액에서 발견됨. 과당은 과일이나 꿀에 포함되어 있고, 탄수화물중에 가장 달콤함. 이당류는 2개의 단당류가 결합항 형성되며 각설탕인 자당(sucrose)은 포도당과 과당으로 구성됨. 또한 이당류인 맥아당(maltose)은 2개의 포도당으로 구성됨. 자당은 식탁에서 흔히 볼 수 있는 이당류로서 전체 칼로리 섭취량의 약 25%를 차지함. 이러한 탄수화물은 사탄수수 설탕, 사탕무, 꿀, 단풍나무 시럽에 많이 존재함. 다당류는 3개 이상의 단당류를 포함하는 복합 탄수화물이며, 3개의 단당류로 구성되거나 비교적 큰 분자인 수백개의 단당류로 구성되어 있음. 일반적으로 다당류는 식물섬유소(cellulose)와 전분(starch)임. 인간은 식물섬유소를 소화시키기 위한 소화효소가 부족하여 섬유소를 찌거기로 버림. 반면 녹말, 밀, 강낭콩, 감자, 완두콩, 쌀에 있는 전분은 쉽게 소화함. 당원(glycogen)은 동물조직에 축적되어 있는 다당류를 말함. 당원은 수백, 수천개의 포도당분자로 구성됨. 

당원(glycogen)은 근섬유(kg당 14-18g, 총 250~400g), 간(140-180g)에 저장되어 있음. 

2) 지방

중성지방 C₅₅H₉₈O₆ 

_포도당 C₆H₁₂O₆

지방은 탄수화물과 같이 화학적 요소를 포함하고 있지만 산소에 대한 탄소의 비율이 탄수화물보다 훨씬 더 큼. 지방분자는 무게당 많은 양의 에너지를 가지고 있기 때문에 저장된 체지방은 장시간 운동에 적합한 연료임. 지방 1g은 약 9kcal의 에너지를 생산하며 이는 단백질과 탄수화물에 비해 2배 높음. 

지방은 4가지 형태

지방산, 중성지방, 인지질(phospholipid), 스테로이드

지방산은 탄소, 산소, 수소그룹을 갖고 있는 카르복실기에 탄소원자가 길게 연결된 형태임. 그러나 무엇보다 중요한 사실은 지방산이 근세포가 에너지를 생산하기 위해 사용되는 주요 형태라는 사실임. 지방산은 신체내에서 중성지방으로 저장되어 있으며 지방이 아닌 알콜 형태의 글리세롤 한분자에 3개의 지방산이 연결되어 있음. 중성지방의 저장부위는 지방세포이지만 골격근을 포함한 여러가지 세포에도 저장되어 있음. 에너지가 필요한 시기에 중성지방은 지방분해과정으로 분해되며 그 중 지방산은 근육과 다른 조직에 의해 연료기질로 사용됨. 지방분해에는 리파아제라는 효소가 필요함. 지방분해로 방출된 글리세롤은 직접적으로 근육을 에너지로 사용되지 않지만, 간에서 포도당을 합성하는데 사용됨.

운동시 인지질은 골격근의 에너지원으로 사용되지 않으며 세포내의 지질과 인산이 결합하여 만들어짐. 인지질의 생물학적 역할은 매우 다양하나 세포막의 구조를 형성하여 신경세포 주위에서 절연체 역할을 함. 

스테로이드는 운동시 에너지원으로 사용되지 않으며, 모든 세포막을 구성하는 요소임. 스테로이드는 콜레스테롤로서 신체의 어떤 세포에서도 합성되고 음식으로도 섭취할 수 있으며 세포막의 골격을 이루는 것 외에도 성호르몬인 에스트로겐, 프로게스테론, 테스토스테론을 합성함. 

3) 단백질

단백질은 아미노산이라고 불리는 작은 단위로 구성되는데 신체에 필요한 형태의 조직, 효소, 혈중 단백질 등을 형성하려면 적어도 20종의 아미노산이 필요함. 이중 9개의 아미노산은 필수 아미노산으로 체내에서 합성되지 않으므로 음식을 통해 섭취해야 함. 단백질은 펩티드 결합이라 불리는 화학적 결합에 의해 아미노산 고리로 형성되어 있으며 1g당 약 4kcal의 에너지를 냄. 단백질이 고에너지 화합물로 사용되기 위해서는 반드시 아미노산으로 분해되어야 함. 

운동중 단백질은 두가지 방법으로 에너지에 기여함. 첫째, 아미노산인 알라닌은 간에서 포도당으로 전환되어 당원을 합성하는데 사용됨. 둘째, 이소류신, 알라닌, 류신, 발린 등의 아미노산은 근육세포내의 생체에너지를 생산하는데 참여하는 대사 매개물질로 전환되어 에너지원으로 사용됨. 

고에너지 인산염(ATP)

근수축을 위한 즉각적인 에너지원은 고에너지 인산염으로 구성된 아데노신삼인산(ATP)임. 비록 세포내의 에지 전달분자가 ATP 하나뿐인 것은 아니지만 ATP의 충분한 공급이 없다면 세포는 즉시 괴사함. 

ATP는 세가지 중요한 부분 1) 아데닌 2) 리보오스 3) 3인산 부분으로 구성됨. ATP는 아데노신2인산과 무기인산 결합에 필요한 에너지로 형성되며 이 에너지의 일부분은 ATP와 Pi의 화학적 결합체에 저장되는데, 이를 고에너지 결합이라고 함. 효소 ATPase에 의해 결합체가 분해되면 에너지가 방출되어 근수축에 필요한 에너지원으로 사용됨. 

