암모니아(ammonia, NH3), 요소(尿素, urea, CO(NH2)2), 요산(尿酸, uric acid, C5H4N4O3)의 생성과 배설
김진국
동물이 에너지를 얻기 위해 탄수화물과 지방을 소화 흡수하여 호흡으로 분해할 때 노폐물로 물과 이산화탄소를 발생시키지만 단백질, 핵산의 염기 등은 물과 이산화탄소 외에 질소화합물을 발생한다. 그런데 질소화합물 중 암모니아(ammonia, NH3)는 독성이 상당히 강하므로 생물 몸에 오랫동안 머물면 부작용이 크다.
그래서 어류와 같이 물속에 살고 배설을 빨리할 수 있는 동물들은 암모니아(ammonia, NH3) 형태로 배설하고 물을 많이 흡수할 수 있는 환경에 사는 동물은 수용성인 요소(尿素, urea, CO(NH2)2)로 전환시켜 배설하며 물의 공급이 여의치 않은 파충류나 몸을 가볍게 하기 위해 물의 양을 적게 가져야 하는 조류 등은 볼수용성이고 독성이 요소(尿素, urea, CO(NH2)2)보다 적은 요산(尿酸, uric acid, C5H4N4O3)으로 배설한다.
경골어류와 수생 무척추동물 등은 주로 암모니아(ammonia, NH3)로 배설하고 조류, 육상 파충류인 뱀과 도마뱀류, 대부분의 곤충류 등은 주로 요산(尿酸, uric acid, C5H4N4O3)으로 배설하며 포유류, 수생 파충류인 거북류의 일부, 양서류 중 무미류(개구리, 두꺼비, 맹꽁이 등), 연골어류 등은 주로 요소(尿素, urea, CO(NH2)2)로 배설한다.
그런데 사람의 몸에서는 요소(尿素, urea, CO(NH2)2)만 생성되는 것이 아니라 미량의 요산(尿酸, uric acid, C5H4N4O3)도 생성되는데 요산(尿酸, uric acid, C5H4N4O3)이 너무 많이 생성되면 침상 결정체(針狀結晶體, acicular crystal, 바늘 모양의 결정체)인 요산나트륨(sodium urate, Na2C5H2N4O3)을 생성하여 침적되므로 신장결석(腎臟結石, renal calculus)이나 통풍(痛風, gout) 등의 문제를 발생시킨다.
1. 암모니아(NH3) 생성
양분으로 섭취한 단백질은 위와 소장에서 소화되는데 단백질의 소화 과정은 먼저 단백질이 폴리펩티드로 분해되고 폴리펩티드를 다시 가수분해로 펩티드 결합이 끊어지면 아미노산이 된다.
분해된 아미노산은 융털돌기의 모세혈관으로 흡수되어 조직의 세포로 운반되며 운반된 아미노산은 조직 세포의 세포질에 있는 리보솜에서 단백질로 합성된다.
여분의 아미노산이나 세포에서 단백질의 분해로 생성된 불필요한 아미노산은 분해되어 에너지로 이용된다.
근육 등에서 에너지로 이용되는 여러 종류의 아미노산은 아미노기 전이효소에 의해 아미노기를 풍부한 α-케토글르타르산이나 피루브산에 넘겨 글루타민이나 알라닌으로 전환하고 남은 유기산을 사용하며 글루타민이나 알라닌은 혈액을 통해 간으로 이동된다.
아미노산의 산화적 탈아미노반응에 의한 분해과정은 대부분 간이나 신장 조직세포의 세포질에 있는 미토콘드리아에서 탈 아미노기 반응이 일어난다.
미토콘드리아에서 아미노산인 글루탐산(glutamic acid)과 글루탐산탈수소효소(Glutamate dehydrogenase, GDH, GLDH), NADH+가 탈 아미노 반응을 하여 α-케토글루타르산(α-KG), NAD, 암모니아(NH3)를 생성한다.
