3대 영양소인 탄수화물의 공급원과 물질대사에 관하여 - 탄수화물 4부

탄수화물의 원천

대부분의 식이 탄수화물은 포도당을 유일한 빌딩 블록으로 포함하거나(다당류 전분 및 글리코겐에서와 같이) 다른 단당류와 함께(헤테로 다당류인 자당 및 유당에서와 같이) 포도당을 포함합니다. 결합하지 않은 포도당은 꿀의 주요 성분 중 하나입니다. 포도당은 매우 풍부하며 로마의 침엽수 올레미 소나무(Wollemia nobilis)의 수컷 구근과 중국의 감탕나무(Ilex asprella) 뿌리, 캘리포니아의 볏짚(Rice straw)을 포함하여 전 세계의 다양한 자연 공급원에서 분리되었습니다.

 

 

탄수화물의 신진대사

인간은 다양한 탄수화물을 섭취할 수 있으며 소화는 복잡한 탄수화물을 포도당, 과당, 만노오스 및 갈락토오스와 같은 단순한 단량체(단당류)로 분해합니다. 장에서 흡수된 후 단당류는 문맥을 통해 간으로 운반되며, 여기서 모든 비포도당 단당류(과당, 갈락토오스)도 포도당으로 변환됩니다. 포도당(혈당)은 조직의 세포에 분포되어 세포 호흡을 통해 분해되거나 글리코겐으로 저장됩니다. 세포(호기성) 호흡에서 포도당과 산소는 대사 되어 에너지를 방출하며 이산화탄소와 물이 최종 산물입니다.

 

탄수화물 신진대사는 살아있는 유기체에서 탄수화물의 대사 형성, 분해 및 상호 전환을 담당하는 생화학적 과정의 전체입니다.

탄수화물은 많은 필수 대사 경로의 중심이며 식물은 광합성을 통해 이산화탄소와 물로부터 탄수화물을 합성하여 내부에서 햇빛으로부터 흡수된 에너지를 저장할 수 있습니다. 동물과 균류가 식물을 섭취할 때 세포 호흡을 사용하여 저장된 탄수화물을 분해하여 세포에 에너지를 제공합니다. 동물과 식물 모두 방출된 에너지를 ATP와 같은 고에너지 분자의 형태로 일시적으로 저장하여 다양한 세포 과정에 사용합니다.

 

 

신진대사 경로

신진대사 과정은 포도당 분자를 두 개의 피루브산 분자로 분해하는 과정이며 이 과정에서 ATP와 NADH로 방출되는 에너지를 저장합니다. 포도당을 분해하는 거의 모든 유기체는 해당 작용을 이용합니다. 포도당 조절 및 제품 사용은 유기체 간에 이러한 경로가 다른 주요 범주입니다. 일부 조직과 유기체에서 해당과정은 에너지 생산의 유일한 방법입니다. 이 경로는 무산소 호흡과 호기 호흡 모두에 공통적입니다.

해당 과정은 10단계로 구성되며 두 단계로 나뉩니다. 첫 번째 단계에서는 두 개의 ATP 분자가 분해되어야 합니다. 두 번째 단계에서 중간체의 화학 에너지는 ATP와 NADH로 전달됩니다. 포도당 1분자가 분해되면 피루브산 2 분자가 생성되며, 이는 이후 과정에서 더 많은 에너지에 접근하기 위해 추가로 산화될 수 있습니다.

이러한 경로는 피드백 조절을 통해 프로세스의 여러 단계에서 조절될 수 있습니다. 가장 많이 규제되는 단계는 세 번째 단계입니다. 이 규정은 신체가 피루브산 분자를 과도하게 생성하지 않도록 하기 위한 것입니다. 이 조절은 또한 포도당 분자를 지방산으로 저장하는 것을 허용합니다. 해당 과정 전반에 걸쳐 사용되는 다양한 효소가 있습니다. 효소는 상향 조절, 하향 조절 및 피드백이 과정을 조절합니다.

 

• 포도당의 합성

포도당 합성(Gluconeogenesis, GNG) 경로는 ATP 또는 GTP의 가수분해와 결합하여 효과적으로 이 과정을 엑서겐화할 때까지 매우 에너지적입니다. 예를 들어, 피루브산에서 포도당-6-인산으로 이어지는 경로는 자발적으로 진행되기 위해 4 분자의 ATP와 2 분자의 GTP가 필요합니다. 이 ATP는 베타 산화를 통해 지방산 이화 작용에서 공급됩니다.