ATP --ATPase--> ADP + Pi + 에너지

ATP는 종종 에너지 기증자로 불리며 움식물 분해에 따른 에너지와 결합하여 모든 세포에 필요한 에너지 형태로 전환시킴. 그림 3.11과 같이 세포에서 에너지 기증자로 묘사된 ATP 모델임. 세포는 음식물을 분해하는 에너지 생산반응을 이용하여 에너지 소비반응으로 ATP를 형성함. 이렇게 새롭게 형성된 ATP는 세포내에서 에너지가 필요한 반응을 유도하는데 사용됨. 그러므로 에너지 방출반응은 맞물린 2개의 바퀴처럼 에너지 소비반응에 연결되어 있음. 

생체 에너지학

근육세포는 ATP를 저장하는데 한계가 있음. 그러므로 근육활동을 위해서는 근수축을 위한 에너지 ATP가 지속적으로 공급되어야 하며, 세포는 대사작용을 통해 ATP를 빠르게 공급할 수 있는 능력을 가지고 있음. 근육세포는 다음 3가지 대사작용이나 이중 하나의 대사작용에 의해 ATP를 생산함. 

1) 크레아틴 인산(phosphocreatine. PC)에 의한 ATP를 생산

2) 해당작용에 의한 포도당이나 당원의 분해로 ATP 생성

3) 산화작용에 의해 생산되는 ATP 생성. 

크레아틴인산과 해당작용에 의해 생산되는 ATP는 산소를 사용하지 않으므로 무산소성 대사작용이라고 함. 산소를 이용한 산화작용에 의한 ATP 생성과정을 유산소성 대사작용이라고 함. 

# 무산소성 ATP 생산

가장 빠르고 쉽게 ATP를 생산하는 방법은 PC에서의 인산기 기증과 에너지 방출로 ADP를ATP로 전환시키는 것임. 

PC + ATP --크레아틴 키나아제--> ATP + C

이러한 반응은 크레아틴 키나아제에 의해 촉진되며 ATP는 운동을 시작하자마자 ADP + Pi로 분해되나 PC화학작용으로 다시 ATP가 생성됨. 

그렇지만 근육세포는 적은 양의 PC를 저장하기 때문에 이 반응으로 생산되는 ATP양은 제한적일 수밖에 없음. 저장된 ATP와 PC 결합을 ATP-PC 체계(ATP-PC system) 또는 인산체계(phosphagen system)이라 하며 5초 이내의 고강도 운동이나 운동을 시작할때 근수축에 필요한 에너지를 제공함. 오직 운동이 끝난 후 휴식기간에 사용한 PC를 다시 보충할 수 있으며 이때 ATP가 필요함. 

운동선수에게 있어서 ATP-PC체계는 매우 중요하며 특히 50미터 달리기, 높이뛰기, 역도경기, 미식축구선수의 10야드 달리기 등 짧고 강한 운동에 필요함. 이런 경기는 단지 몇초만에 끝나므로 ATP가 빠르게생산되어야 함. ATP-PC체계는 한가지 효소에 의하여 ATP를 생산함으로써 빠른 동작에 필요한 에너지를 생산함. 따라서 PC가 고갈되는 것이 짧고 강한 운동을 제한하는 요인이므로 많은 양의 크레아틴 섭취로 운동능력을 향상시킬 수 있다고 주장함. 

크레아틴 섭취는 운동수행능력을 향상시킬까? 

선행연구를 보면 크레아틴을 하루에 20g씩 5일동안 섭취하면 근육의 PC저장량이 증가하였고, 이러한 크레아틴 보충은 30초이내의 고강도 자전거 운동에서 운동수행능력을 증가시킴. 하지만 크레아틴 보충이 수영이나 달리기 운동능력을 증가시켰는지를 알기위한 연구결과들은 일치하지 않음. 

이러한 현상은 크레아틴 보충이 물을 보유하려는 성질때문에 체중증가를 가져오는 것으로 보임. 그러므로 체중증가는 달리기와 같은 체중을 이용한 활동의 운동수행능력을 저해할 수 있음. 

산소를 사용하지 않고 손쉽게 ATP를 생산할 수 있는 두번째 대사과정은 해당작용임. 해당작용은 포도당 또는 당원을 분해시켜 젖산염 또는 피루브산염을 형성함. 그림 3.13. 이 과정을 단순하게 표현하면 해당과정은 무산소과정으로 포도당의 결합에너지를 이용하여 인산과 ADP가 결합하며, 이를 위해서는 여러단계의 효소가 촉매작용으로 연결반응을 일으킴. 해당작용은 근육세포의 근형질에서 이루어지므로 포도당 한분자당 2개의 순수 ATP와 피루브산염 또는 젖산염 2분자를 생산함. 

젖산 또는 젖산염

젖산과 젖산염음 비슷하지만 분명히 다른 분자형태를 가지고 있음. 고강도 운동시 골격근은 많은 양의 젖산을 생산함. 신체에 젖산이 생성되면 빠르게 수소이온을 방출하여 그림과 같이 이온화된 분자인 젖산염이 됨. 산이 분해되어 수소이온을 방출하는데 이때 남은 분자를 산의 복합염기라고 하며, 따라서 젖산염은 젖산의 복합염기임. 

