나이가 들면서 생기는 노화의 증상은 피부가 처지고 주름이 생기는 것뿐만 아니라, 점점 체력이 떨어지는 현상도 나타납니다 젊었을 때는 움직임이 힘차고 활력이 넘치지만, 나이가 들어가면서 아주 조금씩 힘이 줄어들고, 고연령층이 되면 모든 움직임에서 에너지가 급격히 떨어지는 것을 느끼게 됩니다
그렇다면 우리 몸에서는 어떻게 에너지가 만들어지며, 나이가 들면서 왜 점점 줄어드는 걸까요
우리 몸에는 ATP라는 에너지를 만드는 분자가 있습니다
이 분자는 마치 로켓이 탄력을 받아 움직이듯, 에너지를 방출하여 우리가 힘차게 몸을 움직이도록 도와줍니다
ATP분자는 우리 몸을 이루고 있는 각 세포 안에 있는 미토콘드리아에서 만들어집니다
우리 몸은 약 60조 개의 세포로 이루어져 있다고 하는데, 세포마다 미토콘드리아가 있으니까 우리 몸 안에는 약 60조 개의 에너지를 만드는 공장이 있는 셈입니다
우리가 힘 있게 움직이는 에너지의 근원은 이곳에서 나오는데, 이 에너지의 재료는 우리가 먹는 음식물로부터 만들어집니다 이 글에서는 우리가 음식을 먹고 그 음식물들이 어떻게 에너지를 주는 분자로 변하는지의 과정을 살펴보겠습니다
음식물의 소화과정
우리의 몸은 에너지가 고갈되어 있음을 배고픔이나 기운 없음으로 느끼고 음식물을 섭취합니다
그런데 만약 우리의 혀가 미각이라는 즐거움을 느끼지 못했다면, 우리는 음식물을 섭취하는 과정을 매우 번거롭고 귀찮게 여겼을 것 같습니다
그러나 우리의 인체는 감각을 즐겁게 해 주는 미각세포가 있어서, 음식물을 섭취하는 과정을 즐겁게 여깁니다
이후 음식이 입으로 들어오면, 소화의 첫 단계가 시작되는데, 치아가 음식물을 잘게 부수는 작업을 합니다
그리고 침 속에 들어있는 아밀레이스 효소는 전분(복잡한 탄수화물)등을 말토스 같은 당으로 분해하기 시작합니다
이후 음식물은 식도라는 통로를 지나 위로 들어갑니다
위에서는 염산, 즉 HCL 같은 강한 산성의 위산이 분비되어 단백질의 구조를 풀어주고 음식물과 함께 들어온 세균을 제거합니다 그리고 이어서 펩신이라는 효소는 단백질을 짧은 펩타이드 형태로 분해합니다
한편, 탄수화물은 입 속에서 아밀레이스에 의해 분해가 되어 위로 내려오는데, 위해서는 더 이상 분해되지 않고 다음 단계로 넘어갑니다
지방 역시 위에서는 아주 소량만 분해되고 거의 분해되는 과정 없이 소장으로 내려가는데, 지방의 거의 대부분은 소장에서 분해됩니다
여기까지의 과정은 에너지를 만들기 위한 재료를 잘게 자르고 구조를 풀어, 다음 단계에서 효소들이 효과적으로 작용할 수 있도록 준비하는 단계라고 할 수 있습니다
이후 분해된 영양분들은 소장으로 내려가는데 소장은 십이지장, 공장, 회장의 세 부분으로 나뉩니다
먼저 분해된 재료들이 위 바로 아래의 십이지장으로 내려오면 위와 십이지장 사이에 있는 췌장에서 아밀레이스라는 효소가 나와 당을 분해하고 트립신은 단백질을, 리파아제는 지방을 분해합니다
그리고 간에서 나온 담즙이 지방을 미세한 방울로 유화시킵니다
이렇게 탄수화물은 포도당으로, 단백질은 아미노산으로, 지방은 지방산과 글리세롤로 분해되어 소장의 아랫부분에 해당하는 공장과 회장으로 내려갑니다
그리고 공장과 회장의 융털을 통하여 흡수됩니다
융털 속에는 모세혈관과 암죽관이라는 2가지의 통로가 있습니다
모세혈관은 포도당과 아미노산이 이동하는 통로인데, 이들은 모세혈관으로 들어가 혈액을 통하여 이동해 간을 거친 뒤, 온몸의 세포로 운반됩니다
암죽관은 지방과 글리세롤이 이동하는 통로이며, 암죽관을 통하여 흡수되어 림프관을 통해 세포로 전달됩니다
이제부터 음식은 더 이상 음식이 아니라, 세포가 읽을 수 있는 분자(포도당, 지방산, 아미노산)가 되어 세포막에 있는 수송 단백질의 도움을 받아 세포의 안으로 들어가게 됩니다
이제 포도당, 지방산, 아미노산이 각각 세포 안으로 들어가 ATP가 되는 과정을 살펴보겠습니다
포도당이 에너지가 되는 과정