 

포도당 합성(Gluconeogenesis, GNG)는 특정 비탄수화물 탄소 기질에서 포도당을 생성하는 대사 경로입니다. 그것은 식물, 동물, 곰팡이, 박테리아 및 기타 미생물에 언제 어디서나 존재하는 과정입니다. 척추동물에서 포도당 신생합성은 주로 간에서 발생하며, 덜하지만 신장의 피질에서 발생합니다. 이것은 두 가지 주요 메커니즘 중 하나입니다. 다른 하나는 글리코겐의 분해(글리코겐 분해)입니다. 인간과 다른 많은 동물이 혈당 수준을 유지하고 낮은 수준(저혈당증)을 피하는 데 사용합니다. 반추동물에서는 식이 탄수화물이 반추위 유기체에 의해 대사 되는 경향이 있기 때문에 단식, 저탄수화물 식이, 운동 등과 관계없이 포도당 신생합성이 일어납니다. 다른 많은 동물에서 이 과정은 단식, 기아, 저탄수화물 식단 또는 격렬한 운동 기간 동안 발생합니다.

인간에서 포도당신생합성의 기질은 피루브산 또는 해당 과정의 중간체로 전환될 수 있는 비탄 수화물 공급원에서 유래할 수 있습니다(그림 참조). 단백질 분해의 경우 이러한 기질에는 글루코스 생성 아미노산(케톤 생성 아미노산은 아님); 지질(예: 트리글리세리드)의 분해로 인해 글리세롤, 홀수 사슬 지방산(짝수 사슬 지방산은 아니지만 아래 참조); 그리고 대사의 다른 부분에서 그들은 Cori 회로의 젖산을 포함합니다. 장기간의 단식 상태에서 케톤체에서 파생된 아세톤은 또한 기질로 작용하여 지방산에서 포도당으로의 경로를 제공할 수 있습니다. 대부분의 포도당 신생합성은 간에서 일어나지만, 신장에 의한 포도당 신생합성의 상대적 기여는 당뇨병과 장기간의 단식에서 증가합니다.

• 글리코겐 분해

글리코겐 분해는 글리코겐의 분해를 의미합니다. 간, 근육 및 신장에서 이 과정은 필요할 때 포도당을 제공하기 위해 발생합니다. 단일 포도당 분자는 글리코겐의 한 가지에서 절단되고 이 과정에서 포도당-1-인산으로 변환됩니다. 그런 다음 이 분자는 해당 과정의 중간체인 포도당-6-인산으로 전환될 수 있습니다.

그러면 포도당-6-인산은 해당과정을 통해 진행될 수 있습니다. 해당 과정은 포도당이 글리코겐에서 유래할 때 ATP 한 분자만 입력하면 됩니다. 또는 포도당-6-인산은 간과 신장에서 다시 포도당으로 전환되어 필요한 경우 혈당 수치를 높일 수 있습니다.

간에 있는 글루카곤은 혈당이 낮아지면 글리코겐 분해를 자극하는데, 이를 저혈당증이라고 합니다. 간의 글리코겐은 식사 사이에 포도당의 예비 공급원으로 기능할 수 있습니다. 간 글리코겐은 주로 중추 신경계에 작용합니다. 아드레날린은 운동 중 골격근의 글리코겐 분해를 자극합니다. 근육에서 글리코겐은 빠르게 접근할 수 있는 운동 에너지원을 보장합니다.

 

• 글리코겐 생성

글리코겐 생성(Glycogenesis)은 글리코겐을 합성하는 과정을 말합니다. 인간에서 포도당은 이 과정을 통해 글리코겐으로 전환될 수 있습니다. 글리코겐은 고도로 갈라져 나뉜 구조로, 코어 단백질인 글리코제닌이 함께 연결된 글루코스 단위의 가지로 둘러싸여 있습니다. 글리코겐의 분기는 용해도를 증가시키고 동시에 분해를 위해 더 많은 수의 포도당 분자에 접근할 수 있게 합니다. 당 생성은 주로 간, 골격근 및 신장에서 발생합니다. 글리코겐의 생성 경로는 대부분의 합성 경로와 마찬가지로 에너지를 소비합니다. ATP와 UTP는 도입된 각 포도당 분자에 대해 소비되기 때문입니다.

 

• 오탄당 인산 경로

오탄당 인산 경로는 포도당을 산화시키는 대체 방법입니다. 간, 지방 조직, 부신 피질, 고환, 유선, 식세포 및 적혈구에서 발생합니다. NADP를 NADPH로 환원시키면서 다른 세포 공정에 사용되는 제품을 생산합니다. 이 경로는 포도당-6-인산 탈수소효소의 활성 변화를 통해 조절됩니다.

 

• 과당 대사

과당은 해당 경로에 들어가기 위해 특정 추가 단계를 거쳐야 합니다. 특정 조직에 위치한 효소는 과당에 인산기를 추가할 수 있습니다. 이 인산화는 해당 조직에서 직접 분해될 수 있는 해당 과정의 중간체인 과당-6-인산을 생성합니다. 이 경로는 근육, 지방 조직 및 신장에서 발생합니다. 간에서 효소는 과당-1-인산을 생성하며, 이는 해당 경로에 들어가 나중에 글리세르알데하이드와 디하이드록시 아세톤 인산으로 분해됩니다.