아미노산(글루탐산)의 구성 성분인 아미노기(-NH2)는 탈 아미노 반응이 일어날 때 수소이온 한 개를 얻어 암모니아로 되면서 아미노산에서 아미노기가 분해됨으로써 생성된 유기산( α-케토글루타르산)은 미토콘드리아의 TCA 사이클과 전자 전달계에 의해 분해되면서 에너지를 생성한다.
2. 요소(urea, (NH2)2CO) 생성과 배설
세포질에서 아미노산이 분해되면 유기산과 암모니아를 생성한다.
세포에서 생성된 암모니아는 물에 녹아 혈관으로 이동하여 혈액에 의해 운반된다.
암모니아는 염기성의 독성 물질이므로 체외로 빨리 배설되지 않고 체내에 농축되어 오래 머물면 생명에 위험을 초래한다.
포유류는 배설물의 배설 속도가 느리므로 암모니아 형태로 배설한다면 암모니아가 오랜 기간 체내에 머물게 되므로 문제가 발생한다. 그래서 암모니아를 독소가 약한 요소로 합성시켜 배설하며 암모니아를 요소로 합성하는 기관이 간이다.
간에서 암모니아를 요소로 합성시키는 과정을 오르니틴 회로(ornithine cycle, urea cycle, 요소 회로)라고 부른다.
오르니틴 회로(ornithine cycle)란 명칭은 암모니아가 처음 결합하는 물질이 오르니틴(오니틴, Ornithine)이기 때문이고 요소 회로(urea cycle)란 생성물질이 요소(urea)이기 때문이며 오르니틴과 암모니아, 이산화탄소에 에너지(ATP)를 사용하여 중간물질로 시트룰린(citrulline), 아르기닌(arginine) 물질을 거쳐 요소(urea)가 생성되고 오르니틴(오니틴, Ornithine)이 다시 생성되는 순환 경로이다.
오르니틴 회로(ornithine cycle, 요소 회로, urea cycle)를 시작하기 위해서는 먼저 미토콘드리아에서 암모니아는 카바모일인산합성효소(carbamoyl phosphate synthetase I)에 의해 암모늄이온(NH4+)과 이산화탄소(CO2)가 반응하여 카바모일인산(carbamoyl phosphate)을 생성한다.
카바모일인산의 카르바모일기(carbamoyl, H2NCO-)가 오르니틴 카바모일전이효소(ornithine transcarbamoylase, 오르니틴 트랜스카바모일레이스, ornithine carbamoyltransferase, ornithine transcarbamylase, 오르니틴 트랜스카바밀레이스, OTC)에 의해 오르니틴(ornithine)으로 전달되어 시트룰린(citrulline)이 된다.
이어서 시트룰린은 세포질로 수송되어 아르지니노숙신산 합성효소(argininosuccinate synthase)에 의해 아스파르트산(aspartate)과 반응하여 아르지니노숙신산(argininosuccinate)이 되고 아르지니노숙신산은 아르지니노숙시네이즈(argininosuccinase) 효소에 의해 아르지닌(arginine)과 푸마르산(fumarate)으로 분해된다. 아르지닌은 아르지네이즈(arginase) 효소에 의해 가수 분해되어 요소가 생성되고 오르니틴이 다시 생성되어 오르니틴 회로(ornithine cycle, urea cycle, 요소 회로)가 다시 시작된다.
오르니틴 회로(요소 회로)에서는 암모니아 2 분자와 이산화탄소 1 분자, 물 1 분자가 반응하여 1 분자의 요소((NH2)2CO)와 2 분자의 물이 생성되며 2 ATP의 에너지가 소모된다.
그런데 대장에서는 대장균이 아미노산을 분해하여 암모니아를 발생시키는데 대부분 방귀로 배출되지만 일부는 대장으로 흡수되어 간으로 이동한다. 간 경변 같은 간질환이 발생하면 암모니아를 요소로 변환시킬 수 없으므로 혈중 암모니아의 농도를 낮출 수 없다. 이와 같이 혈중 암모니아가 간에서 요소로 변환되지 못하면 많은 양의 암모니아가 혈액에 녹아 온몸으로 이동하게 되고 뇌에 이르면 뇌신경 손상을 가져와 정신 이상이 일어나는데 이를 간성혼수라 한다.
