생화학 — 3강: 대사·세포 신호 전달·생화학 응용

탄수화물 대사

해당 과정 (Glycolysis):
→ 장소: 세포질 (Cytosol)
→ 산소 불필요·모든 세포에서 가능
→ 전체 반응: 포도당 + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 Pi → 2 피루브산 + 2 NADH + 2 ATP + 2 H₂O
→ 10단계·주요 단계:
  1-5단계 (투자 단계): ATP 2개 소비·포도당 활성화
    1단계: 헥소키나아제 (포도당→G6P, ATP 소비)
    3단계: 포스포프럭토키나아제-1 (PFK-1, 주요 조절 효소)
      AMP·ADP 활성화·ATP·시트르산 저해
  6-10단계 (수익 단계): ATP 4개 생산·NADH 2개
    10단계: 피루브산 키나아제 (PEP→피루브산, ATP)
→ 순 수익: ATP 2개·NADH 2개·피루브산 2개

피루브산 운명:
→ 호기성 조건: 피루브산 → 아세틸-CoA (미토콘드리아)
  피루브산 탈수소효소 복합체 (PDH): CO₂ + NADH + 아세틸-CoA
  비타민 B1 (티아민) 필요·결핍 시 베르니케 뇌증
→ 혐기성 발효:
  동물·세균: 젖산 발효 (피루브산→젖산, NADH→NAD⁺ 재생)
    격렬한 운동·혐기성 세균
  효모·일부 세균: 알코올 발효 (피루브산→에탄올+CO₂)

구연산 회로 (TCA Cycle / 크레브스 회로):
→ 장소: 미토콘드리아 기질
→ 아세틸-CoA + 옥살아세트산 → 구연산 시작
→ 1회전 결과 (아세틸-CoA 1개):
  3 NADH·1 FADH₂·1 GTP (ATP)·2 CO₂
→ 주요 중간체: 구연산→이소구연산→α-케토글루타르산→숙시닐-CoA→숙신산→푸마르산→말산→옥살아세트산
→ 에너지 단계:
  이소구연산 탈수소효소: α-KG·CO₂·NADH 생산
  α-케토글루타르산 탈수소효소: 숙시닐-CoA·NADH·CO₂
→ 이중 역할:
  에너지 생산 + 생합성 전구체 공급
  아미노산 합성·포르피린·뉴클레오티드
→ 조절: 에너지 상태 반영
  높은 NADH/NAD⁺·ATP/ADP → 억제

산화적 인산화 (Oxidative Phosphorylation):
→ 장소: 미토콘드리아 내막
→ 전자 전달계 (ETC):
  복합체 I (NADH 탈수소효소): NADH→2e⁻ 산화
  복합체 II (숙신산 탈수소효소): FADH₂→2e⁻
  복합체 III (시토크롬 bc₁): 유비퀴놀→시토크롬 c 전자 전달
  복합체 IV (시토크롬 c 산화효소): O₂→H₂O (최종 전자 수용체)
→ 화학 삼투 (Chemiosmosis):
  복합체 I·III·IV: 양성자(H⁺) 막간 공간으로 펌핑
  전기화학 양성자 기울기 형성 (양성자 구동력)
→ ATP 합성효소 (복합체 V):
  H⁺ 역방향 흐름→ATP 합성
  F₀F₁-ATPase: 기계적 회전으로 ATP 합성
→ ATP 수율:
  NADH 1개 → ~2.5 ATP
  FADH₂ 1개 → ~1.5 ATP
  포도당 1개 완전 산화 → 약 30~32 ATP
  (과거 36~38 ATP는 이상적 값)
→ 저해제:
  로테논 (복합체 I)·말로네이트 (복합체 II)
  시안화물·CO (복합체 IV): 호흡 차단
  올리고마이신 (ATP 합성효소 F₀ 저해)
  DNP (탈동조제): 양성자 기울기 소산→발열·체온 상승

혈당 조절:
→ 인슐린 (β세포 분비): 혈당 상승→분비
  글루코스 수송체 (GLUT4) 세포막 이동
  글리코젠 합성 촉진·해당 과정·지방 합성
→ 글루카곤 (α세포 분비): 혈당 하강→분비
  글리코젠 분해·포도당신생합성 촉진
→ 당뇨병:
  1형: 인슐린 절대 결핍 (β세포 자가 면역 파괴)
  2형: 인슐린 저항성·상대 결핍
  진단: 공복 혈당 ≥126 mg/dL·당화 헤모글로빈 HbA1c ≥6.5%

