신체대사 기본용어
Glossary for Nutritional Medicine
1)아세틸(Acetyl) CoA
조효소(Coenzyme) A를 CoA 또는 CoA-SH로 표시하며 -SH(티올기)는 CoA의 설프하이드릴(sulfhydryl)기이다. 아세틸 CoA는 아세틸(Aceyl)기가 CoA-SH의 SH기에 thioester 결합한 구조를 취하며 활성화된 초산염(active acetate)이다. Coenzyme A(CoA-SH)와 초산(CH3COOH)의 응축 산물이며 다른 물질을 아세틸화(Acetylation)시키고 지방산 및 스테롤을 생합성 시키는 중요한 전구물질이다. 아세틸 CoA가 구연산 회로 및 지방산 합성과정에 들어가 탄소 2 개(2 Carbon Fragment)를 전이시키는 매개역할을 한다. 큰 분자의 생 합성에 두 개의 탄소를 첨가시키는데 사용되는 것이다.
CoA-SH(=CoA) + CH3COOH(초산) ->CH3-CO-S•CoA [아세틸 CoA] + H2O
지방산의 구조식은 R-CH2-CH2COOH이며 지방산 CoA는 R-CH2-CO-S•CoA라는 구조식으로 표기하한다. 지방산 CoA는 지방산의 활성형으로 아실(Acyl) CoA라고 한다.
Acyl-CoA synthase
지방산 + ATP + CoA ------------------------> Acyl-CoA 지방산 + PPi + AMP
Acetyl CoA Carboxylase
CH3CO-S-CoA(아세틸 CoA) --------------> HOOC-CH2-CO-S-CoA(Malonyl CoA)
Biotin,ATP,CO2
당질, 지방산, 아미노산
1) 아세틸 CoA -> 구연산 회로 -> 에너지 생성
2) 말로닐(Malonyl) CoA -> 지방산 합성
3) 아세토아세틸(Acetoacetyl) CoA->i)메발로닉산(Mevalonic acid)->콜레스테롤 및 기타 스테로이드
ii) 콜레스테롤 합성
-> iii) 케톤체(Ketone body) 합성
2) 구연산 회로(TCA Cycle)
구연산 회로는 아세틸 CoA의 초산기(COO-)를 이산화 탄소(CO2)로 산화 시키는 과정이다. 산화 과정에서 발생되는 에너지가 고 에너지 운반체에 저장된다. 구연산. 회로 1회 순환에 생성되는 고 에너지 분자는 3개의 NADH, 한 개의 GTP와 한 개의 FADH2다. 또한 두 분자의 이산화탄소가 부산(副産)되어 방출된다. FADH2는 FAD(Flavin Adenine Dinucleotide)의 환원 형태이며 GTP(Guanosine Triphosphate)는 ADP에 인산기를 제공하여 ATP를 생성한다. NADH는 NAD(Nicotinamide Adenine Dinucleotide)의 환원 형태이다. 이 회로의 작동에는 산소가 필요하다. NADH의 전자를 산소가 전달받아 NAD+를 재 생성해야만 구연산 회로가 계속 작동되기 때문이다.
3)고에너지 활성 운반체 분자
음식물 산화로 만들어진 에너지는 일단 저장시켰다가 필요할 때 공급한다. 저장소는 활성화된 운반체 분자이며 이들 활성 운반체 분자에 화학적으로 결합된 에너지 저장 방식을 취한다. 이동이 쉬운 활성 운반체 분자(Activated carrier)에 저장된 고에너지 전자와 수소원자를 운반하여 쉽게 에너지로 변환시킨다. 활성 운반체 분자는 필요에 따라 에너지를 공여 할 뿐 아니라 여러 가지 화학그룹의 재료로도 사용된다. 따라서 활성 운반체 분자를 조효소(Coenzyme)라고도 한다. 가장 중요한 활성운반체 분자는 ATP와 NADH 및 NADH와 밀접하게 관련되는 NADPH(Nicotinamide Adenine Dinulcleotide Phosphate)의 2개 분자이다.