신체의 정상적인 pH에서는 젖산이 빠르게 분해되어 젖산염을 형성함. 그러므로 골격근이 젖산을 생성하지만 이는 복합염기인 젖산염으로 변환되기 때문에 신체내에서는 젖산형태로 존재하지 않음. 

해당작용을 좀더 상세하게 설명하면 첫째, 포도당과 젖산염 사이의 반응과정을 2단계로 다음과 같이 구분함. 

1) 에너지 투자단계

2) 에너지 생산단계

첫번째 5단계 반응은 에너지 투자단계로서 저장된 ATP를 사용하여 당인산을 형성함. 총체적인 해당작용은 에너지 생산반응이지만 초기반응을 시작하기 위해서는 두지점에서 ATP가 필요함. ATP가 사용되는 목적은 포도당에 인산기를 붙여 인산화(phosphorylation)함으로써 fructose 과당-6-인산을 형성하는 것. 여기서 주의해야 할 점은 해당작용이 당원을 이용하여 시작된다면 오직 1개의 ATP만이 필요함. 왜냐하면 당원은 무기질 인산을 이용하여 인산화해서 ATP를 사용할 필요가 없기때문. 아래 그림참조

해당작용을 위한 연료인 포도당은 저장형태와 상관없이 반드시 인산화를 통하여 포도당 -6-인산으로 변환되어야 함. 특이사항은 혈액내에 있는 포도당은 1개의 ATP가 사용되지만, 당원에서 얻은 포도당의 인산화는 세포내에 있는 무기질 인산(Pi)를 사용하기 때문에 ATP가 필요없음. 

해당작용의 마지막 5가지 반응은 에너지 생성과정으로 그림 3.15는 각기 다른 2개의 반응으로 2개의 ATP를 생산하는 과정을 나타냄. 해당작용의 순수손익은 포도당을 연료로 사용하면 2개의 ATP 당원을 연료로 사용하면 3개의 ATP를 얻는다는 것임. 

생물학적 에너지체계에서 수소이온은 종종 영양물질에서 제외되며 전달분자에 의해 수송됨. 생물학적으로 중요한 두가지 전달분자는 NAD와 FAD에서 미토콘드리아에서 유산소 과정을 이용하여 ATP를 생산하는데 필요한 수소이온과 보조전자를 수송함. 해당작용의 화학적 반응을 지속하기 위해서는 3-포스포글리세르알데히드에서 2개의 수소이온이 제거되어야 1,3-디포스글리세르산을 형성함. 이때 NAD+가 1개의 수소이온을 받아들임과 동시에 환원되어 NADH를 형성함. 따라서 해당작용이 지속되기 위해서는 3-포스포글리세르알데히드에서 제거된 수소이온을 받아들일 수 있는 적정량의 NAD+가 있어야 함. 

그렇다면 어떻게 NADH가 NAD+로 전환될까?

How is NAD reformed from NADH? 

There are two ways that the cell restores NAD from NADH. First, if sufficient oxygen (O2 ) is available, the hydrogens from NADH can be “shuttled” into the mitochondria of the cell and can contribute to the aerobic production of ATP (see A Closer Look 3.3). 

Second, if O2  is not available to accept the hydrogens in the mitochondria, pyruvic acid can accept the hydrogens to form lactic acid  (figure 3.16).

첫째 산소가 충분하다면 NADH의 수소이온은 세포내의 미토콘드리아로 이동하여 ATP의 유산소성 생산에 기여함. 

둘째, 만약 산소가 미토콘드리아에서 수소이온을 받아들수 없다면, 피루브산염이 수소이온을 받아들여 젖산염을 형성함. 

이러한 반응을 촉진하는 효소는 젖산 탈수소효소(LDH)로 젖산과 NAD+를 형성함. 그러므로 이러한 이유로 인해서 젖산염 형성은 NADH가 NAD+로 전환되어 해당작용을 유지할 수 있게 함. 

3.16 피루브산염의 젖산변화 : 2개의 수소이온이 피루브산염에 더해지면 젖산염과 NAD를 형성하며 NAD는 다시 해당작용에 사용됨.  이 반응을 촉진하는 효소는 젖산 탈수소 효소(Lactate dehydrogenase)임. 

NADH Is “Shuttled” into Mitochondria

NADH generated during glycolysis must be converted back to NAD if glycolysis is to continue. As discussed in the text, the conversion of NADH to NAD can occur by pyruvic acid accepting the hydrogens (forming lactic acid) or “shuttling” the hydrogens from NADH across the mitochondrial membrane. The “shuttling” of hydrogens across the mitochondrial membrane requires a specifi c transport system. Figure 4.9 (see Chapter 4) illustrates this process. This transport system is located within the mitochondrial membrane and transfers NADH-released hydrogens from the cytosol into the mitochondria where they can enter the electron transport chain.

해당작용을 지속하기 위해 NADH는 반드시 NAD+로 환원되어야 함. NADH가 NAD+로 전환되기 위해서는 피루브산이 수소이온을 받아들여서 젖산을 형성하거나 NADH의 수소이온이 미토콘드리아 세포막을 왕복해야 함. 수소이온이 미토콘드리아 세포막을 왕복하기 위해서는 특별한 수송체계가 필요함. 아래 그림참조. 이 전달체계는 미토콘드리아 막안에 있으며 NADH에서 유리된 수소이온을 미토콘드리아로 이동시켜 전자전달체계로 들어가게 함. 