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지질과 아미노산 대사

지방산 대사:
→ 베타 산화 (β-oxidation):
  장소: 미토콘드리아 기질
  지방산 활성화: 지방산 + CoA → 아실-CoA (세포질)
  카르니틴 수송: 아실-CoA→카르니틴 에스터→미토콘드리아 내막
  베타 산화 4단계 반복:
    산화 (FAD) → 수화 → 산화 (NAD⁺) → 싸이올리시스
    각 회전: 아세틸-CoA 1개·FADH₂ 1개·NADH 1개
  팔미트산(C16) 완전 산화: 아세틸-CoA 8개→129 ATP
→ 지방산 합성:
  장소: 세포질
  아세틸-CoA → 말로닐-CoA → 지방산 합성효소 (FAS) 복합체
  NADPH 필요 (5탄당 인산 경로 공급)
  말로닐-CoA: 베타 산화 억제 (비효율 방지)
→ 케톤체 합성:
  간 미토콘드리아·굶주림·당뇨
  아세틸-CoA 과잉 → 아세토아세트산·베타-하이드록시부티르산·아세톤

아미노산 대사:
→ 아미노기 제거 (Transamination):
  아미노기 전이 효소 (Transaminase): 아미노기→α-케토산
  알라닌 → 피루브산 + 글루탐산
  간 효소 (ALT·AST): 간 손상 지표
→ 요소 회로 (Urea Cycle): 간에서 NH₃ 해독
  과잉 아미노기 → 암모니아 → 요소
  오르니틴→시트룰린→아르기닌숙신산→아르기닌→오르니틴
  유전 결함 → 고암모니아혈증
→ 탄소 골격 운명:
  포도당 생성 아미노산 (Glucogenic): 피루브산·TCA 중간체
  케톤 생성 아미노산 (Ketogenic): 아세틸-CoA·아세토아세트산
  루이신·리신: 순수 케톤 생성
→ 페닐알라닌·타이로신 대사:
  페닐케톤뇨증 (PKU): 페닐알라닌 수산화효소 결핍
    저페닐알라닌 식이 요법 (신생아 검사)
  알캅톤뇨증·타이로시네미아

퓨린·피리미딘 대사:
→ 퓨린 합성: de novo 경로 + 살비지 경로
  HGPRT: 살비지 효소 결핍 → 레시-나이한 증후군
  잔틴 산화효소 → 요산 생성
  고요산혈증·통풍: 관절 요산 결정 침착
  알로퓨리놀: 잔틴 산화효소 저해제 (통풍 치료)
→ 5-플루오로우라실 (5-FU): 피리미딘 유사체·암 치료·합성 저해
→ 메토트렉세이트: 엽산 유사체·DHFR 저해→뉴클레오티드 합성 억제

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세포 신호 전달

신호 전달 기초:
→ 1차 전령: 호르몬·신경전달물질·성장 인자·사이토카인
→ 수용체 종류:
  G단백질 연결 수용체 (GPCR): 7회 막 관통·인간 약물 표적 35%
  수용체 타이로신 키나아제 (RTK): 성장 인자 수용체
  이온 채널 수용체: 리간드 개폐 채널
  세포 내 핵 수용체: 스테로이드·갑상선 호르몬

2차 전령 시스템:
→ cAMP 경로:
  리간드→GPCR→Gs 단백질→아데닐릴 사이클라아제 활성화
  ATP → cAMP (2차 전령)
  cAMP → PKA (단백질 키나아제 A) 활성화
  PKA → 표적 단백질 인산화
  예: 에피네프린 → 심박 증가·지방 분해
  포스포다이에스터라아제 (PDE): cAMP 분해 (비아그라는 PDE5 억제)
→ IP₃/DAG 경로:
  리간드→GPCR→Gq→포스포리파아제 C (PLCβ) 활성화
  PIP₂ → IP₃ + DAG
  IP₃ → ER에서 Ca²⁺ 방출
  DAG + Ca²⁺ → 단백질 키나아제 C (PKC) 활성화
→ Ca²⁺ 신호:
  칼모듈린 (CaM): Ca²⁺ 결합 단백질
  CaM 키나아제: 신경·근육 신호
  근육 수축: Ca²⁺ → 트로포닌 → 미오신-액틴 결합