탄수화물이 분해되어 세포질로 들어온 포도당(C₆H₁₂O₆)은 주로 미토콘드리아로 들어간 후 ATP 분자를 만들기 시작하지만, 미토콘드리아로 들어가기 직전인 세포질 안에서도 약간의 ATP를 만들어내기도 합니다
그리고 남은 포도당은 더 분해되어 미토콘드리아로 들어갈 준비를 합니다
그런데 미토콘드리아는 아무 물질이나 통과할 수 없기 때문에 특수한 단백질과 연결되어 미토콘드리아로 들어갑니다
그런데 미토콘드리아는 선택적으로 물질을 통과시키기 때문에, 피루브산(C₃H₄O₃)은 특수한 운반 단백질을 통해 안으로 들어갑니다
미토콘드리아로 들어온 피르브산 (C₃H₄O₃)은 이곳에서 또 한 번의 변화를 겪는데, 이산화탄소(CO₂)가 하나 떨어져 나가고 아세틸- CoA라는 물질로 바뀝니다
(아세틸은 -CO-CH3 구조를 가진 2개의 탄소로 이루어진 작은 화학 조각으로, 혼자 존재하기보다는 다른 분자와 결합하거나 반응하는 데 사용됩니다)
CoA (coenzyme)는 아세틸 기를 안전하게 붙잡아 효소들이 아세틸 기를 정확하게 인식하도록 도와주는 역할을 합니다
이렇게 준비된 아세틸- CoA는 크렙스 회로(시트르산 회로) 안으로 들어가 본격적으로 에너지를 만들게 됩니다
(크렙스 회로란 아세틸-CoA분자에 효소가 순서대로 작용하면서 전자라는 형태의 에너지를 빼내는 과정입니다)
이 과정을 지나는 동안 일부 이산화탄소는 방출되고, 전자는 NADH와 FADH₂라는 분자에 저장됩니다
다음 단계는 NADH와 FADH₂에 저장된 전자들이 미토콘드리아의 안 쪽 막에 있는 전자 전달계로 이동됩니다
전자는 이 단백질 통로를 차례차례 지나가면서 조금씩 에너지를 사용하는데, 그 에너지는 미토콘드리아 안 쪽에 있는 수소 양성자(H⁺)를 막 사이 공간으로 밀어내는 데 사용합니다
그리고 막 사이 공간에 충분히 모인 수소 양성자(H⁺)는 농도차와 전기적 기울기에 의해서 다시 미토콘드리아의 기질 쪽으로 흐르게 되는데, 이는 마치 댐 안에 물이 가득 차면 터널을 통해 흐르는 것과 비슷합니다
막 사이 공간에 수소 양성자(H⁺)가 충분히 모이면, 농도 차와 전기적 기울기 때문에 다시 미토콘드리아의 기질 쪽으로 흐르는데, 이러한 현상은 마치 댐 안에 물이 가득 차면 터널을 통해 흘러가는 것과 비슷합니다
기질로 흘러들어온 수소 양성자(H⁺)는 ATP합성 효소라는 기관을 지나게 되는데 이때, 수소의 흐름 때문에 ATP합성 효소가 회전하게 됩니다
그리고 동시에 미토콘드리아의 기질 안에 있던 ADP(아데노신+2인산)와 무기인산이 함께 들어와 ATP합성 효소에서 화학반응이 일어나는 자리로 들어갑니다
그리고 이곳에서 ADP(아데노신+2인산)와 무기인산은 결합되어 아데노신과 3개의 인산으로 결합된 ATP가 되는 것입니다
여기서 잠깐, ATP가 왜 에너지를 방출하는 분자인지를 알아보겠습니다
ATP는 아데노신+3개의 인산으로 이루어져 있는데, ATP분자의 끝에 붙어있는 3개의 인산은 모두 음전하이기 때문에 서로 밀어내는 성질이 있습니다
인산은 이 결합을 유지하기 위해서 억지로 묶여있는 상태와 같은데, 여기서 인산 1가 떨어져 나가면 힘겹게 3개의 구조를 유지하기 위해서 쓰던 에너지에서 1 분량의 에너지가 방출됩니다
이 에너지를 세포가 사용하는 것입니다
마치 눌려 있다가 튀어나오는 용수철처럼, 힘을 풀 때 에너지를 내는 것과 비슷합니다
그리고 이 과정에서 전자는 모든 에너지를 쓰게 되는데 이때 산소가 나타나 전자와 수소양성자를 받아서 물(H₂O)이 되는데 산소는 이 에너지를 만드는 과정에서 모든 에너지를 쓴 전자를 받는 역할이라고 할 수 있습니다
지방산이 에너지가 되는 과정
우리가 육류등을 통하여 섭취한 지방은 소장의 융털에 있는 암죽관을 통하여 림프관으로 들어갑니다
그리고 림프관을 거쳐 심장에 있는 가슴관을 거친 뒤, 혈액으로 들어가는데, 혈액에서 지방산은 알부민이라는 단백질에 붙어서 세포막을 통과하여 세포질 안으로 들어가게 됩니다