 

• 갈락토스 대사

유당 또는 유당은 포도당 1분자와 갈락토오스 1 분자로 구성됩니다. 포도당에서 분리된 후 갈락토오스는 간으로 이동하여 포도당으로 전환됩니다. 갈락토키나아제는 ATP 1 분자를 사용하여 갈락토오스를 인산화합니다. 인산화된 갈락토오스는 포도당-1-인산으로 전환되고 결국 포도당-6-인산으로 전환되어 해당 과정에서 분해될 수 있습니다.

 

 

에너지 생산

탄수화물 대사의 많은 단계를 통해 세포가 에너지에 접근하고 ATP에 더 일시적으로 저장할 수 있습니다. 보조인자 NAD+와 FAD는 때때로 이 과정에서 환원되어 다른 과정에서 ATP 생성을 유도하는 NADH와 FADH2를 형성합니다. NADH 분자는 1.5-2.5 분자의 ATP를 생성할 수 있지만, FADH2 분자는 1.5 분자의 ATP를 생성합니다.

일반적으로 호기성 호흡에 의한 포도당 1분자의 완전한 분해(해당 분해와 시트르산 순환 모두 포함)는 일반적으로 약 30~32개의 ATP 분자입니다. 탄수화물 1g의 산화는 약 4kcal의 에너지를 생성합니다.

 

 

호르몬 조절

당 조절(Glucoregulation)은 신체의 포도당 수준을 일정하게 유지하는 것을 말하며, 순환 포도당(비공식적으로 "혈당"으로 알려짐)의 수준과 십이지장의 영양소 검출은 생산되는 글루카곤 또는 인슐린의 양을 결정하는 가장 중요한 요소입니다. 글루카곤의 방출은 낮은 수준의 혈당에 의해 촉진되지만, 높은 수준의 혈당은 세포가 인슐린을 생성하도록 자극합니다. 순환 포도당 수준은 주로 식이 탄수화물 섭취에 의해 결정되기 때문에 식이는 인슐린을 통한 대사의 주요 측면을 제어합니다. 인간의 경우 인슐린은 췌장의 베타 세포에서 생성되고 지방은 지방 조직 세포에 저장되며 글리코겐은 간세포에서 필요에 따라 저장 및 방출됩니다. 인슐린 수치와 관계없이 근육 세포의 내부 글리코겐 저장소에서 혈액으로 포도당이 반출되지 않습니다.

췌장에서 분비되는 호르몬은 포도당의 전반적인 대사를 조절합니다. 인슐린과 글루카곤은 혈액 내 포도당 수치를 일정하게 유지하는 데 관여하는 주요 호르몬이며, 각각의 방출은 현재 이용할 수 있는 영양소의 양에 따라 조절됩니다. 혈액에서 방출되는 인슐린의 양과 인슐린에 대한 세포의 민감도는 모두 세포가 분해하는 포도당의 양을 결정합니다. 증가한 수준의 글루카곤은 글리코겐 분해를 촉매 하는 효소를 활성화하고 글리코 생성을 촉매 하는 효소를 억제합니다. 반대로 혈중 인슐린 수치가 높으면 글리코 생성이 향상되고 글리코겐 분해가 억제됩니다.

 

저장소로서의 탄수화물

탄수화물은 일반적으로 구조적 지지체(예: 키틴, 셀룰로오스) 또는 에너지 저장(예: 글리코겐, 전분)을 위한 글리코시드 결합이 있는 포도당 분자의 긴 중합체로 저장됩니다. 그러나 대부분의 탄수화물은 물에 대한 강한 친화력으로 인해 용매화된 물-탄수화물 복합체의 큰 분자량으로 인해 많은 양의 탄수화물을 저장하는 것이 비효율적입니다. 대부분의 유기체에서 과잉 탄수화물은 정기적으로 이화 되어 지방산 합성 경로의 공급원료인 아세틸-CoA를 형성합니다. 지방산, 트리글리세리드 및 기타 지질은 일반적으로 장기 에너지 저장에 사용됩니다. 지질의 소수성 특성은 지질을 친수성 탄수화물보다 훨씬 더 압축된 형태의 에너지 저장으로 만듭니다. 당 조절(Gluconeogenesis)은 지질을 포함한 다양한 공급원에서 포도당이 합성되도록 합니다.

일부 동물(예: 흰개미) 및 일부 미생물(예: 원생생물 및 박테리아)에서 셀룰로오스는 소화 중에 분해되어 포도당으로 흡수될 수 있습니다.