해당과정·시트르산 회로와 다른 물질대사 경로의 연결 — 포도당만 태우는 게 아니다

지금까지 다섯 편에 걸쳐 포도당 하나가 어떻게 분해되는지를 아주 자세히 봤습니다. 그런데 우리가 실제로 먹는 음식은 탄수화물만이 아니죠 — 지방, 단백질도 함께 먹습니다. 이번 글에서는 세포호흡의 경로들이 포도당 전용 파이프라인이 아니라, 여러 종류의 영양소가 합류하는 깔때기 같은 구조라는 걸 보여드립니다.

지방 — 가장 밀도 높은 에너지원인 이유

지방(트라이글리세리드)은 소화되면 글리세롤과 지방산 세 분자로 분해됩니다. 글리세롤은 약간의 효소 반응을 거쳐 해당과정의 중간생성물(G3P)로 합류해요. 지방산은 베타 산화(beta oxidation)라는 과정을 거쳐 탄소 2개씩 잘려 나가며 아세틸 CoA로 전환되고, 이렇게 만들어진 아세틸 CoA는 곧바로 시트르산 회로로 들어갑니다.

지방이 탄수화물보다 그램당 훨씬 많은 에너지(약 2배)를 내는 이유가 여기서 드러납니다 — 지방산 사슬은 탄소마다 수소가 빽빽하게 붙어 있는(개념 5.3에서 다룬 그 고에너지 C-H 결합) 매우 환원된 상태거든요. 개념 10.1에서 "전자가 많이 빠질수록 에너지가 많이 나온다"고 한 것 그대로, 지방산은 애초에 뽑아낼 전자(고에너지 상태의 수소)가 훨씬 많이 붙어 있는 분자입니다.

단백질 — 아미노기를 떼어내고 남은 뼈대만 합류

단백질은 아미노산으로 분해된 뒤, 아미노기(-NH₂)가 먼저 제거됩니다(탈아미노화, 이 과정에서 나온 질소는 결국 요소 등으로 배출돼요). 남은 탄소 뼈대는 아미노산 종류에 따라 해당과정 중간생성물, 피루브산, 아세틸 CoA, 또는 시트르산 회로의 여러 중간생성물 중 한 곳으로 들어갑니다. 즉 20종의 아미노산이 저마다 다른 입구로 이 대사 경로 네트워크에 합류하는 셈이에요.

송쌤생명과학 자체 제작

거꾸로도 통한다 — 이화 경로가 합성 재료 창고이기도 하다

지금까지는 전부 "분해해서 에너지를 뽑는" 방향(이화작용, catabolism)이었죠. 그런데 이 경로의 중간생성물들은 반대 방향, 즉 동화작용(anabolism)에도 그대로 재료로 쓰입니다. 예를 들어 시트르산 회로의 중간생성물 일부는 아미노산 합성의 출발점이 되고, 해당과정의 중간생성물(G3P)은 지방 합성의 재료로 쓰일 수 있어요. 세포가 포도당을 많이 섭취해서 에너지가 충분하면, 남는 아세틸 CoA를 시트르산 회로로 태우는 대신 지방 합성 쪽으로 돌리기도 합니다 — 탄수화물을 많이 먹어도 살이 찌는 이유 중 하나가 바로 이겁니다.

그러니까 해당과정과 시트르산 회로는 "포도당을 태우는 전용 라인"이 아니라, 이화와 동화가 만나는 교차로에 가깝습니다. 세포 입장에서는 굳이 경로를 따로따로 만들 필요 없이, 이 교차로 하나를 여러 방향으로 쓰는 게 훨씬 효율적이에요.

세포는 어떻게 방향을 정할까 — 알로스테릭 조절

같은 경로를 분해와 합성 양쪽으로 다 쓴다면, 세포는 지금 어느 방향으로 가야 할지 어떻게 판단할까요? 답은 알로스테릭 조절(allosteric regulation)입니다. 해당과정의 특정 효소(포스포프룩토키네이스 등)는 ATP나 시트르산 농도가 높아지면(=에너지가 충분하다는 신호) 활성이 억제되고, ADP·AMP 농도가 높아지면(=에너지가 부족하다는 신호) 오히려 촉진됩니다. 세포 안 에너지 상태에 따라 대사의 방향타가 자동으로 조절되는 셈이에요(효소의 알로스테릭 조절 원리 자체는 개념 8.2~8.3에서 이미 다룬 내용을 그대로 적용한 겁니다).

쌤 한마디 — 이 대사 네트워크 그림을 처음 보면 화살표가 사방으로 뻗어 있어 복잡해 보이는데, 핵심만 기억하면 됩니다. "탄수화물·지방·단백질은 각자 다른 입구로 들어오지만 결국 같은 몇 개의 교차로(피루브산, 아세틸 CoA, 시트르산 회로 중간생성물)에서 만난다." 이 그림 한 장이 Ch.10 세포호흡 단원 전체를 요약하는 지도라고 생각하면 이해가 훨씬 쉬워집니다.

이걸로 Ch.10 세포호흡이 마무리됩니다. 다음 챕터(Ch.11)에서는 방향을 완전히 반대로 돌려서, CO₂와 물로부터 포도당을 합성하는 광합성을 다룹니다 — 사실 이번 글에서 본 "이화와 동화가 만난다"는 그림이 광합성을 이해하는 데도 그대로 이어집니다.