동화작용

동화작용(anabolism)은 작은 물질로부터 더 큰 분자를 만드는 대사 경로를 말한다. 이에 반해 이화작용(catabolism)은 크고 복잡한 분자를 작은 단위의 분자로 분해시키는 대사 과정이다. 동화작용은 보통 생합성과 동의어로 쓰인다. 자유 에너지가 흡수되는 에너지흡수성(endergonic) 과정이기 때문에 동화작용이 일어나려면 에너지가 필요하다. 동화작용에 의해 복잡한 분자가 합성되고 최종적으로 장기와 조직을 만든다. 이 과정을 통해 세포의 성장과 분화를 촉진시키고 신체의 크기를 증가시킨다.

이화작용(catabolism)과 동화작용(anabolism). 이화작용은 큰 분자를 작은 분자로 분해하면서 에너지를 생산하는 과정이다. 신진 대사의 측면에서 생성되는 작은 물질들은 TCA 회로의 중간체나 회로의 생성물, 또는 지방이나 아미노산 분해로부터 만들어지는 케톤성 분자들이 있다. 동화작용은 그 반대로 글루코스 신생합성 등에서 글루코스를 만들어내는 것을 말한다.()

목차

동화 작용은 단위체(monomer)를 축합 반응으로 결합시켜 단백질, 핵산 및 다당류와 같은 거대 분자를 만드는 중합(polymerization) 과정이기도 하다. 고분자는 효소와 보조인자(cofactor)를 사용하여 더 작은 분자로부터 만들어진다. 동화작용은 이화작용에 의해 동력을 얻는데 주로 아데노신 삼인산(Adenosine triphosphate, ATP)의 결합이 끊어지면서 에너지가 공급된다.¹⁾ ATP가 가수분해되고, 보조 인자인 환원형 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드 (Reduced form of Nicotinamide Adenine Dinucleotide, NADH), 환원형 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드 포스페이트(Reduced form of Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate, NADPH)가 산화되면서 화학에너지가 만들어지고 그 에너지를 이용해 전구체 물질이 결합되어 큰 분자로 합성된다. 한편 세포에서 소수성 상호작용으로 인지질 이중층(lipid bilayer)이 만들어지는 과정처럼 동화 작용이 엔트로피(entropy)에 의해서 일어나기도 하는데 이런 경우는 에너지를 필요로 하지 않는다. 동화 작용 경로의 여러 단계에서 환원제인 NADH, NADPH 등과 금속 이온이 보조 인자)(cofactor)로 작용한다. NADH, NADPH 및 FADH₂는 전자 전달체로서 역할을 하고, 효소 내의 전하를 띠는 금속 이온은 기질 안의 전하를 가진 작용기를 안정화시킨다. 동화작용의 기질은 대부분 세포에서 이화작용의 경로에서 나오는 중간체(intermediate)가 활용된다.

호르몬을 대사의 어느 부분을 자극하느냐에 따라 동화작용 호르몬(anabolic hormones) 또는 이화작용 호르몬(catabolic hormones)으로 분류할 수 있다. 동화작용 호르몬은 동화작용과 관련해 신체 기관을 구성하게 만든다. 고전적인 동화작용 호르몬은 단백질 합성과 근육 성장을 자극하는 스테로이드 계열의 성장 호르몬과 인슐린(insulin) 등이 있다. 테스토스테론(testosterone)과 에스트로겐(estrogen)도 동화작용 호르몬에 포함된다.

식물과 특정 박테리아에서 일어나는 광합성은 물과 이산화 탄소로부터 글루코스 (glucose), 셀룰로스(cellulose), 녹말(starch), 지질(lipid) 및 단백질(proteins)을 생산하는 동화작용 과정 중의 하나이다. 광합성은 빛에 의한 반응으로부터 생성된 에너지를 사용하여 캘빈회로(Calvin cycle)라 부르는 탄소 환원 회로에서 탄소 동화를 통해 분자량이 작은 전구체로부터 분자량이 큰 생체 물질을 합성한다.²⁾

아미노산 생합성(amino acid biosynthesis) 해당작용(glycolysis)과 시트르산 회로(citric acid cycle)에서 발생하는 중간체 물질로부터 아미노산이 생합성 되는 과정()

모든 아미노산은 해당과정(glycolysis), 시트르산 회로(citric acid cycle) 또는 오탄당 인산염 경로(pentose phosphate pathway)의 이화작용 과정에서 생성되는 중간체로부터 만들어진다.²⁾ 해당과정에서 글루코스 6-인산(glucose 6-phosphate)은 히스티딘의 전구체이다. 3-포스포글리세르산(3-phosphoglycerate)은 글라이신(glycine) 및 시스테인(cysteine)의 전구체이다. 포스포엔올 피루베이트(phosphoenol pyruvate)는 3-포스포글리세르산에서 유래된 에리트로스 4-인산(erythrose 4-phosphate)과 결합하여 트립토판, 페닐알라닌 및 타이로신(tyrosine)을 만든다. 피루베이트(pyruvate)는 알라닌(alanine), 발린(valine), 류신(leucine), 아이소류신(isoleucine)의 전구체이다. 시트르산 회로에서 α-케토글루타레이트(α-ketoglutarate)는 글루타메이트(glutamate)로 전환되고 그 후 글루타민(glutamine), 프롤린(proline), 아르지닌(arginine)으로 변한다. 옥살아세테이트(oxaloacetate)는 아스파르테이트(aspartate)로 전환되고, 그 후 아스파라진(asparagine), 메타이오닌(methionine), 트레오닌(threonine), 라이신(lysine)으로 다시 변환된다.

글루코스신생합성(gluconeogenesis)은 락트산(lactic acid)이나 피루브산(pyruvate), 글라이세롤(glycerol)이나 아미노산(amino acid) 같은 탄수화물이 아닌 물질로 글루코스를 만드는 동화작용이다. 혈당이 떨어지는 것을 막기 위한 방법으로 생체 내에서 주로 간에서 일어나며, 일부는 신장의 피질에서도 일어난다. 글루카곤(glucagon)은 이화작용 호르몬으로 분류되나 글루코스신생합성(gluconeogenesis)을 촉진하기도 한다. 글루코스신생합성 과정에서 피루브산이 글루코스로 전환된다. 피루브산은 아미노산, 글루코스, 글라이세롤 또는 락트산이 분해되어 만들어질 수 있다. 글루코스신생합성 경로는 해당과정과 반대 방향의 과정이지만 해당과정의 역과정은 아니다.³⁾

동화작용과 이화작용 사이의 균형은 세포 내의 ADP와 ATP에 민감하여, ATP가 많으면 세포는 동화작용 경로를 선택하고 이화작용을 느리게 하지만, 반대로 ADP가 많으면 동화작용을 늦추고 이화작용을 선호하게 된다. 또한 동물의 하루 중 정상적인 활동 시간에 맞게 적절한 경로가 일어나도록 활동일 주기(circadian rhythm)에 의해서도 조절된다.⁴⁾

1. Nicholls DG, Ferguson SJ (2002). Bioenergetics (3rd ed.). Academic Press. ISBN 978-0-12-518121-1.
2. Nelson DL, Lehninger AL, Cox MM (2013). Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman. ISBN 978-1-4292-3414-6.
3. Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L (2002). Biochemistry (5th ed.). New York: W.H. Freeman. ISBN 978-0-7167-3051-4. OCLC 48055706.
4. Ramsey KM, Marcheva B, Kohsaka A, Bass J (2007). 'The clockwork of metabolism'. Annual Review of Nutrition. 27: 219–40.