가) ATP
-O-CH2-ribose-adenine
포도당이나 지방산이 물과 이산화탄소로 산화되면서 생성된 에너지의 약 절반정도가 ATP 제조에 사용된다. 나머지 50%는 열로 방출되어 체온 유지에 사용된다. 인체의 열효율은 50% 정도로서 20%에 불과한 자동차에 비해 우수한 편이다.
나) NADH 및 NADPH .
가장 중요한 전자 전달자는 NAD+와 NADP+이다. NAD+ 와 NADP+는 두 개의 고에너지 전자와 하나의 양성자(H+)에 상응하는 에너지를 취해 각각 NADH(환원된 NAD) 및 NADPH(환원된 NADP)가 된다. NADPH의 H+는 산화 환원 반응으로 쉽게 떨어져 나간다. 이는 니코틴아마이드(Nicotinamide) 고리에 수소 이온이 없어도 더욱 안정된 전자 배열을 형성할 수 있기 때문이다. 결과적으로 NADP+를 재 발생시키는 반응에서는 NADPH가 산화되고 기질은 환원된다. NADPH는 수소 이온을 다른 분자로 전달하는 공여자다. NADH보다 NADPH에 인산기가 하나 더 있고 이 두 종류의 운반체는 전자를 각기 다른 목표물로 이동시킨다. NADPH는 주로 동화 반응을 촉매 하는 효소와 작용하여 분자의 합성에 필요한 고에너지 전자를 공급하지만 NADH는 음식물 산화를 통해 ATP를 발생시키는 이화 반응의 중간물질로 역할을 수행한다. 세포는 풍부한 NAD+를 산화제로, 풍부한 NADPH를 환원제로 작용하도록 한다.
다) 아세틸 CoA
조효소 A(Conezyme A)는 하나의 아세틸 그룹(acetyl group)을 운반한다. 이처럼 활성화된 형태가 아세틸 CoA(조효소 A)이며 큰 분자의 생 합성에 두 개의 탄소를 첨가시키는데 사용된다.
4)단백질의 인산화(Protein phosphorylation)
아미노산 곁 사슬 중 하나에 ATP 말단의 인산기를 첨가시키는 화학반응이며 단백질 인산화 효소(Protein kinase)에 의해 매개된다. 단백질이 인산화 되면 단백질 구조가 변하여 단백질 기능도 변화한다. 단백질의 구조와 인산화 부위에 따라 단백질의 활성이 증가하기도 감소하기도 한다. 반면에 인산기를 제거하는 효소는 단백질 탈인산화 효소(Proetin phosphatase)이다.
5)전자 전달계(ETC)
전자 전달 과정은 모든 세포에서 대부분의 ATP 합성을 주도한다. NADH와 FADH2는 다른 물질을 산화시켜 얻은 전자들을 미토콘드리아 내막에 존재하는 전자 전달계(ETC)에 전달한다. 전자 공여체와 전자 수용체의 긴 사슬로 이루어진 전자 전달계를 이들 전자가 통과하면서 전자의 에너지가 점차 낮은 상태로 떨어지면서 에너지를 방출한다. 이 에너지를 이용하여 미토콘드리아 내의 수소 이온(양성자)을 미토콘드리아 외부로 펌핑(pumping)한다. 결국 수소 이온의 농도 구배가 형성되고 이 농도 구배가 축전지처럼 에너지를 필요로 하는 여러 반응에 에너지원이 되며 ADP로 ATP를 형성하는 반응이 대표적이다. 전자 전달과정의 최종 단계는 전자가 기체 산소에 전달되는 과정이다. 기체 산소는 확산을 통해 미토콘드리아에 유입되며 주변 용액의 양성자들과 결합하여 물을 생성한다. 산소를 이용하여 ADP를 인산화시키는 반응이기 때문에 이를 산화적 인산화라고 한다.
NADH +1/2O2+H+->NAD+ + H2O (NADH로부터 2개의 전자가 산소로 전달된다)
산소는 NADH->NAD+로 산화시킬 때 사용된다.
포도당 1 분자는 해당계에서 ATP 2분자만을 합성하는데 반해 전자 전달계의 완전 산화 반응으로는 30분자의 ATP를 만들어낸다..
6)가수분해
공유결합이 물의 첨가로 잘라지는 화학 반응이다.