MAP 키나아제 경로 (MAPK):
→ 성장 인자→RTK→Ras→Raf→MEK→ERK
→ ERK: 핵으로 이동→전사 인자 활성화
→ 세포 증식·분화·생존에 핵심
→ Ras 돌연변이: 30% 인간 암에서 발견 (구성적 활성화)
→ 표적 치료:
  이마티닙 (글리벡): BCR-ABL 티로신 키나아제 저해→만성 골수성 백혈병
  트라스투주맙 (허셉틴): HER2 수용체 차단→유방암
  베무라페닙: BRAF 저해→흑색종

세포 사멸 (Apoptosis):
→ 프로그램된 세포 사멸·세포 자살
→ 내재 경로 (Intrinsic):
  DNA 손상·산화 스트레스→p53→시토크롬 c 방출
  Bcl-2 계열: 항세포 사멸 (Bcl-2·Bcl-xL) vs 촉진 (Bax·Bak)
  시토크롬 c + Apaf-1 + 카스파아제 9 → 아팝토좀
→ 외재 경로 (Extrinsic):
  FasL·TRAIL 리간드→수용체→카스파아제 8 활성화
→ 실행 카스파아제 (3·6·7): 세포 분해
  DNA 단편화·포스파티딜세린 외부화 (식세포 신호)
→ 암 회피: Bcl-2 과발현·p53 돌연변이
  항암 치료 목표: 아팝토시스 복원

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대사 질환과 생화학 응용

주요 대사 질환:
→ 당뇨병:
  1형: 인슐린 결핍 (자가 면역)·인슐린 주사 치료
  2형: 인슐린 저항성·비만·고지방식과 연관
    메트포르민: 간 포도당신생합성 억제·AMPK 활성화
    SGLT-2 저해제: 신장 포도당 재흡수 차단
→ 대사 증후군:
  복부 비만·인슐린 저항성·고혈압·이상지질혈증
  산화 스트레스·만성 염증 공통 경로
→ 페닐케톤뇨증 (PKU): 신생아 선별→저페닐알라닌 식이
→ 갈락토오스혈증: 갈락토오스 대사 효소 결핍
→ 글리코젠 축적 질환 (GSD):
  폼페병 (GSD II): 리소솜 산성 말타아제 결핍
  효소 대체 요법 (ERT): 알글루코시다제 주입

생화학 검사 활용:
→ 혈액 검사:
  혈당 (Glucose): 공복·당부하·HbA1c
  지질 패널: 총 콜레스테롤·LDL·HDL·TG
  간 기능: ALT·AST·ALP·빌리루빈·알부민
  신장 기능: 크레아티닌·BUN·eGFR
  심근 손상: 트로포닌·CK-MB
→ 종양 표지자:
  AFP: 간암·생식세포 종양
  CEA: 대장암·폐암
  PSA: 전립선암 선별 (논란 있음)
  CA125: 난소암

의약품과 생화학:
→ 스타틴: HMG-CoA 환원효소 저해→콜레스테롤↓
  가장 처방 많은 약물 중 하나
→ 항생제 기전 (세균 생화학 표적):
  세포벽 합성 억제 (페니실린)
  단백질 합성 저해 (아미노글리코사이드)
  핵산 합성 저해 (퀴놀론)
→ 암 치료 표적:
  DNA 복제 저해: 시스플라틴·안트라사이클린
  미세소관: 탁소이드·빈카 알칼로이드
  신호 전달 차단: EGFR·HER2·BCR-ABL 저해제
  면역 관문 저해: PD-1·CTLA-4 항체 (면역 항암)
→ 유전자 치료:
  아데노연관바이러스 (AAV): 유전자 전달체
  척수성 근위축증 (SMA): Zolgensma (AAV9-SMN)
  CRISPR 임상 적용: 겸상 적혈구 빈혈·베타 지중해 빈혈

