지방을 에너지로, 베타-산화란?
지방을 에너지로 사용하는 과정
안녕하세요. LCHF 라이프스타일러 로우입니다.
고지방 식이를 하는 저에게 지방이란... 마법같은 녀석입니다. 지방을 조금 먹어주고 나면 정말 온 몸에 열이 나면서 힘이 넘치는 걸 느낄 수 있거든요. 그러다가 문득 궁금해졌습니다.
이 지방이 내 몸에서 어떻게 에너지로 바뀔까?
그래서 오늘은 지방이 몸에서 에너지를 생성하는 과정에 대해 아주 간단하게(?) 알아보겠습니다.
1. 중성지방의 분해
우리 배에 존재하는 뱃살 또는 우리가 먹는 지방은 중성지방의 형태로 존재합니다. 중성지방(Triglycerides)은 극성을 띄지 않는 지방이며, 1개의 글리세롤 분자와 3개의 지방산으로 구성되어 있습니다. 극성을 띄지 않는다는 것은 친수기, 즉 물과 가까이 하려는 성질과 친유기 또는 소수기, 물과 멀어지려는 성질을 가지고 있지 않고 그 자체로 존재하는 것을 의미합니다.
지방을 에너지로 활용하기 위해 우리 몸은 리파아제(Lipase, 라이페이스)라는 효소를 사용하여 중성지방을 글리세롤과 자유지방산 3개로 분해합니다. 글리세롤은 혈관을 통해 간으로 이동하여 포도당으로 변환되어 사용됩니다. 그리고 자유지방산(또는 유리지방산, Free Fatty Acid)은 알부민이라는 단백질과 결합하여 혈관을 타고 각 세포로 이동하여 에너지로 사용될 준비를 하죠.
지방이 에너지로 사용된다고 할 때, 이 때 의미하는 에너지는 지방산의 에너지입니다. 그렇다면 지방산은 얼마나 많은 에너지를 가지고 있을까요? 아래 그림은 화석연료인 휘발유의 옥탄과 MCT오일의 카프릴산(C8)의 분자구조를 비교한 그림입니다.
지방산 왼쪽에 있는 주황색의 카르복실 그룹(COOH)을 제외하면 거의 동일하죠? 그만큼 지방은 강력한 에너지를 낼 수 있는 연료입니다. 동식물의 사체가 쌓이고 압축되어 만들어진 것이 화석연료이기 때문에 그 분자구조가 비슷한 것은 당연할 지도 모르겠네요.
2. 세포로의 진입과 지방산의 활성
포도당은 세포로 진입하여 에너지로 사용되기 위하여 인슐린이 필요하다는 사실은 모두 알고 계시죠? 그렇다면 지방은 어떨까요? 최근 연구결과에 따르면 지방산은 세포 안으로 진입하기 위하여 FATP(Fatty Acid Trasport Protein, 지방산 수송단백질)의 도움을 받게 됩니다. FATP의 도움을 받아 세포 안으로 진입한 지방산은 이제 미토콘드리아로 진입하여 에너지를 낼 준비를 합니다.
지방산이 에너지 공장인 미토콘드리아로 진입하기 위해서는 활성형태인 Acyl-CoA로 변환되어야 합니다.
지방산은 Coenzyme A(코엔자임 A)와 결합하여 Acyl-CoA로 활성화된다.포화 지방산에서 동일한 구조를 갖는 지방산의 꼬리부분을 R이라고 표현하겠습니다. 이러한 지방산은 코엔자임A과 결합하여 에너지를 낼 준비를 합니다. 그 과정에서 지방산 활성효소의 도움을 받고, 에너지를 소모하게 됩니다. 그 결과 지방산은 Acyl-CoA로 활성화되고, 부산물로 물이 생성됩니다.
3. 미토콘드리아 진입
활성 형태로 에너지를 낼 준비를 한 지방산(Acyl-CoA)은 미토콘드리아로 진입을 시도합니다. 미토콘드리아로 진입하기 위해서 Acyl-CoA는 카르니틴(Carnitine)의 도움을 받습니다. 아래에 관련 과정을 그림으로 만들어 보았습니다.
Acyl-Carnitine으로 모습을 바꿔서 미토콘드리아로 진입합니다. CoA를 잠시 Carnitine으로 바꾼 지방산은 미토콘드리아 안쪽 세포막을 통과하여 다시 Acyl-CoA로 바뀝니다. 이제는 이를 재료로 에너지를 내는 일만 남았습니다.
4. 에너지의 생성(Acetyl-CoA와 베타-산화)
이제 다 왔습니다. 우리가 에너지를 내기 위해서는 미토콘드리아의 에너지 재료인 Acetyl-CoA가 필요합니다. 포도당 역시 종래에는 이 Acetyl-CoA를 만들어 에너지를 내게 되는데요. 미토콘드리아 안으로 진입한 Acyl-CoA와 우리가 만들려는 Acetyl-CoA의 구조를 비교해보면 아래와 같습니다.
Acetyl-CoA는 지방산의 활성형인 Acyl-CoA에서 β-Carbon(베타 탄소)의 결합을 해제하여 만들 수 있습니다. 그래서 이름도 베타-산화죠. 이렇게 두번째 탄소 결합이 떨어져 나간 지방산의 꼬리부분은 다시 산소(O)와 S-CoA(코엔자임A)와 결합하여 Acyl-CoA(탄소의 개수가 2개 줄어든)를 생성하게 됩니다.
이렇게 탄소가 2개 줄어든 Acyl-CoA는 다시 동일한 과정의 베타-산화 과정을 거쳐 Acetyl-CoA를 만들게 됩니다. 그렇다면 문제!
탄소의 개수가 8개인 카프릴산(Caprylic Acid)를 베타-산화하면 몇 개의 Acetyl-CoA를 만들 수 있을까요?
정답은 3번의 베타-산화 과정을 거쳐 4개의 Acetyl-CoA를 만들 수 있습니다. 탄소를 2개씩 끊어서 Acetyl-CoA를 만들기 때문에 전체 탄소의 개수를 2로 나누면 되겠죠? 그리고 탄소가 4개 남은 마지막에는 Acetyl-CoA 2개가 생성되게 되니 베타-산화 횟수는 전체 Acetyl-CoA 개수에서 1개를 빼면 나오겠네요.
최대한 간단하게 설명한다고 했는데, 이해하시기 쉬웠는지 모르겠습니다. 그래서 더 쉽게 정리할 수 있도록 3줄로 요약해 보았습니다.
1. 지방산은 화석연료랑 분자구조가 비슷해서 에너지를 많이 낼 수 있다.
2. 세포로 진입하여 에너지를 내기 위해 특정 단백질과 카르니틴의 도움을 받는다.
3. 탄소를 2개씩 잘라서 에너지를 만들어 내고, β탄소의 결합을 제거하기 때문에 베타-산화라고 한다.
※ 참고 : 탄수화물의 에너지 생성 과정보다 엄청나게 짧고 쉬워서 우리 몸에 주는 부담이 더 적습니다.
음... 이렇게나 많이 에너지를 낼 수 있다니. 지방을 더 먹으러 가야겠습니다.
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