A-B를 가수분해시키면 A-OH + H-B
7) 산화 환원 반응
산화란 단순히 산소 분자의 첨가만을 의미하는 것이 아니라 전자가 한 원자에서 다른 원자로 전달되는 화학 반응이다. 산화는 전자의 제거를 의미하고 환원은 전자의 첨가를 의미한다.
8)칼로리
모든 유기물이 완전 연소되면 최종적으로 물과 탄산가스가 되며 이때 반응열을 발생한다. 물질이 완전 연소되면 물질 중의 탄소는 CO2로, 수소는 H2O로, 질소는 질소 가스로, 유황은 아황산 가스 등의 산화물로 바뀌면서 열이 생긴다. 모든 형태의 에너지는 열에너지로 전환될 수 있다.
1 calorie란 760 mmHg에서 물 1 gm을 섭씨 14.5도에서 15.5도로 올리는데 소요되는 열량이다. 또한 1 Joule은 1 newton의 힘으로 1 kg의 물체를 1 meter 옮기는데 소요되는 에너지량을 말한다..
1 Kcal=4.184 KJ = 4.184 10의 10승 erg 이며 1 Kcal는 1 Kg의 물체를 400 m 이상 들어 놀릴 수 있는 에너지량 또는 1 kg의 물을 1도C 올리는데 필요한 에너지량에 맞먹는다..
9)대사와 에너지
기초 대사량
호흡, 순환, 배설, 체온유지 등 생명 유지에 절대적으로 필요한 최소의 에너지를 기초 대사량(BMR : Basal Metabolic Rate)이라고 하며 기초 대사량은 1일 필요 열량의 60-70%를 차지한다.
기초 대사량은 18-20 도의 실내 온도 환경에서 흡수가 완전히 끝난 기아 상태(식사 후 12-15시간 경과 시점)와 움직임 없는 완전 휴식 상태에서 측정한다.
수면대사
호흡기와 순환기를 제외하고 거의 모든 체내 기관이 쉬고 있는 수면 시의 대사 상태이며 대개 5-10% 정도 에너지 소비량이 낮아진다. 그러나 수면 상태에 따라 차이가 있어 숙면을 취할수록 에너지 소모량은 저하된다.
특이동적 작용 에너지(Specific Dynamic Action: SDA)
식품 섭취 때문에 증가된 에너지이다.. 음식을 먹고 나면 열 생산이 점차 증가하여 식 후 2-3시간에 최고치에 도달하다가 12-18시간에 걸쳐 서서히 감소한다. 특이동적(特異動的) 작용 에너지는 식품의 종류와 분량에 따라 다르며 단백질은 30%, 지방은 4%, 탄수화물은 6% 정도 증가한다. 혼합식을 섭취하면 대개 6-8%.정도 올라간다. 특이동적 작용 에너지는 각 영양소의 대사과정에서 발생되는 에너지로서 .근육 운동이나 다른 활동에 사용할 수 없고 체온 유지에 사용되는 것으로 추측한다. 단백질은 아미노산의 대사과정에서 탈아미노 반응 및 요소 생성과 관련된 에너지의 소요로 간주하고 탄수화물은 포도당에서 클리코겐을 합성하는데 소요되는 에너지이며 지방질은 지방산의 산화에 필요한 에너지로 비교적 양이 적다.
활동 대사량(활동 에너지)
노동과 운동에 쓰이는 대사량이며 노동 대사(Work metabolism), 또는 작업 대사라고도 한다. 일상 생활의 활동에 소요되는 에너지량이다. 기초대사 외에 필요한 에너지라고 해서 여분의 에너지(Extra Energy)라고도 한다..
기초 대사량(BMR) + 특이동적 작용 에너지(SDA)가 안정 대사량 도는 유지 대사량(Maintenance metabolism)이라고 한다. 노동 대사량은 노동시의 전체 대사량에서 안정 대사량.을 차감한 것이다.
활동 대사량 : 활동 시에 일어나는 전 대사량을 측정하여 체중 Kg 당 계산한다..
에너지 대사율(Relative Metabolic Rate : RMR)
동작에 소요되는 에너지가 기초 대사량의 몇 배가 되는 지를 의미하며 동작 시 총 대사량 - 안정 대사량/기초 대사량 즉 동작 대사량을 기초 대사량으로 나눈 값이며 동작에 소요되는 에너지를 비교할 때 편리하다. 정신 노동에 의한 에너지 증가는 개인차가 있지만 별 영향을 미치지 않는다.