영양 생화학:
→ 비타민:
  수용성: B군(보조효소)·C(항산화·콜라겐 합성)
    B12 결핍: 악성 빈혈·신경 손상
    엽산 결핍: 신경관 결손 (임산부 보충)
  지용성: A(시각)·D(Ca 흡수)·E(항산화)·K(응고)
    D 결핍: 구루병·골다공증
→ 미네랄:
  칼슘: 뼈·근육 수축·신경 전달
  철: 헤모글로빈·미오글로빈·ETC 복합체
  마그네슘: 300개 이상 효소 보조 인자
  아연: 촉매·구조 기능·면역
→ 항산화제:
  활성 산소종 (ROS): 초산화물·과산화수소·히드록실 라디칼
  내인성: SOD·카탈라아제·글루타티온 과산화효소
  식이: 비타민 C·E·폴리페놀·카로티노이드
  산화 스트레스: 암·노화·심혈관 질환 연관

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자주 묻는 질문

Q. 간헐적 단식(IF)이 생화학적으로 효과가 있다는 메커니즘은 무엇인가요? A. 간헐적 단식의 생화학적 효과는 주로 대사 스위칭과 세포 재생 메커니즘으로 설명됩니다. 먹는 상태(Fed State)에서는 인슐린이 높고 mTOR 경로가 활성화되어 세포 성장·단백질 합성·지방 저장이 촉진됩니다. 단식 12~18시간 후(Fasted State)에는 글리코젠이 고갈되고, 인슐린이 떨어지며, 글루카곤 신호로 지방 분해가 시작됩니다. 지방산에서 케톤체가 생성되어 뇌와 근육의 에너지원이 됩니다. 세포 수준에서는 AMPK(에너지 감지 키나아제)가 활성화되어 대사 효율을 높이고, mTOR는 억제됩니다. mTOR 억제 상태에서 자가포식(Autophagy)이 증가합니다. 자가포식은 세포가 손상된 단백질·소기관을 분해·재활용하는 과정으로, 세포 청소 기능을 합니다. 또한 단식 중 성장 호르몬이 증가해 근육 단백질 보존에 도움을 줍니다. 연구에서 관찰된 효과는 인슐린 감수성 개선, 염증 지표 감소, 일부 동물 실험에서 수명 연장입니다. 다만 인간에서 장기적 효과와 안전성은 아직 연구 중이며, 성별·나이·건강 상태에 따라 반응이 다를 수 있습니다. 체중 감소는 주로 총 칼로리 섭취 감소가 원인입니다.

Q. 인슐린 저항성은 어떻게 생기고, 왜 만성 질환과 연결되나요? A. 인슐린 저항성은 세포가 인슐린 신호에 정상적으로 반응하지 못하는 상태입니다. 정상에서는 인슐린이 수용체에 결합하면 IRS-1→PI3K→Akt→GLUT4 이동의 신호 경로가 작동해 세포가 포도당을 흡수합니다. 인슐린 저항성 원인은 복합적입니다. 첫째, 세포 내 지방 축적입니다. 근육·간에 중성 지방·세라마이드가 쌓이면 IRS-1 인산화 부위를 변형해 신호를 방해합니다. 둘째, 염증입니다. 내장 지방에서 분비되는 TNF-α·IL-6 같은 염증성 사이토카인이 JNK·IKK 경로를 통해 인슐린 신호를 차단합니다. 셋째, 소포체 스트레스입니다. 과도한 영양 섭취로 소포체가 스트레스를 받으면 UPR 경로가 인슐린 신호를 억제합니다. 만성 질환과의 연결 고리는 보상 기전에 있습니다. 세포가 인슐린에 반응을 못 하면 췌장이 더 많은 인슐린을 분비해 혈당을 유지합니다. 이 보상이 지속되면 췌장 β세포가 소진되어 2형 당뇨로 진행됩니다. 또한 높은 인슐린 자체가 지방 합성 촉진·염증 촉진·혈관 평활근 증식을 유발해 비만·동맥경화·암(일부) 위험을 높입니다. 고지방·고당분 식이 개선, 운동(AMPK 활성화·GLUT4 증가), 체중 감소가 인슐린 감수성을 회복시키는 가장 근거 있는 방법입니다.