미토콘드리아에서 NADH+H+ 생성속도를 유지하기 위한 수소왕복 체계가 실패하면 그림과 같이 피루브산이 젖산으로 축적됨. 

요약하면 해당작용은 포도당을 분해하여 피루브산염 또는 젖산염으로 전환시키며 포도당을 사용하면 2개, 당원을 사용하면 3개의 ATP를 생산함. 포도당은 6개의 탄소분자이며 피루브산염과 젖산염은 3개의 탄소분자로 이는 1개의 포도당 분자가 피루브산염 또는 2개의 젖산염 분자를 생산함을 의미함. 이 과정에 산소는 직접적으로 관여하지 않으므로 해당작용을 무산소성 대사작용으로 분류함. 그렇지만 미토콘드리아에 산소가 존재하므로 피루브산염은 유산소성으로 ATP를 생산하는데 참여할 수 있음. 따라서 해당작용은 산소없이 무산소성 경로로 ATP를 생성하며, 탄수화물을 유산소성 연료로 사용하도록 분해하는 첫번째 단계임. 

유산소성 ATP 생산

ATP의 유산소적 생산은 미토콘드리아에서 만들어지며 다음과 같이 2개의 대사경로들이 상호협력하여 이루어짐. 

1) 크렙스 회로

2) 전자전달체계(electron transport  chain)

크렙스 회로는 시트르산 회로라고도 하며 이의 주요기능은 수소를 운반하는 NAD+와 FAD를 사용하여 탄수화물, 지방, 단백질의 수소이온을 제거하여 산화시키는 것임. 수소이온을 제거하는 과정이 중요한 이유는 수소이온이 전자를 갖고 있어서 음식물이 분해될때 잠재적 에너지를 낼 수 있기 때문임. 이 에너지는 전자전달체계를 이용하여 ADP+Pi와 결합하여 ATP를 생성함. 이와같이 유산소성 과정으로 ATP가 생성되는 과정을 산화적 인산화(oxidative phosphorylation)라 함. 유산소성 ATP를 생산하는 과정은 그림 3.17과 같이 3단계로 생각할 수 있음. 1단계는 아세틸 조효소 A라는 2-탄소분자의 생성, 2단계는 크렙스 회로내에서 아세틸조효소 A의 산화임. 3단계는 호흡체계인 전자전달체계와 산화적 인산화로 인한 ATP생성과정임. 

크렙스 회로

크렙스 회로를 시작하기 위해서는 아세틸조효소 A와 같이 2-탄소분자가 필요하며, 이는 탄수화물, 지방, 단백질 분해로 형성됨. 피루브산염은 탄수화물과 단백질의 분해로 형성되고, 아세틸조효소 A를 형성하는 원천임. 

3탄소 분자인 피루브산염은 2-탄소 분자인 아세틸조효소A로 분해되고, 1개 남은 탄소는 이산화탄소로 방출됨. 그다음 아세틸조효소A는 4탄소분자인 옥살로아세트산과 결합하여 6-탄소분자인 시트르산염을 형성하며, 계속적으로 옥살로아세트산과 2개의 이산화탄소 분자를 생성하며 이러한 과정을 반복하게 함. 

포도당 분자가 해당작용에 사용될때마다 2개의 피루브산염 분자가 형성되며 산소가 있을 경우에는 아세틸조효소A로 전환됨. 따라서 3개의 포도당 분자는 크렙스 회로를 2번 실행할 수 있는 연료를 제공함. 

크렙스 회로의 주요기능은 대사과정에 관여하는 여러종류의 기질로부터 수소이온을 제거하고 이 과정에서 발생한 에너지를 활용하는 것임. 한번의 크렙스 회로가 3개의 NADH분자와 1개의 FADH분자로 생성되는 과정을 3.18에서 소개함. 한쌍의 전자들이 전자전달체계를 통해서 NADH로부터 산소로 이동될때 2.5개의 ATP를 생성하는데 필요한 충분한 에너지가 만들어짐. 1개의 FADH분자가 형성되면 2개의 ATP분자를 형성할 수 있는 충분한 에너지가 만들어짐. 따라서 ATP를 생산하는 측면에서 NADH는 FADH보다 훨씬 더 효율적임. 

크렙스 회로는 NADH와 FADH 생산과 더불어 에너지가 풍부한 화합물 구조인 구아노신 3인산염(GTP)을 직접 생산하며 3.18그림에 설명함. GTP는 고에너지 화합물질로서 말단 인산그룹을 ADP에 기증함으로써 ATP를 형성함. 크렙스 회로에서 직접적으로 GTP를 생산하는 것을 기질수준 인산화라고 말하며, 적은 양의 에너지를 생산함. 이는 크렙스 회로에서 생산되는 대부분의 에너지(NADH와 FADH)가 전자전달체계를 통해 ATP를 생산하기 때문임. 

지방과 단백질은 어떻게 유산소적 대사에 사용될까? 

중성지방은 지방산과 글리세롤로 분해되며 이중 지방산은 아세틸조효소 A를 형성하기 위해 베타산화 과정을 거쳐 크렙스 회로로 들어감. 글리세롤은 간에서 해당작용의 중간물질로 전환될 수 있지만 인간의 골격근에서는 그렇지 않음. 따라서 글리세롤은 운동중에 연료로 사용되지 않음. 

