산화반응 통해 에너지 생성 및 인체 구성성분 작용한다
포도당은 비타민과 미네랄의 충분한 섭취로 뒷받침해야

 

 

 

 

 

포도당의 기능

포도당(葡萄糖 glucose)은 알데하이드기를 가지는 당의 일종으로 사슬 모양보다는 육각고리형 모양으로 흔히 존재한다. 분자식은 C6H12O6, 분자량은 약 180이다. 다당류로 결합했을 때의 형태에 따라 알파(alpha) 형과 베타(beta) 형이 있다. 뇌, 신경, 폐 조직에 있어서 포도당은 에너지원으로 필수적이며 혈중 포도당 농도에 민감하게 반응하여 결핍증이 되면 즉각 경련을 일으키게 된다.


‘먹는다’ , ‘숨 쉰다’ 이 두 말을 다른 말로 하면 ‘생존을 한다’입니다. 생존을 위해서 먹기는 하지만 대부분의 사람들은 맛있는 음식을 먹기를 원하고 또 맛있는 음식을 찾아서 먹습니다.
맛있는 음식은 단맛, 신맛, 짠맛, 매운맛 등이 어울려 나오는 맛입니다. 그중에서 음식이 맛있다는 것을 느끼는 것은 단맛이 가장 중요할 것입니다. 단맛은 어떤 열매가 충분히 익었을 때 나타나는 맛입니다. 충분히 익은 과일은 단맛이 나고 조금 들 익었을 때는 신맛이 나거나 너무 안 익은 열매는 쓴맛이 나기도 합니다. 단맛이란 인류가 구한 음식을 먹을 것인가 아니면 먹지 않을지 선택하는 중요한 맛이기도 합니다. 이러한 단맛을 항상 구할 수 있는 것은 아닙니다. 그래서 과거에 꿀이나 설탕 등 단맛이 있는 음식은 다른 음식을 요리 할 때 조금씩 사용하던 음식의 조미료였습니다. 단맛의 조미료를 통해서 인류는 엄청나게 많은 종류의 음식을 먹을 수 있게 됩니다.
인류가 단맛을 좋아하는 이유는 바로 포도당을 얻기 위해서입니다. 포도당은 혈중에 항상 존재를 해야 하며 그 양도 항상 일정하게 존재를 해야 합니다. 포도당은 인체에서 에너지로, ribose와 uronic acid로 전환이 됩니다. 또 glycogen으로 저장이 되어서 포도당이 공급이 부족할 때나 필요시 사용이 됩니다. 식사 후에 포도당의 농도가 올라갈 때와 기아나 수면 등으로 포도당의 섭취가 없을 때에도 인체의 혈당(blood glucose)은 항상 일정하게 유지를 합니다.

1) 에너지로서의 포도당 glycolysis
포도당이 인체에서 에너지로 전환되기 위해서는 산화가 되어야 합니다. 세포질에서 포도당 산화반응을 glycolysis라고 부릅니다.

▲ 그림1 glycolysis

glycolysis의 net reaction은 Glucose + 2NAD+ + 2ADP + 2 Pi ----> 2Pyuvate + 2NADH + 2H++ 2ATP + H2O입니다. 이 반응을 통해서 인체는 에너지(ATP, NADH)와 pyruvate를 얻게 됩니다.
하지만 인체가 필요로 하는 에너지는 glycolysis만으로는 부족하고 미토콘드리아의 도움으로 에너지를 얻게 됩니다. 포도당은 직접 미토콘드리아로 들어가지 못하고 반드시 pyruvate로 전환이 되어야 합니다. pyruvate는 여러 효소의 작용을 받아 acetyl-coA로 전환이 되고 이것은 TCA cycle과 전자전달계(electron transport chain)에 의해서 에너지(ATP)로 전환이 됩니다.

▲ 그림2 포도당 산화와 에너지 전환

포도당이 모두 에너지로 전환이 된다면 그림2와 같이 생각을 할 수 있습니다. 하지만 인체 세포에서 포도당의 대사는 각각의 세포와 세포가 놓인 상황에 따라서 다른 대사를 가지고 있습니다.

