[생화학] 케톤체 (Ketone Bodies)

케톤이 무엇인지는 다음의 게시글을 참고하라.

[생화학] 카보닐, 아실, 알데하이드, 케톤 (Carbonyl, Acyl, Aldehyde, Ketone)

 

여러 조직 중 특히 간에서 지방산 산화 과정을 통해 생성된 아세틸-CoA는 크게 두 가지 대사 운명을 겪는다.

 

① 시트르산 회로를 통한 산화

② 케톤체(Ketone bodies)로의 전환

 

이번 글에서는 ②, 케톤체로의 전환을 다뤄보도록 하자.

 

본 글에서 다루는 범위

 

1. 케톤체

 

케톤체는 간의 미토콘드리아 내부에서 합성된다. 생체 내에서 주로 이용되는 케톤체는 다음의 세 가지다.

 

아세톤(Acetone)은 가장 간단한 케톤이다. 생체 내에서 다른 케톤체보다 소량 생성되는 아세톤은 주로 호흡을 통해 배출된다.

 

아세토아세트산(Acetoacetate), D-β-하이드록시부티르산(D-β-Hydroxybutyrate)은 혈액을 통해 간외조직으로 운반된 후, 목표 조직에서 다시 아세틸-CoA로 분해된다. 분해된 아세틸-CoA는 시트르산 회로로 유입되어 ATP를 합성한다. 즉, 아세토아세트산과 D-β-하이드록시부티르산은 일종의 에너지 운반체다.

 

케톤체를 이용한 에너지 운반은 특히 포도당이 부족할 때 유용하다. 지방산은 뇌혈관 장벽을 넘어갈 수 없기 때문에 뇌에서 이용될 수 없는데, 아세토아세트산과 D-β-하이드록시부티르산은 뇌혈관 장벽을 넘어갈 수 있기 때문이다.

 

 

2. 케톤체의 형성

 

케톤체 생성의 1단계는 아세틸-CoA 2분자의 축합이다. 이 과정은 β 산화 ④ 반응의 완전한 역반응이다.

 

아세토아세틸-CoA(Acetoacetyl-CoA)는 아세틸-CoA가 물과 함께 결합하며 β-하이드록시-β-메틸글루타릴-CoA(HMG-CoA)를 형성한다. 이 과정은 HMG-CoA 생성효소에 의해 촉매된다.

 

HMG-CoA에서 아세틸-CoA가 한분자 빠져나가며 아세토아세트산을 형성한다. 이 과정에서 빠져나가는 아세틸기는 유입된 아세틸기와 다름에 유의하라.

 

생성된 아세토아세트산은 D-β-하이드록시부티르산으로 가역적으로 환원된다. 혹은, 자발적으로 탈카복실화되며 소량의 아세톤을 생성하기도 한다.

 

아세토아세트산, 혹은 D-β-하이드록시부티르산은 혈액을 통해 간외조직으로 운반된다. 간외조직에서 D-β-하이드록시부티르산은 아세토아세트산으로 전환되고, 아세토아세트산에 CoA가 붙어 아세토아세틸-CoA를 생성한다. 이때 CoA의 공여체는 시트르산 회로의 중간체인 석시닐-CoA다. 이 반응은 β-케토아실-CoA 전달효소[β-Ketoacyl-CoA transferase, 싸이오포레이스(Thiophorase)라 부르기도 함]가 촉매한다. 간에는 이 효소가 없어 케톤체의 분해가 일어나지 않는다. 

 

아세토아세틸-CoA는 다시 싸이올레이스에 의해 2분자의 아세틸-CoA로 분해되고, 이들은 시트르산 회로로 들어가 산화된다.

 

 

간은 케톤체를 생성하지만 소비하지는 않는다. 이는 간에게 있어 크게 두 가지 장점이 있다.

 

첫째로, 간이 지방산의 산화를 지속할 수 있도록 한다. 간은 포도당신생성(Gluconeogenesis)이 일어나는 기관인데, 포도당신생성이 일어날 때 아세틸-CoA의 산화(시트르산 회로로의 유입)가 잘 일어나지 않는다. 아세틸-CoA가 소모되지 않으면 아세틸-CoA가 산물인 지방산 이화 반응이 잘 일어나지 않게 된다. 케톤체의 생성은 아세틸-CoA를 시트르산 회로 없이도 소모할 수 있게 만들어 지방산의 산화를 계속할 수 있도록 한다.

 

둘째로, 간의 CoA가 한정적이기 때문이다. CoA가 대부분 아세틸-CoA의 형태로 존재한다면, 유리 상태의 CoA가 부족해 β 산화가 저해된다. 때문에 간은 아세틸-CoA를 보다 케톤체로 합성해 유리 CoA를 늘리고, β 산화가 계속 일어날 수 있도록 한다.

 

 

3. 케톤증

 

기아 상태에서, 간은 포도당신생성으로 혈당을 유지하려고 한다. 그렇게 되면 포도당신생성에 이용되는 시트르산 회로의 중간체가 부족해지고, 포도당으로 얻지 못하는 에너지를 지방산의 산화를 통해 얻어야 한다. 위에서 언급했듯, 지방산의 산화가 계속되기 위해서는 간에서 케톤체를 생성해야 하고, 이는 케톤증(Ketosis, 케토산증이라 부르기도 함)이라는 병을 유발한다.

 

당뇨병(Dianetes) 또한 케톤증을 유발하는 요인이다. 당뇨병은 인슐린이 여러 가지 이유로 결핍되거나 작용하지 못하는 병인데, 인슐린의 결핍으로 인한 글루카곤 수치의 증가는 포도당신생성을 촉진하고, 이는 기아 상태와 유사한 기작을 일으켜 체내 케톤체의 농도를 높인다. 당뇨병의 대표적인 증상 중 하나가 독한 입냄새인데, 이는 아세토아세트산에서 유래된 아세톤이 호흡 중 배출되면서 나는 냄새이다.

 

 

지금까지 지방이 어떻게 소화, 동원 및 운반되고, 지방산이 어떻게 산회되며, 산회되어 생긴 아세틸-CoA는 어떻게 이용되는지에 대해 알아보았다. 다음 글에서는 아미노산의 이화와 질소 배설에 있어 매우 중요한 요소 회로에 대해 알아보도록 하자.

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