단백질은 운동중에 사용되는 총 에너지의 2-15%미만으로 기여함. 하지만 단백질은 생체에너지 경로를 통해 인체의 다양한 곳으로 들어갈 수 있음. 따라서 첫번째 단계는 단백질을 아미노산으로 분해시키며, 아미노산의 종류에 따라 다음과정이 진행됨. 예를들어 어떤 아미노산은 포도당 또는 피루브산으로 전환되고 다른 아미노산은 아세틸조효소 A로, 다른 아미노산은 크렙스 회로 중간물질로 전환됨. 

결론적으로 크렙스 회로는 탄수화물, 지방, 단백질을 산화하며 전자전달체계를 통과하면서 이산화탄소와 전자를 생산하여 유산소성 ATP를 생산하는데 필요한 에너지를 공급함. 크렙스 회로반응을 촉진하는 효소들은 미토콘드리아 내에 위치함. 

전자전달체계

유산소성 ATP 생산을 산화적인산화라고 하는데, 이는 미토콘드리아에서 일어나며 이런 과정에 중요한 역할을 하는 경로를 전자전달체계(electron transport chain 또는 호흡체계, 시토크롬 체계)라고 함. 유산소적 ATP 생산은 NADH와 FADH와 같은 수소이온전달체가 잠재적 에너지를 제공하기 때문에 ADP를 인산화하여 ATP를 생성함. 수소이온전달체계는 산소와 직접적으로 반응하지 않으나 수소원자들에서 떨어져 나온 전자들이 시토크롬으로 알려진 일련의 전자운반체에서 사용됨. 이러한 전자전달체계를 통하여 충분한 에너지가 생산되어 세가지 다른 장소에서 ADP를 인산화하여 ATP를 형성함. 여기에서흥미로운 사실은 전자들이 전자전달체계를 통과하면서 고반응분자인 free radical를 형성한다는 것임. 많은 양의 프리라디칼은 근육에 해로우며 근피로의 원인이 되기도 함. 

프리 라디칼

전자들이 유산소성 ATP를 생산하기 위하여 전자전달체계를 이용하지만, 이 전자전달체계는 운동중 근육에 부정적인 영향을 미치는 물질인 자유라디칼을 형성함. 프리라디칼은 전자바깥궤도가 불안정하여 굉장히 반응적인 분자로 다른 분자와 빠르게 반응하며, 이러한 결합은 유리기와 반응한 분자에 치명적인 손상을 입힘. 

전자들을 전자전달체계로 옮기는 역할을 하는 수소이온 전달체는 다양한 곳에서 발생함. 앞에서 설명했듯이 1개의 포도당이 해당작용을 통하여 분해되어 2개의 NADH를 형성함. 이러한 NADH는 미토콘드리아 세포밖에 존재하므로 이들이 갖고 있는 수소이온은 특별한 전달체계에 의해 미토콘드리아 막을 왕복해야 함. 하지만 전자전달체계로 들어가는 많은 양의 전자들은 크렙스 회로에 의해 형성된 NADH와 FADH에 의해서 공급됨. 전자들이 전자전달체계로 들어가는 경로는 아래 그림 참조.

한쌍의 전자들이 NADH와 FADH에서 생성되어 산화와 환원작용과 일련의 합성과정을 거치면서  ATP 합성에 필요한 에너지를 공급함. 여기서 유의할 사항은 NADH가 먼저 들어간 다음에 FADH가 전자전달체계에 들어간다는 것임. 따라서 ATP를 형성하기 위하여 FADH가 전자전달체계에 들어가는 순서가 한단계 후에 발생하여 1.5개의 ATP를 생산하는데 필요한 에너지만 생산함. 반대로 NADH가 전자전달체계에 사용되면 2.5개의 ATP를 형성함. 전자전달체계의 마지막 단계에서 산소는 전자들을 받아들여 수소이온과 결합하여 물을 형성함. 만약에 산소가 없어 이러한 전자들을 받으들이지 못하면 세포내의 ATP생산은 무산소성 대사작용에 의해서 만들어야 함.

그렇다면 ATP는 어떻게 생산될까? 

유산소성 ATP생산을 설명하는 기전은 화학삼투가설로 알려짐. 전자들이 전자전달체계를 따라 이동하면 미토콘드리아 내막을 따라 NADH와 FADH로부터 유리된 수소이온을 내막밖으로 배출함으로서 에너지를 생산함. 이로 인해 미토콘드리아 내-외막 사이에 H+농도를 증가시키며 이는 잠재적 에너지를 갖고 있어 Pi를 ADP와 결합하도록 하여 ATP를 형성함. 예를들어 H+이온의 축적은 댐에 고여있는 물의 잠재적 에너지와 같다고 볼 수 있으며 댐에 물이 넘쳐 흐르기  시작하면 떨어지는 물은 역학적 에너지로서 일을 하는데 사용할 수 있게 됨. 

3개의 펌프는 양자인 H+을 미토콘드리아 세포간질에서 세포내막으로 이동시킴. 

첫번째 펌르는 전자전달체계를 따라서 2개의 전자가 매번 들어올때 NADH를 사용하여 4개의 H+를 내-외막 사이 공간으로 이동시킴. 