▲ 그림3 세포와 포도당의 대사

포도당은 pyruvate로 전환이 되고 이것이 미토콘드리아에서 산화가 되어 전부 에너지로 전환이 되는 것은 아닙니다. 우선 미토콘드리아가 없는 적혈구는 pyruvate까지만 분해가 됩니다. 미토콘드리아가 없는 관계로 다른 영양소는 에너지로 전환이 되지 않고 항상 포도당이 있어야 세포의 기능을 하게 됩니다.  뇌는 미토콘드리아가 존재하지만 다른 영양소는 에너지로 사용하지 않고 포도당을 주로 에너지로 사용을 합니다. 일부는 ketone body(지방에서 유래)를 뇌의 에너지로 사용하기는 하지만 많은 양을 사용하는 것은 아닙니다. 근육은 에너지가 사용되는 상황에 따라서 다르게 반응을 하는데 위급상황이나 산소의 공급이 원활하지 못하면 포도당의 대사는 pyruvate까지 사용을 하게 됩니다. 그리고 간은 포도당의 사용보다는 인체에 포도당의 안정적인 공급을 위해서 대사를 변화시킵니다.

2) 인체의 구성성분으로의 포도당
포도당의 많은 부분은 에너지로 작용을 합니다. 하지만 포도당도 아미노산, 지방과 함께 인체의 구성성분입니다. 그 중에 대표적인 pentose phosphate pathway와 uronic acid pathway를 보겠습니다.
 
① pentose phosphate pathway
포도당의 다른 산화 반응이 pentose phosphate pathway입니다. 이 반응도 glycolysis와 마찬가지로 세포질에서 일어나는 반응입니다. 세포는 pentose phosphate pathway를 통해서 NADPH와 ribose-5 phosphate를 얻게 됩니다.

▲ 그림 4 pentose phosphate pathway

pentose phosphate pathway는 세포질의 NADPH/NADP+의 비율(간에서는 약 100:1)에 의해서 대사가 조절이 됩니다. 산화스트레스에 의해서 glutathione이 산화가 많아지고 이것을 환원시키기 위해서 NADPH소비가 늘어가게 되면 이 반응이 증가를 하고 환원된 glutathione, NADPH가 많으면 반응은 줄어듭니다.

▲ 그림5 산화스트레스와 pentose phosphate pathway

NADPH는 수정체에서 수정체 단백질에 필수적인 역할을 수행을 하고 대식세포의 phagocytosis에서 식균작용을 하는데 결정적인 역할을 수행합니다. 그리고 인체에서 glutathione과 더불어서 환원상태를 유지하는 역할을 수행합니다.
NADPH는 pentose phosphate pathway의 대사과정에서 생긴 물질이라면 riobose-5 phosphate는 이 반응의 최종 산물입니다. ribose-5 phosphate는 nucleic acid와 nucleotide의 합성에 필수적인 물질입니다. 이것을 통해서 인체는 DNA 또는 RNA의 backbone을 형성을 하고 인체에 중요한 분자인 ATP, ADP, cAMP, cGMP의 형성에 중요 성분으로 작용을 합니다. 또 coenzyme으로 NAD, NADP, FAD, FMN, CoA의 구성성분이기도 합니다.  

▲ 그림6 ribose와 nucleotide

② uronic acid pathway
포도당의 또 다른 변화는 glucuronic acid입니다. uronic acid로 불리고도 하는 이 물질은 인체에서 크게 2가지 역할을 수행을 합니다. glucuronic acid는 외부물질(의약품, 식품첨가물, endogenous hormone ; 갑성선 호르몬, 스테로이드 호르몬 중 일부 등)을 수용성으로 만들어 소변으로 배출을 하게 도와줍니다. 그리고 인체의 결합조직인 콜라겐이나 엘라스틴에 결합하는 proteoglycan, glycosaminoglycans(GAGs, chondroitin, hyarulonic acid, heparin, keratan)을 구성하는 물질로 사용이 됩니다. 

