이화작용

이화작용(catabolism)은 복잡한 분자를 작은 단위의 분자로 분해시키는 대사 과정의 일부분이다. 이화작용은 크게 3단계로 구분할 수 있는데, 1단계는 단백질, 다당류, 지질 등의 큰 유기 분자를 세포 바깥에서 단당류, 지방산, 뉴클레오타이드 및 아미노산 등과 같은 보다 작은 분자로 소화하는 것이다. 2단계는 이 작은 분자를 세포 내로 흡수하여 에너지를 일부 방출하는 더욱 작은 분자, 대개는 아세틸 조효소 A(acetyl-CoA)로 전환하는 단계이다. 마지막 3단계는 아세틸 조효소 A가 시트르산 회로와 전자전달계를 통해 물과 이산화 탄소로 산화되고, 이 과정에서 방출되는 에너지의 일부가 조효소 NAD⁺를 NADH로 환원하면서 에너지를 저장한다.¹⁾

이화작용과는 반대의 역할, 즉 간단한 단위 분자를 활용하여 보다 복잡한 분자를 만들어내는 과정을 동화작용(anabolism)이라고 한다. 세포는 이화작용을 통해서 영양소와 음식물을 분해하면서 세포 내의 ATP 농도를 증가시키고, 이렇게 형성된 고농도의 ATP를 활용하여 간단한 구조의 전구체 분자들로부터 복잡한 생체 분자를 만들어내는 동화작용을 수행한다.

생체 고분자의 분해과정. 단백질, 탄수화물, 지방이 가수분해되면 각각 아미노산, 단당류, 지방산으로 분해된다. 아미노산, 단당류, 지방산은 추가적인 대사과정을 거쳐서 아세틸 조효소 A를 생성하게 되고 아세틸 조효소 A는 시트르산 회로에 진입하여 결과적으로 ATP 를 생산한다. ()

목차

탄수화물 이화작용은 탄수화물을 더 작은 단위로 분해하는 과정이며, 일반적인 경우에 글루코스와 같은 단당류로 분해된 후에 세포로 흡수된다. 세포 안으로 들어온 단당류는 해당과정을 거쳐서 피루브산(pyruvic acid)으로 전환되며, 이때 발생하는 에너지의 일부가 ATP의 형태로 저장된다.²⁾ 피루브산은 다른 대사 회로의 중간체로 사용되기도 하지만, 대부분의 경우 아세틸 조효소 A(acetyl-CoA)로 전환되어 시트르산 회로로 들어가게 된다. 시트르산 회로를 통해서 추가적으로 탄수화물 분해가 이루어지고 이때 발생하는 에너지가 ATP와 NADH 형태로 변환되어 저장된다. 시트르산 회로에서 생성된 ATP와 NADH는 동화작용 등의 에너지를 필요로 하는 대사 과정에서 중요한 역할을 수행한다.

시트르산 회로(citric acid cycle)는 TCA 회로(TCA cycle) 또는 크렙스 회로(Krebs cycle)라고도 불린다. ()

단백질이 가수분해되면 아미노산을 생성하는데, 이때 생성된 아미노산은 단백질이나 다른 생체분자를 합성하는데 다시 활용되거나, 더 작은 단위인 요소와 이산화 탄소로 산화되면서 에너지를 생산할 수 있다. ³⁾ 아미노산의 산화는 아미노기 전이효소(transaminase)에 의해 아미노기를 제거하면서 시작한다. 아미노기는 요소 회로로 들어가고, 아미노기가 제거된 탄소 골격은 케토산의 형태로 남는다. 이 케토산 중에 몇몇은 시트르산 회로의 중간체로 대사과정을 거치게 된다.

지방은 가수분해를 통해서 글리세롤과 지방산으로 분해된다. 생성된 글리세롤은 포도당 분해과정인 해당과정으로 들어가게 되고, 지방산의 경우에는 베타 산화(beta oxidation) 과정을 통하여 분해되어 아세틸 조효소 A로 변환된 후에 시트르산 회로에 진입한다. 지방산이 산화되면 탄수화물보다 더 많은 에너지가 방출된다.⁴⁾

이화작용을 조절할 수 있는 ​​많은 생체 신호가 있다. 이화작용을 조절할 수 있는 신호의 대부분은 호르몬이거나 또는 신진 대사 자체에 관여하고 있는 물질이다. 생체 내의 많은 호르몬은 신진 대사의 어느 부분에 자극을 줄 수 있는가에 따라 동화작용 또는 이화작용 호르몬으로 분류할 수 있다. 20세기 초반부터 알려져 있는 소위 고전적인 이화작용 호르몬으로는 코티솔(cortisol), 글루카곤(glucagon) 및 아드레날린(adrenalin)을 포함한 카테콜아민 계열의 호르몬들이 있다. 최근에는 사이토카인(cytokines), 오렉신(orexin), 멜라토닌(melatonin)을 비롯한 다양한 호르몬들이 이화작용을 유도할 수 있는 것으로 밝혀지고 있다.

1. Nealson K, Conrad P (1999). "Life: past, present and future". 《Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci》 354 (1392): 1923–39.
2. Bell G, Burant C, Takeda J, Gould G (1993). "Structure and function of mammalian facilitative sugar transporters". 《J Biol Chem》 268 (26): 19161–4.
3. Sakami W, Harrington H (1963). "Amino acid metabolism". 《Annu Rev Biochem》 32: 355–98.
4. Stryer, Lubert (1995). 'Fatty acid metabolism.'. In: Biochemistry (Fourth ed.). New York: W.H. Freeman and Company. pp. 603–628. ISBN 0 7167 2009 4.