생명의 시작, 포도당 합성

생명의 시작은 양자역학적 tunneling 약력 반응에 의해서 제어된, 태양 내부의 느린 핵융합 반응에서 시작한다. 그 에너지는 수십만년을 내부에서 이리 부딪히고 저리 부딪히고 헤맨 끝에 표면에 도달하고 8분 후, 지구의 녹색 식물 표면의 전자에 양자 상태를 높이고, 그 potential energy는 다시 ATP라는 화학 에너지로 변환된다. ATP는 공기를 포도당으로 변환하는, 공기중 이산화 탄소의 C 6개를 모아서 6각 구조의 포도당으로 변환하고, 이를 출발점으로 해서 모든 생명활동은 시작된다.

 

우리가 보통 설탕이라고 부르는 것은 Glucose(육탄당, 포도당, C6H12O6)와 Fluctose(오탄당, 과당, C5H10O5)로 크게 분류된다. 탄수화물이라고 불리는 것은 보통은 Glucose를 말한다. 과당에 비해서 단맛이 덜하다. 아래 그림의 왼쪽 2개가 포도당이고 제일 오른쪽이 과당의 분자 구조식이다.

 

세포내에 포도당이 유입되면 이것을 분해하여 생명 유지에 필수적인 ATP밧데리를 충전시키는 과정을 세포호흡이라고 부른다. 그것은 크게는 해당과정, TCA회로, 전자전달계(ETC)의 단계를 거친다. 이전 포스팅에서 ETC과정은 충분히 설명하였다. ATP 밧데리를 만드는 것은, 양성자 펌프에 의해서이고 ETC 과정에서 내부 양성자를 외부로 방출하고, 양성자 펌프가 이 농도차이, 포텐셜 에너지를 이용하여 밧데리를 충전시킴을 설명하였다. 해당과정과 TCA cycle은 설명하지 않았지만, 그 과정에서는 주로 NADH의 생성이 목적이다. 혹은 뜨거운 전자를 실어오는 것(NAD가 전자를 실으면 NADH가 된다)이 목적이다. 이번에는 해당 과정과 TCA 과정의 설명을 위해서 먼저 글루코겐 대사부터 설명한다.

 

우리가 음식물을 섭취하면 신체는 이를 모두 분자 단위로 분해하여 포도당으로 만든다. 포도당은 온 몸으로 공급되어 세포들의 에너지원으로 사용된다. 즉, ATP 밧데리를 충전하는데 사용된다. 여분의 포도당은 돌돌 뭉쳐서 글리코겐의 형태로 근육세포와 간에 분산되어 보관된다. 우리 몸에 평소에는 약 400~600그램 정도의 글리코겐이 저장되어 있다. 물론, 신체에 따라 condition에 따라 그 양은 차이가 클 것이다. 1.5kg정도의 간은 이 중, 약 100~120그램을 저장하고 나머지는 근육에 저장된다. 오랜 시간 굶으면 먼저 간의 글리코겐을 소모하고 이어서 근육에 저장된 것을 빼서 쓰기에 근육이 쇠약해진다. 혈액에는 보통때에 약 4그램 정도의 포도당이 존재한다. 그러나, 당뇨병이 걸리면 포도당이 인슐린저항성 때문에 세포로 유입되지 못하고 그 농도가 높아진다. 인간 뇌는 전체 포도당의 약 60%를 소모한다. 물론, 가만히 있을 때의 얘기이다.

 

왜 포도당 형태로 저장하지 않고 글리코겐의 형태로 저장하는가? 포도당은 작은 분자형태로 물에 녹아있기에 삼투압에 영향을 미쳐서 그 형태로 저장하면 세포가 사망할 수 있다. 따라서 비삼투압 형태인 글리코겐의 형태로 저장한다고 한다. 글리코겐은 아래 그림에서 보듯이 포도당들을 주렁주렁 연결하여 비교적 알갱이가 큰, 쉽게 움직일 수 없는 덩어리이다. 보통 글루코스(포도당)사이는 1/4번 사이에 1차적인 연결이 되고, 12개마다 1/6번 사이에 연결이 형성된다. 이전 포스팅에서 탄소 고리가 생성되면 번호가 매겨짐을 얘기하였다. Glucose는 6개의 탄소로 구성되니 각 탄소마다 1~6번의 번호가 매겨져 있다.