두번째 펌프도 4개의 H+를 내-외막 사이공간으로 이동시킴

반면 세번째 펌프는 오직 2개의 H+를 내-외막 사이공간으로 이동시킴. 결과적으로 내외막사이 공간에는기질안과 비교하여 고농도의 H+가 존재함. 

이러한 농도차는 H+를 기질안으로 다시 들여보내기 위한 강력한 확산작용을 일으킴. 그러나 미토콘드리아 내막은 H+ 불투과성이므로 호흡조합이라 불리는 특수한 H+통로를 통해서 안으로 들어갈 수 있으며 이러한 과정은 3.20 참조. H+가 이러한 통로를 통해서 미토콘드리아 내막을 통과할때 Pi가 ADP와 결합하여(인산화) ATP가 형성됨. 이것은 미토콘드리아 내막을 가로지르는 H+의 이동이 촉매반응을 책임지는 ATP 합성효소를 활성화시키기 때문임. 

ADP + Pi ---> ATP

그렇다면 유산소적 ATP 합성에 있어서 산소는 왜 중요할까? 

미토콘드리아에서 전자전달체계의 목적은 시토크롬의 단게를 거쳐 전자를 제거하며 ATP 생산을 위한 에너지를 제공하는 것임. 위 그림에서 설명한 이러한 과정은 전자전달체계 각각의 요소가 여러단계의 산화-환원반응의 수행이 필요함. 만약 마지막 시토크롬이 환원된 채로 남게 되면 더 많은 전자를 받아들일 수없게 되고 전자전달체계는 멈출 것임. 그러나 산소가 존재할때는 마지막 시토크롬이 산소에 의해 산화될수 있음. 우리가 호흡으로부터 얻은 산소는 전자전달체계의 최종 전자수용체 기능을 함으로써 전자전달을 계속하게 됨. 이것은 시토크롬 a3를 산화하고 전자전달과 산화적 인산화를 계속하게 함. 전자전달체계의 마지막 단계에서 산소는 NADH 또는 FADH에서 전자전달체계를 통과한 2개의 전자를 받아 들임. 이렇게 환원된 산소분자는 2개의 양성자(H+)와 결합해 물을 형성함. 

앞에서 언급했듯이 NADH와 FADH는 이러한 각각의 분자로부터 생성될 수 있는 ATP양이 다름. 미토콘드리아에서 형성된 각각의 NADH는 첫번째 양성자 펌프에서 2개의 전자를 전자전달체계에 기부함. 이러한 전자는 다음에 두번째, 세번째 양성자 펌프를 통과하여 최종적으로 산소와 함께 사라짐. 첫번째와 두번째 전자펌프는 각각 4개의 양성자를 이동시키는 반면, 세번째 전자 펌프는 2개의 양성자를 이동시켜 모두 10개가 됨. 미토콘드리아에서 세포질로 하나의 ATP를 생산하고 이동하는데 4개의 양성자가 필요하므로 하나의 NADH분자로부터 생산되는 전체 ATP는 2.5개임. (10개 양성자/ATP 4개 양성자 = 2.5개의 ATP). ATP분자는 절반으로 존재하지 않으므로 ATP의 소수점 부분은 단순히 NADH 1개당 생산되는 평균 ATP의 숫자를 나타냄.

 NADH와 비교하여 각각의 FADH분자는 전자전달체계에서 NADH보다 나중에 전자를 기부하기 때문에 적은 ATP를 합성함. 그러므로 FADH로부터의 전자는 단지 두번째와 세번째 양성자 펌프만을 활성화시킴. 첫번째 양성자 펌프를 건너뛰었기 땜누에 전자 4개는 두번째 펌프에 의해서 그리고 2개는 세번째 펌프에 의해서 FADH로부터 6개의 양성자를 펌핑함. 미토콘드리아에서 세포질로 하나의 ATP를 생산하고 이동하는데 4개의 양성자가 필요하기 때문에 하나의 FAD분자로부터 생산되는 전체 ATP SMS 1.5개임.(6개의 양성자/ATP당 4개의 양성자 = 1.5APT). 

ATP생산에 대한 고찰

역사적으로 포도당 한분자의 유산소적 대사는 38개의  ATP를 만든다고 믿어왔음. ... ATP와 H+는 ADP와 Pi와의 교환속에서 세포질로 이동하며 ADP와 Pi는 ATP재합성을 위해서 미토콘드리아 안으로 이동함. 그러므로 이론적으로 포도당에서 생산되는 ATP양은 38분자이지만 이동을 위한 에너지 소비를 고려한 실제적 ATP 생산량은 포도당 하나당 ATP  32분자임. 

유산소성 ATP의 계산

포도당 또는 당원의 유산소성 분해결과로 생기는 전체적인 ATP생산은 계산할 수 있음. 해당작용의 총 에너지 산출을 계산하면 순수한 ATP는 포도당 1개당 2개의 ATP를 생산함. 미토콘드리아에 산소가 있으면 해당작용에 의해 생산된 2개의 NADH가 5개의  ATP를 생산할 수 있음.