▲ 그림7 uronic acid pathway

3) 맺음말
포도당이 인체에서 사용되는 것을 크게 3가지로 보았습니다. 포도당은 인체에서 에너지로 사용이 되고 nucleic acid, nucleotide의 구성성분으로 detoxification으로 작용하는 uronic acid로 그리고 인체의 결합조직에 참여하는 물질로 사용이 됩니다. 이 외에도 포도당은 다른 당(fructose, mannose 등)으로 전환이 되며 이당류, 다당류, 올리고당으로 전환이 됩니다. 또 지방, 글리세롤, 콜레스테롤로 전환이 가능합니다. 아미노산과 결합을 하여서 amino sugar로 만들어지고 이것은 GAGs, proteoglycan의 합성에 중요한 물질이 됩니다.
이러한 포도당의 역할은 결코 다른 물질로 대체되지 않습니다. 적혈구는 포도당이 없으면 그 기능을 할 수 없으며 뇌나 신경에 영양소로 ketone body가 충분히 공급이 되어서 에너지면에서 문제가 없다고 하더라도 뇌는 포도당의 공급이 없으면 심각한 문제가 나타납니다. 뇌과문인 BBB(brain blood barrier)로 인해서 간에서 만들어진 물질이 공급 되지 못하고 꼭 필요한 원료만 공급이 됩니다. 뇌는 많은 부분을 자체적으로 합성을 해야 하며 뇌를 이루는 모든 구조를 만들어야 합니다. 이 중에서 포도당의 역할은 절대적으로 중요한 역할을 수행하게 됩니다.
포도당의 이러한 기능은 포도당 단독으로는 일어나지 않습니다. 많은 효소와 조효소의 작용 그리고 cofactor인 비타민과 미네랄이 있어야 가능한 작용들입니다. 포도당이 세포 안으로 이동을 하게 되면 반드시 phosphorylation이 되어야 위에 있는 모든 반응이 일어날 수 있는 것입니다. 만약 hexokinase와 Mg 등이 부족하게 되면 포도당의 phosphorylation은 일어나지 않고 위의 모든 반응은 아무것도 일어나지 않게 됩니다. 포도당은 과거 구석기시대부터 설탕의 공급이 그리 많지 않았던 근세까지 인체에 중요한 물질이었습니다. 그리고 설탕이나 꿀은 아주 좋은 포도당 공급원이었고 아주 귀하기도 하고 가격 면으로도 엄청 비싼 가격에 거래가 되었습니다. 지금 현재에도 포도당은 아주 훌륭한 물질입니다. 공부를 하거나 생각을 많이 하게 될 때, 위급한 상황에서 많은 에너지를 소비할 때, 우울한 기분이 들 때, 등 많은 경우에 꼭 필요한 영양소입니다.
과거에 없어서 못 먹던 달콤한 포도당을 현대인은 그리 달갑게 생각을 하지 않습니다. 과잉의 포도당으로 인해서 발생하는 당뇨는 현대인에게 유행병처럼 많이 발생을 하게 되었습니다. 맛있고 달콤한 음식은 건강에 큰 문제를 일으키는 음식으로 바뀌게 되었고 건강을 위해서는 맛이 없고 거친 음식을 먹어야 한다고 생각을 합니다.
하지만 달콤한 맛의 유혹은 그리 쉽게 없앨 수 없습니다. 건강이나 미용을 위해서 다이어트를 할 때 자신의 배를 만져보면 자신의 몸에 공급할 충분한 지방이 있습니다. 비타민, 미네랄 등의 부족은 인체에 공급할 충분한 포도당을 만드는 것(gluconeogensis)이 제대로 이루어 지지 못할 수 있습니다. 그렇게 되면 뇌는 아무리 의지가 강한 사람이라도 반드시 달콤함 음식을 먹으라고 명령을 내리게 됩니다.
현대는 영양의 과잉시대입니다. 과거의 어느 시기보다 많이 먹고 있습니다. 인류는 이누이트족 처럼 고기를 많이 먹기도 하였습니다. 하지만 지금처럼 엄청난 양의 포도당을 섭취를 하는 경우는 없었습니다. 그리고 여기에 다른 미네랄, 비타민이 부족하게 섭취했던 적도 없었습니다. 당분이 충분한 맛있는 과일에도 비타민, 미네랄이 풍부합니다. 맛있다는 것은 당분 외에 다른 물질도 풍부하다는 말과 같습니다. 하지만 가공식품의 범람은 당분 외에 다른 물질이 풍부하다고 결코 말할 수 없는 시기에 살고 있는 것입니다.
현대는 비타민, 미네랄 등 다른 영양소의 부족은 보지 못하고 그저 단순히 포도당의 과잉만이 문제인 것처럼 얘기를 하고 있는 것입니다.
이 장에서는 포도당의 기능을 살펴보았습니다. 다음 장에는 과거 인류는 포도당이 부족한 경우 어떻게 포도당을 사용하였으며 인체에서 항상 일정한 혈당(glucose homeostasis)을 유지하였는지 살펴보겠습니다. 그리고 혈당이 제대로 유지되지 못할 때 나타나는 반응도 같이 보겠습니다.

 

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