탄수화물, 단백질의 특징과 에너지(ATP) 생성 과정

체내 에너지 단위 ATP란?

우리 몸은 3대 영양소인 당질, 단백질, 지질을 분해해서 나오는 에너지를 체내 에너지로 사용한다. 이 시스템을 ‘에너지 대사’라고 부른다. 몸이 에너지로 사용하는 물질은 ATP (아데노신3인산)이다. 3이라는 숫자처럼 ATP에는 인산 3개에 붙어있다. 인산 결합부에 에너지가 축적되어 있고, ATP에서 인산이 한 개 떨어져 나올 때 약 7.3kcal의 에너지가 생성된다.

 

APT가 생성되는 두 가지 경로 (해당경로와 TCA 회로)

ATP를 만드는 에너지 대사 시스템에는 ‘해당경로’와 ‘TCA 회로’라는 두 가지 경로가 있다.

1) 해당경로

산소를 사용하지 않고 ATP를 생성해 ‘무산소성해당’이라고도 한다. 에너지원으로 가장 많이 사용되는 당질, 즉 포도당(글루코스)은 세포로 운반된 다음 ‘해당경로’에 따라 피루브산으로 분해되면서 ATP가 만들어진다. 당질(탄수화물) 종류 중에서 해당경로 통해 에너지를 생성하는 건 포도당(글루코스)뿐이다. 해당경로는 대부분의 세포에서 일어날 수 있어 에너지를 신속하게 만든다는 장점이 있으나, 글루코스 한 분자에서 만들어지는 ATP는 두 개 분자에 불과하고, 산소를 사용하지 않는 무산소 과정에서 피루브산이 ‘젖산’으로 변환돼 세포 내에 축적된다. 근육통과 피로감을 느끼는 것이 바로 이 젖산 때문이다. 무산소 운동 시 해당경로를 통해 만든 에너지가 쓰인다.

2) TCA 회로

해당경로와 달리 산소를 사용하는 경로다. 포도당(글루코스)이 피루브산으로 분해된 다음 세포 내 미토콘드리아로 들어가 아세틸CoA로 환원된다. 아세틸CoA는 TCA 회로에서 옥살아세트산과 결합해 시트르산이 된다. 시트르산은 수소원자를 이용해 ATP를 생성한다. TCA 회로로 만들어지는 ATP 양은 포도당(글루코스) 한 분자 당 최대 36개 분자에 이른다. 아세틸CoA는 최종적으로 물과 이산화탄소로 분해된다. 산소가 필요한 TCA 회로의 에너지를 쓰는 운동은 걷기나 달리기와 같은 유산소 운동이다. 축적된 체지방을 연소할 수 있어서 다이어트에 적합하다.

단백질과 지질도 아미노기나 지방산을 분리한 다음 해당경로나 TCA 회로에서 ATP를 생성하는 물질을 만들어낼 수 있다.

ATP가 생성되는 과정에는 많은 양의 비타민이 관여한다.

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당질(탄수화물)이란?

1g 당 4kcal의 에너지를 생성하는 당질은 인체 에너지원으로 가장 중요한 영양소다. 당질은 크게 단당류, 이당류, 다당류로 구분되며, 과당, 포도당, 젖당 등 종류도 다양하다. 당질의 최소단위는 단당류로, 이당류나 다당류의 당질은 단당류로 분해된 다음 몸에 흡수될 수 있다. 당 분자 두 개가 결합된 형태를 이당류, 여러 개의 당 분자가 결합된 형태를 다당류라고 부른다. 단당류 중에서도 인체에 가장 많이 들어오는 종류는 글루코스(포도당)이다. 혈중에 혈당으로 존재하며 세포에서 에너지원으로 쓰인다. 뇌도 주요 에너지원으로 글루코스를 사용하며, 하루에 약 200~300kcal(90~120g)의 포도당을 필요로 한다. 일본은 하루 섭취 칼로리의 50~65%를 당질로 섭취하도록 권장한다. 당질이 부족하면 에너지 부족으로 체력이 떨어지고 피곤해지기 쉽지만, 과잉섭취하면 중성지방으로 축적돼 비만과 각종 생활습관병에 걸릴 위험이 높아진다.