크렙스 회로의 산화-환원작용으로 ATP를 얼마나 생산할 수 있을까? 피루브산이 아세틸조효소 A로 전환될때 2개의 NADH가 형성되며 이는 5개의 ATP를 생산함. 여기서 주의할 사항은 ATP와 비슷한 역할을 하는 GTP가 기질수준의 인산화 결과로 2개 형성된다는 것임. 1개 포도당 분자가 크렙스 회로를 통하여 6개의 NADH와 2개의 FADH를 생성함. 따라서 크렙스 회로를 통해 생성된 6개의 NADH는 15개의 ATP를 생산하며(NADH×NADH당 2.5개의 ATP = 15개 ATP ). 2개의 FADH에서 3개의 ATP를 생산함. 그러므로 포도당의 유산소성 분해작용으로 32개의 ATP가 생산되며 해당작용에서 당원을 연료로 사용하면 포도당 1개의 ATP를 더 생산하므로 결국 33개의 ATP를 생산함.

산화적 인산화 또는 유산소성 ATP 생산은 크렙스 회로와 전자전달체계 사이의 복잡한 상호작용으로 미토콘드리아에서 만들어짐. 크렙스 회로의 주요 역할은 기질의 완전한 산화작용과 NADH와 FADH를 형성하여 전자전달체계로 들어가게 하는 것임. 전자전달체계는 ATP와 물을 생산하며 물은 전자를 수용하는 산소에 의해 형성됨. 그러므로 인간이 호흡하는 산소는 유산소성 대사작용에서 마지막 단계의 전자들을 수용하는 역할을 함. 

산화적 인산화의 효율성 

음식물을 생화학적으로 유용한 에너지로 전환하는 체계를 이용한 산화적 인산화의 효율성은 얼마나 될까? 이는 유산소성 호흡을 통하여 생산된 ATP를 포도당에 포함된 잠재적 전체 에너지로 나누어 에너지 비율을 계산할 수 있음. 예를들어 1 g 분자무게인 1몰의 ATP가 분해되면 7.3kcal의 에너지가 방출되며, 포도당 1몰의 산화과정으로 방출된 잠재적 에너지는 686kcal임. 따라서 유산소성 호흡을 위한 효율성 계산은 다음과 같음. 

호흡 효율성 = 32몰의 ATP/몰당 포도당x7.3kcal/mol ATP / 686 kcal/mol포도당 x 100 = 34%

그러므로 유산소성 호흡효율성은 대략적으로 34%이며, 나머지 66%는 포도당 산화로 열로 발산되는 자유에너지임. 

생체에너지 조절

ATP를 생산하는 생화학적 체계는 매우 정교하며 정확한 시스템으로서 각각의 경로에는 특별한 효소에 의해 촉진되는 수많은 반응작용을 갖고 있음. 일반적으로 활용할 수 있는 기질이 있다면 효소에 의해서 화학적 반응속도를 빠르게 할 수 있음. 그러므로 화학적 체계에서 1개 또는 많은 효소를 조절한다는 것은 특별한 시스템의 비율을 조절한다는 의미임. 실제로 대사작용은 효소활동의 조절에 의해 통제되며, 대부분의 대사과정은 대사속도를 통제하는 역할을 하는 1개의 효소를 갖고 있음. 이러한 속도조절 역할을 하는 효소는 특정 대사과정의 속도를 결정함. 

속도조절 효소는 어떻게 반응속도를 통제할까? 

첫째, 보편적으로 속도조절 효소는 대사과정 초기에 작용함. 만약 속도조절 효소가 대사과정 말미에 위치한다면 대사과정에 의한 산출물들이 축적되기 때문에 효소의 초기작용이 매우 중요함. 둘째, 속도조절효소의 활동은 중개물질에 의해 조절되며 이는 효소활동을 증가시키거나 감소시키는 역할을 함. 이러한 중개물질에 의해 조절되는 효소를 알로스테릭 효소라고 함. 에너지 대사작용의 조절에 있어서 전형적인 방해요인은  ATP이고 ADP와 Pi는 효소활동을 자극시키는 물질들임. 많은 양의 세포 ATP는 대사작용의ATP생산을 방해하는데, 이는 세포가 ATP를 사용하지 않아서 쌓이기 때문에 매우 합리적인 방법이며 이러한 negative 피드백 형태는 아래 그림 참고. 이와는 반대로 세포의  ADP와 Pi가 증가하면 ATP가 많이사용된다는 것을 나타내므로, 필요한 에너지를 증가시키기 위하여 ADP와 Pi가 ATP생산을 촉진시킴. 

ATP-PC체계의 조절

크레아틴인산의 분해는 크레아틴 키나아제 활동에 의해 조절되며 이 효소는 근형질 ADP농도가 증가하면 촉진되고 ATP가 높으면 제한됨. 운동을 시작하면 ATP는 ADP와 Pi로 분해되어 근수축에 필요한 에너지를 공급함. 이때  ADP의 갑작스러운 증가는 크레아틴 키나아제를 자극하여  PC를 분해해서 ATP를 재합성하도록 함. 만약 운동을 지속적으로 유지하면 해당작용과 유산소성 대사작용이 작용하여 근육이 에너지 필요에 따른 적절한 에너지를 생산하게 됨.  ATP 농도의 증가는 ATP의 감소와 함께 크레아틴 키나아제 활동을 제한함.  ATP 농도의 증가는 ADP의 감소와 함께 크레아틴 키나아제 활동을 제한함. 