그런데, 지방산은 포도당보다 분자구조가 길고 양이 많기 때문에 포도당과 조금 다른 과정을 거쳐 미토콘드리아로 들어갑니다
세포질로 들어온 지방산은 모두 미토콘드리아로 들어가는 것이 아니고, ATP분자로 될 수 있는 것들만 들어갈 수 있기 때문에 에너지를 만들어낼 지방산만 아세틸-CoA와 결합합니다
그리고 아세틸-CoA와 결합한 지방산은 미토콘드리아로 들어갈 때가 되면, 아세틸 -CoA와 해체된 후 카르니틴(C7 H15 NO3)이라는 분자와 결합하는데, 이유는 지방산이 크기가 크고 길기 때문에 미토콘드리아로 직접 들어가지 못하기 때문입니다
카르니틴(C7 H15 NO3)은 지방산을 미토콘드리아로 통과시켜 주는 역할을 하는 분자인데 지방산을 미토콘드리아로 통과시켜 준 후에는 다시 밖으로 나갑니다
쉽게 말해 지방산을 통과시켜 주는 버스라고 할 수 있습니다
미토콘드리아로 들어온 지방산은 에너지를 만들기 위해서 크렙스 회로(시트르산 회로)로 들어가야 되는데, 길이가 너무 길어서 그대로 들어갈 수는 없습니다
그래서 2 탄소씩 잘라서 에너지 단위인 아세틸-CoA와 결합해야 합니다
CoA–S–C(=O)–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH3
위의 분자식은 지방산인데, 맨 앞에 CoA (coenzyme)라는 분자가 붙어있는데, 이 CoA는 지방산을 효소가 안전하고 잡고 처리할 수 있도록 도와주는 역할을 하는 분자입니다
그리고 바로 옆의 C(=O)는 탄소와 산소가 이중결합을 한 부분으로, 여기서부터 탄소를 세기 시작합니다
이곳에서부터 1번째 탄소를 α-탄소, 2번째 탄소가 β-탄소라고 부르는데, 지방산은 β-탄소자리에서 계속 잘리고, 잘린 조각마다 아세틸-CoA분자가 만들어집니다
아세틸은 2개의 탄소로 이루어진 작은 조각(CO–CH3)으로 우리 몸이 에너지를 만드는 기본 단위라고 생각하면 됩니다
뒤의 CoA는 효소가 크렙스 회로에 정확하게 들어갈 수 있도록 하는 역할을 합니다
COA가 붙어있지 않은 아세틸 기는 반응성이 너무 높아서 다른 분자들과 반응할 위험이 큰데 CoA를 붙이면 효소가 정확하게 인식하고 트렙스 회로로 정확하게 들어가게 합니다
즉, 아세틸 기는 반드시 CoA가 붙어있어야 시트르산 합성효소가 인식을 해서 회로로 들어갈 수가 있습니다
이렇게 작은 단위로 잘린 지방산의 이후 과정은 포도당이 에너지를 만들기 위해서 거치는 동일한 과정을 거쳐 미토콘드리아에서 ATP분자를 만들어냅니다
단백질이 에너지가 되는 과정
우리 몸에서 단백질은 주로 분자나 세포의 구조를 만들고 생화학 반응을 조절하는 역할을 하지만 필요할 때는 에너지를 만들기도 하는데 에너지를 만드는 과정을 간단하게 살펴보겠습니다
우리가 음식으로 섭취한 단백질은 위장을 거쳐 소장에서 아미노산(H₂N–CH(R)–COOH)으로 완전히 분해됩니다
그런데 아미노산은 질소 (NH₂)를 가지고 있어서 에너지로 쓸 수가 없어서 먼저 질소를 포함한 아미노기를 떼어내는 과정이 있어야 합니다
이러한 과정에서 아미노기는 암모니아가 되고 간에서 요소로 바뀌어 배설됩니다
그리고 남은 탄소골격은 종류에 따라 피루브산, 아세틸 CoA가 되어 시트르산 회로와 전자전달계를 거쳐 ATP를 만들어냅니다
마무리
결국, 우리가 섭취한 음식물인 탄수화물, 지방, 단백질은 모두 아세틸-CoA와 크렙스 회로-전자전달계라는 공통과정을 거쳐 ATP라는 세포가 쓸 수 있는 에너지로 만들어지는 것을 알 수 있습니다
각 영양소는 에너지로 쓰이는 방식이 조금씩 다른데, 탄수화물은 분자가 작고, 간단해서 금방 분해되어 단기간에 빠른 에너지를 만드는데 주로 사용됩니다
반면, 지방은 분자가 길고 에너지를 쓸 수 있는 양이 많기 때문에 천천히 분해되면서 장기간에 사용될 에너지원이 됩니다
단백질은 평소에는 몸을 구성하는데 주로 쓰이지만, 음식이 부족하거나 에너지가 필요할 때는 아미노산으로 분해되어 에너지원으로 사용됩니다
이때 너무 많이 사용하면 근육이 줄어들 수 있습니다