단당류, 이당류, 다당류의 종류 및 특징

당질의 체내 대사 과정

식품에 가장 많이 들어있는 당질은 전분이다. 몸이 식품에 들어있는 다당류로 에너지를 만들기 위해서는 먼저, 다당류를 소장에서 흡수할 수 있는 형태인 단당류로 분해해야 한다. 단당류인 글루코스(포도당)는 소장에서 혈액으로 흡수되면 혈당이 되어 전신의 세포를 순환한다. 혈중 글루코스 농도 즉, 혈당치가 높아지면 글루코스는 간이나 근육에 글리코겐의 형태로 저장된다. 글루코스가 필요할 때는 포스포릴라아제(phosphorylase)가 저장된 글리코겐을 다시 글루코스로 분해해 에너지로 사용한다. 간이나 근육에 저장하고도 남는 글루코스는 중성지방으로 변환되어 피하지방이나 내장지방에 축적된다.

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단백질이란?

단백질은 인체를 구성하는 성분으로 중요한 영양소다. 내장, 근육, 피부, 머리카락, 손톱에 이르기까지 몸을 만드는 기본 물질이다. 각종 호르몬과 면역항체의 재료이기도 하다. 단백질이 분해돼 생기는 아미노산에는 대략 20종류가 있다. 이 중 9종류는 체내에서 자체적으로 생성되지 않거나 생성 속도가 느려 음식물을 통해 섭취해야 한다. 이를 ‘필수 아미노산’이라고 부른다. 동물성 식품인 고기, 생선류나 식물성 식품인 곡물, 콩 등을 통해 섭취한 단백질은 체내에서 소화돼 일단 아미노산으로 분해되고, 몸에 필요한 단백질로 다시 합성돼 이용된다. 몸을 구성하는 단백질 종류는 약 3만 종이나 된다. 각각 아미노산들이 다양하게 배열되어 결합한 것이다. 각각의 단백질을 생성할 때 아미노산이 하나라도 빠지면 단백질을 합성할 수 없기 때문에 필수아미노산이 부족해지지 않도록 주의해야 한다.

단백질은 과잉 섭취해도 몸에 저장되지 않는다. 과잉 단백질은 간에서 글리코겐이나 지방으로 변환된 후 체내 에너지원으로 사용된다. 단백질은 탄수화물(당질)과 마찬가지로 1g당 4kcal의 에너지를 만들 수 있다.

1) 동물성 단백질 : 고기, 생선, 우유, 달걀 등 동물성식품에 함유된 단백질로 필수아미노산이 많다.

2) 식물성 단백질 : 곡류, 콩류, 야채 등 식물성식품에 들어있는 단백질이다. 필수아미노산 비율이 동물성 단백질에 비해 낮지만, 신장 기능에 좋다.

필수 아미노산과 비필수 아미노산의 종류 및 기능

 

단백질의 체내 대사 과정

1) 음식물로 들어온 단백질

소화 기관을 거치면서 아미노산으로 분해된 다음 소장에서 흡수되어 혈액으로 들어간다. 혈류를 통해 간으로 운반된다. 간에서 ‘아미노산풀’ (pool)로 들어가 몸의 각 조직이나 산소, 호르몬, 면역항체의 재료로 사용된다.

2) 체구성 단백질

인체 조직을 구성하는 체구성 단백질은 계속해서 합성과 분해를 반복한다. 이렇게 분해와 합성을 반복하는 현상을 ‘대사회전’ (turn over)이라고 한다. 대사회전 속도는 조직이나 기관에 따라 다르다. 체구성 단백질에서 분해된 아미노산은 간과 혈액 속 ‘아미노산풀’ (pool)에 저장된다. 아미노산 풀에는 음식을 섭취해 들어온 아미노산과 체구성 단백질이 분해돼 만들어진 아미노산이 함께 섞여 있다.

 

단백질이 ATP로 사용되는 과정

인체는 에너지원인 ATP를 만들기 위해 당질과 지질을 먼저 이용하지만, 두 에너지원이 부족해지면 근육 속 아미노산을 분해해 에너지원으로 사용한다. 아미노산이 분해돼 나오는 α -케톤산이 TCA회로를 거쳐 ATP로 변환된 다음, 최종적으로 이산화탄소와 물로 분해된다. 당질, 지질과 달리 아미노산에는 질소가 함유돼 있다. 아미노기에 붙어있는 질소 성분은 분해 시 유해한 암모니아를 생성하는데, 간이 요소회로에서 이 암모니아를 무해한 요소로 변환시킨 다음 소변으로 배출한다.

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출처 : (도서)

영양학의 기본 (와타나베 쇼 / 성안당)