정지 에너지(Resting Energy Expenditure)
신체 활동이 없는 상태에서 소모되는 에너지이며 기초 대사량에 음식 섭취로 발생한 적응열 에너지의 합이다. 기초 대사량은 연령, 성별, 체표면적에 따라 비교적 일정하다. 따라서 정지 에너지는 주로 적응열 발생에 의한 에너지 소모량에 좌우된다.
적응열 발생(Adaptive Thermogenesis)
추위나 식이에 의해 유도된 열 발생 반응을 의미한다. 추위에 노출되면 시상하부에서 이를 감지하여 교감 신경계를 활성화시켜 열을 발생(Cold induced thermogenesis) 체온을 유지하거나 음식 섭취 후에 과도한 에너지를 열로 발산시키기(Diet induced thermogenesis)위한 신체 반응 현상이다. 사람은 동물과 달리 의복 등으로 체온 변화에 대처할 수 있어 추위에 의한 열 발생은 그다지 중요하지 않다. 그러나 음식으로 유도된 열 발생이 중요한 의미를 지닌다. 금식하면 정지 에너지 소모가 40% 감소하지만 음식을 섭취하면 25-40% 증가한다.
시상하부-뇌하수체-갑상선 축이 대사 조절을 매개한다. 갑상선 호르몬은 여러 단계에서 교감신경계와 상호 작용하여 적응열 발생의 보조적 역할을 수행한다. 사람은 신생아기 이후에는 갈색 지방의 존재가 불확실하기 때문에 골격근이 적응열 발생에 중요한 기관이다.
10)렙틴(Leptin)
지방 세포는 일종의 내분비 세포의 기능이 있다. 아딥신(Adipsin), 렙틴(Leptin), 안지오텐신(Angiotensinogen), TNF-알파, 유리 지방산, 지방세포 전사 조절 인자(PPAR , C/EBP , C/EBP )등을 분비한다. 이 가운데 렙틴은 지방량, 칼로리 섭취량, 고혈당, 고인슐린 혈증 개선시키는 기능이 있다. 또한 TNF-알파는 비만 환자의 인슐린 저항성을 증가시키는 물질로 추정되고 있다. 렙틴은 시상하부에 작용하여 교감신경계를 활성화하여 적응열을 발생. 시킴으로써 음식 섭취를 억제하고 에너지 소모를 증가시키는 작용을 한다.
11)ATP 제조 속도 조절 인자
미토콘드리아 내부의 방전 밧데리(ADP)의 숫자가 ATP 제조 속도를 조절한다. ATP 소모가 증가하면 키토콘드리아 내에 방전 밧데리가 많아진다. ADP 농도가 증가하는 것이다. ADP 농도가 증가하면 ATP 밧데리의 생성이 증가하고 ATP 소모가 감소하면 ADP 농도가 감소 되어 ATP 생성 속도도 느려진다. 이를 Chemi-osmotic hypothesis라고 한다.
12)연합해지 단백질 : UCP(Uncoupling Protein)
미토콘드리아 내에 방전 밧데리가 없어도 여전히 영양소가 산화되는 호흡현상이다. 영양소가 산화되면서 ATP를 생산하는 일이 통례이지만 미토콘드리아 내막을 통한 수소 이온의 누출이 여전히 일어나며 세포막 전압의 형태로 저장된 에너지를 ATP 생산에 사용하지 않고 열 발생에 소모함으로써 영양소 산화와 ATP 생성간의 연합해지가 일어난다.