 

Glucose(포도당)으로부터 Glycogen(글리코겐)의 조합/해체는 아래 그림의 과정을 따른다. 글리코겐은 PO3, 인산기와 결합하여 G1P(glucode 1-phosphate)를 생성하고, 1번에 붙어있던 인산기가 6번으로 이동하면서 G6P를 생성한다. 그 다음에 혈액의 포도당 농도에 따라 간에서 G6P의 인산기를 떼어내서 Glucose를 혈액에 방출한다. 인산염을 붙인 채로 보관하는 이유는 극성을 띄워서 세포 /조직 밖으로 함부로 나가지 못하게 하기 위함이다

 

먼저 1-4번 고리를 붙이고 떼는 과정을 보면 아래와 같다. HPO4라는 인산염이 매개하여 하나의 포도당을 그 고리를 끊는다. 1번 탄소 자리를 끊고 그 자리에 PO3이온이 대체하여 G1P(Glucose 1-phosphate)를 만들고 따라서 glycogen은 포도당 한 분자가 줄어든다. 인산염은 사실 비료의 원료이기도 하고, 광물을 이루는 원소이기도 하다. 광물을 분류할 때, 탄산염(COx), 인산염(POx), 규산염(SiOx), 황산염(SOx) 등으로 분류하기도 한다. 생물 보다 무생물/광물이 진화를 먼저 시작하였고, 다양한 광물이 생물 탄생의 기반이 되었다는 것이 많이 얘기된다. 생물과 광물의 공진화(co-evolution) 이론이다. 생명은 “soft한 광물이다” 라고 혹자들은 얘기한다.

 

이렇게 떨어져 나온 G1P는 곧바로 phosphoglucomutase(머여, 왜 이리 이름이 길어...)라는 효소의 도움으로 아래와 같이 1번의 인산기가 6번의 위치로 이동하여 G6P가 된다. 이 상태는 극성을 띤 상태라 세포내에 얌전히 있다가, 필요시에 인산기를 떼어내고 (Glucose6phosphatase, 헥헥헥.. 라는 효소의 도움으로) 혈액에 투여된다.

 

간은 혈액속 포도당 농도를 측정하여 일정치를 유지하도록 저장된 글리코겐을 분해하여 조금씩 Glucose를 혈액 속으로 투하한다. 세포들은 이렇게 배급되는 포도당을 받아서 해당과정 (glycolysis)와 TCA, ETC chain을 돌면서 1개의 포도당 분자로부터 38개의 ATP 밧데리를 충전시켜서 에너지를 공급한다. 이러한 물류체인, 발전과정에 이상이 생기면 생명은 무생명이 된다. 화학식으로는

 

이 과정으로 생명체는 대사를 유지하며, 광합성은 정확히 반대로 태양 에너지를 생명에너지(glucose)로 변환한다. 이전 포스팅에서 얘기한데로 위의 식을 잘못 이해해서 산소로 포도당을 태운다고 이해하면 정확한 해석은 아니다. CO2가 나오는 과정에서 산소가 사용되지 않는다. 산소는 ETC(electron transport chain)의 부산물인 전자를 받아오기 위하여 사용된다. 사실 생명체에게 산소와 같은 반응력이 좋은 원소는 상당히 위협적이다. 어떤 것들과도 쉽게 결합하기에 기존의 질서를 무너뜨릴 수도 있기 때문이다. 활성 산소가 노화와 죽음에 큰 기여를 한다는 연구 결과들이 많다. 숨을 너무 쉬지 말자... 빨 죽는다... 흐읍...(꾹 참고..)

 

물리학과 다르게 화학 작용은 해석적인 방법을 적용하기 어렵다. 화학은 기본적으로 수많은 local minimal point를 이동하는 과정이다. 물리학은 주로, 어떠한 function이 주어지고 그거의 local minimum point를 찾는 학문이다. 사실 2차 3차만 되어도 어렵기에 한 점의 주위를 평면이라고 가정하는 방법을 많이 사용한다. 그리고 평면을 살짝 비틀어서 2/3차 효과를 근사화하는데 이것을 perturbation theory라고 부른다. 그러나, 화학작용은 local minimum 자체를 이동하면서 진행되기에 이것을 해석적으로 구하기는 어렵다. 생명 현상이 이렇게 다양한이유가 이렇게 수많은 local minimum 의 존재 때문이다. 인간들은 복잡계를 분석할 만큼 진화를 못하였고 그 역할은 아마 인공지능 생물체에게 넘겨질 것이다. 그것이 인간이 잠시 존재한 이유일 수도 있다.