해당작용의 조절

여러 요인이 해당작용을 조절하지만 가장 중요한 속도조절 효소는 인산과당분해효소(phosphofructokinase, PFK)임. 이 효소는 해당작용의 시작부분에서 작용하며 PFK가 조절하는 요인들은 표3.3에 기술함. 운동을 시작하면 ADP+Pi 수준이 증가하여 PFK 활동을 증가시키고 해당작용의 속도를 빠르게 함. 이와 반대로 휴식시 세포의 ATP 수준이 높으면 PFK활동이 제약을 받아 해당작용이 느려짐. 더구나 세포내 수소이온과 크렙스 회로의 생성물인 시트르산염 증가도 PFK활동을 제한함. ATP-PC체계와 같은 형태로 PFK활동의 조절은 negative 피드백 형태로 통제됨.

탄수화물 대사작용의 또 다른 중요한 조절효소는 가인산분해효소( phosphorylase)로서 당원을 포도당으로 분해시키는 역할을 함. 정확하게 말하면 이 효소는 해당작용 효소로 간주되지 않지만 가인산 분해효소에 의해 촉진되는 반응은 대사작용을 시작하는데 필요한 포도당을 해당작용에 제공하는 중요한 역할을 함. 칼슘은 근육의 근형질세망에서 방출되어 근수축을 일으키며, 근형질 칼슘농도의 증가는 간접적으로 가인산 분해효소를 활성화하여 당원을 포도당으로 분해시킴으로써 해당작용의 원료를 제공함. 이와 더불어 가인산분해효소는 높은 수준의 에피네프린 호르몬에 의해 활성화되며 에피네프린은 고강도 운동중에 빠른 속도로 분비되어 순환성 AMP를 형성함. 그러나 직접적으로 가인산 분해효소를 활성화시키는 것은 에피네프린이 아니라 순환성 AMP이므로 에피네프린은 가인산 분해효소에 간접적인 영향을 미친다고 볼 수 있음. 

크렙스 회로와 전자전달체계의 조절

크렙스 회로는 해당작용과 같이 효소적 조절작용임. 크렙스 회로에는 다양한 효소가 있으나 속도조절효소는 이스시트르산탈수소효소(Isocitrate dehydrogenase)이며,  PFK와 같이 ATP에 의해 억제되며 ADP + Pi 수준의 증가로 자극을 받음. 이와 더불어 미토콘드리아 내의 칼슘증가 또한 이소시트르산 탈수소효소 활동을 자극한다는 연구도 있음. 근육내의 자유 칼슘양의 증가는 근수축의 시작신호이기 대문에 근육세포의 에너지 대사작용을 시작하는 체계적 신호임. 8장 참조. 또한 전자전달체계는 ATP와  ADP+Pi 상태에 따라 통제됨. 운동을 시작하면 ATP가 감소하고 ADP+Pi 가 증가하여 시토크롬 산화효소를 자극하여 유산소성 ATP를 생산하게 됨. 운동을 멈추면 전자전달체계의 활동이 감소하여 세포의 ATP수준이 증가하고, ADP+Pi가 감소하여 정상수준으로 돌아옴. 

요약

# 대사작용은 효소활동에 의해 조절됨. 대사과정을 조절하는 효소를 속도조절효소라 말함.

# 해당작용의 속도조절효소는 인산과당 분해효소이며, 크렙스회로와 전자전달체계의 속도조절 효소는 이소시트르산 탈수소효소와 시토크롬 산화효소임.

# 일반적으로 세포내의 ATP 및 ADP +PI 수준은 ATP를 생산하는 대사과정을 조절함. 높은 ATP수준은 ATP생산을 억제하고 낮은 ATP나 높은 수준의 ADP +Pi는 ATP생산을 촉진함. 칼슘도 또한 유산소적에너지 대사과정을 자극한다는 연구도 있음. 

유산소성 및 무산소성 ATP생산의 상호작용

운동에 필요한 ATP를 생산하기 위해서 무산소성과 유산소성 대사과정의 상호작용을 이해하는 것은 매우 중요함. 일반적으로 운동을 유산소성과 무산소성으로 구분하지만, 실제적으로 모든 형태의 운동수행에 필요한 에너지는 무산소성과 유산소성 에너지로부터 얻음. 이러한 과정은 경기력 향상비법에 소개함. 여기서 주의할 것은 무산소성 ATP생산이 단시간의 고강도 운동에 크게 기여하고, 유산소성 대사작용은 장시간의 활동에 지배적이라는 것임. 예를들어 100미터 달리기를 할때 90%이상의 에너지는 ATP-PC체계를 포함한 무산소성  체계로 공급되며 400미터 달리기에 필요한 에너지의 70-75%도 무산소성 체계의 의존함. 그러나 ATP와  PC 저장능력은 제한적이므로 이와같은 운동에 필요한 ATP는 해당작용에 의해 에너지를 공급받아야 함. 

마라톤과 같은 운동은 필요한 에너지를 유산소성  ATP생산에 전적으로 의존함. 긇다면 2분-30분사이의 운동에 필요한 에너지는 어디에서 생산될까? 운동시간에 따른 무산소성과 유산소성 에너지 생산 비율의 평가는 경기력 향상비법 3.2에서 설명함. 

[문형철]

놀랍고 신비로운 인체의 에너지 대사과정 탐구에 대한 감사를 !!

[Mattew Lee]

5년전 글이지만 정성이 담긴 글인 것 같습니다! 좋은 내용 잘 정리해서 갑니다!!

[문형철]

기초 생리학은 변하지 않는 과학이죠 ㅎㅎㅎ