미토콘드리아 내막에는 연합해지 단백(UCP)이 존재하여 미토콘드리아 내로 수소이온의 수송을 촉진시킨다. 따라서 연합해지 단백이 증가하면 연합해지 호흡이 증가하여 열발생에 의한 에너지 소모가 증가하는 것이다. 즉 UCP가 존재하면 ATP를 생산하지 않고 영양소 산화를 통해 열을 발생하여 에너지를 소모시킨다. 이를 연합해지 호흡(Uncoupling Respiration)이라고 한다. 연합해지 단백에는 UCP-1, UCP-2, UCP-3가 있으며 UCP-1은 갈색 지방 조직에서만 발현된다. 추위나 식이에 의한 적응열 발생이 증가하면 UCP-1의 합성이 증가하며 금식하거나 음식을 제한하면 UCP-1 합성도 감소한다. UCP-1은 추위 유도 열 발생에 중요한 역할을 하며 이것이 결핍되면 체온 유지 기능에 장애를 초래한다. 성인은 갈색 지방 조직이 없기 때문에 골격근에서 합성되는 UCP-3가 UCP-1의 역할을 한다.
13) PGC(PPAR Gamma Coactivator)-1
교감신경계에 의한 적응열 발생 조절에 중요한 매개인자이다. 추위에 노출되면 교감신경계 활성이 증가하여 추위 유도열을 발생시킨다. 이때 UCP-1 발현이 증가하고 미토콘드리아 숫자 및 미토콘드리아 호흡에 관여하는 효소의 합성이 증가하는데 PGC-1이 UCP-1의 발현을 증가시킨다.
14)효소 및 보조 효소
식품의 가공, 저장을 위해 효소반응이 유리할 때는 효소 작용을 촉진시키거나 효소를 첨가하지만 효소반응이 불리한 방향으로 진행되면 효소반응을 억제함으로써 식품의 선도를 유지할 수 있다.
육류, 치즈, 된장의 숙성은 효소 작용을 적극적으로 이용하는 것이며 식품의 선도 유지 및 식품의 변색 방지를 위해서는 효소 작용을 억제하는 경우가 많다.
효소를 가미하여 식품의 질적 향상을 도모하기도 한다. 과즙, 포도주에 Pectinase를 첨가하여 혼탁을 방지하거나 육류에 Protease를 첨가하여 연화시키는 경우이다.
세포 조직내에서 생성, 분포되어 생체내의 반응을 촉진하거나 억제하는 고분자의 유기화합물이며 생체 촉매라고 한다. 생물의 종류, 생체기관의 종류, 대사 기구 및 환경 차이에 따라 각기 다른 효소가 존재한다. 세포에서 생성된 효소는 복합 단백질로 전기, 물리, 화학적 성질이 일반 단백질과 비슷하고 Protease에 의해 분해되며 가열, pH 등에 의해 변성되거나 활성을 상실한다.
대부분의 효소는 복합 단백질이며 비단백질 물질인 보결 분자족(Prosthetic group) 즉 보조효소(Coenzyme)와 복합체를 형성하여 효소작용을 나타낸다. 이때 단백질 부분을 Apoenzyme, Apoenzyme과 Coenzyme이 결합한 상태를 Holoenzyme이라고 하며 효소는 Holoenzyme의 형태로 활성을 갖게된다. 효소의 특이성은 Apoenzyme에 의해 결정된다.
보결 분자족은 1)Catalase, Peroxidase의 Fe - Porphyrin 같은 단백질과 강하게 결합된 경우 2)Amylase의 Ca++, Carboxypeptidase의 Zn++, Lecine Aminopeptidase의 Mn++ 같이 단백질과 해리 되기 쉽고 투석에 의해 분리되는 금속이온(Cofactor) 3) 단백질과 해리 되기 쉽고 투석성이며 내열성 유기화합물이 있다.
보효소(Coenzyme)로는 NAD, NADP, FAD, ATP, CoA, Biotin 등이 있다.
효소반응에 영향을 주는 요인으로는 1)온도 2)pH 3)효소의 농도 4)기질의 농도 5)기타 : 광선, 방사선, 금속이온, 반응의 산물, 압력 등이 있다.
보조효소(Coenzyme)
효소가 복합 단백질로 되어 있을 때 단백질 부분인 Apoenzyme과 여기에 보조효소(Coenzyme)가 결합하여 활성을 갖는 완전한 효소를 Holoenzyme이라고 한다. 촉매작용의 반응형식에 따라 분류되며 대부분의 보조효소는 인산기를 함유한다.
Cofactor는 Coenzyme의 유사어이다.헤모글로빈의 Heme, 클로로필(Chlorophyl)의 Mg 처럼 큰 분자의 작용에 필수적인 원자나 분자 물질을 말한다
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