요소는 혈장에 녹아 운반되며 신장에서 오줌으로 제거된다.
요소는 독성이 적지만 신장에 이상이 생겨 체외로 배설이 어렵게 되면 체내에 요소 농도가 증가하여 문제가 발생한다.
오줌으로 배설된 요소(urea, CO(NH₂)₂)는 식물의 뿌리에 흡수되거나 토양에 있는 미생물의 요소분해효소(尿素分解酵素, urease)에 의해 탄산암모늄(ammonium carbonate, (NH4)2CO3)으로 분해되며 이어서 암모니아와 이산화탄소로 분해된다.
urease : (NH2)2CO + H2O → CO2 + 2NH3
* 오르니틴 회로(요소 회로)의 이상에 의한 질병
유전자의 돌연변이로 오르니틴 회로에 관여하는 효소가 결핍되어 발생하는 유전병이 있다. 오르니틴 트랜스 카바미라제(오르니틴 트랜스카바밀레이스, ornithine transcarbamylase, 오르니틴 카바 밀전이 효소, ornithine transcarbamoylase, ornithine carbamoyltransferase, OTC)라는 효소는 오르니틴을 시트룰린으로 전환하는 작용을 하는데 이 효소를 결정하는 유전자의 결함으로 이 효소가 결핍되어 유전병이 발생한다.
이 효소가 결핍되면 암모니아의 농도가 증가되어 생명을 위협하게 된다.
이 질환은 X 염색체에 있는 유전자의 이상으로 일어나는데 대부분 남자에서 발견된다. 치료 방법으로는 간 이식으로 치유될 수 있다.
3. 요산(Uric acid, C5H4N4O3)의 생성과 배설
요산(Uric acid)의 화학식은 C5H4N4O3이며 정식 명칭은 2, 6, 8-트리옥시퓨린(2, 6, 8-Trioxypurine)이다. 퓨린(purine)은 피리미딘(pyrimidine) 고리와 이미다졸(imidazole) 고리가 2개의 탄소를 공유하는 구조이다. 요산(Uric acid)은 퓨린(purine)과 같은 골격을 가진다.
질소 노폐물을 요산으로 배설하는 척추동물은 경골어류, 파충류, 조류이며 보기로는 곤충, 도마뱀, 뱀, 새(하얀색 배설물이 요산) 등이 있다.
이들 동물은 단백질을 소화하여 흡수한 아미노산을 세포질에서 분해하여 생성된 암모니아(ammonia)를 요산(Uric acid)으로 전환시킨다.
요산(Uric acid)은 물에 잘 녹지 않기 때문에 물을 별로 사용하지 않고도 질소 노폐물을 배설할 수 있기 때문이다. 사막에 사는 뱀, 도마뱀 등은 물의 공급이 여의치 안으므로 요산(Uric acid)으로 배설하며 새 등은 몸이 가벼워야 날기에 알맞으므로 몸에는 물의 양이 적다. 그래서 요산(Uric acid)으로 배설하는 것이다.
암모니아(ammonia)가 요산(uric acid)으로 합성되는 과정은 복잡한 여러 단계를 거치는데 간단히 요약하면 다음과 같다.
암모니아는 α-케토글루타르산(alpha-ketoglutaric acid, 유기산)에 아미노기로 결합되어 아미노산인 글루탐산(glutamic acid)이 되고 글루탐산의 아미노기가 전이되어 아스파라트산(aspartic acid)과 글리신(glycine) 등의 아미노산이 합성된다.
요산이 속하는 퓨린(purine)은 독립적으로 이들 아미노산 등의 합성으로 생성되는 것이 아니고 먼저 생성된 리보오스 5-인산(ribose-5-phosphate)에 첨가하여 퓨린(purine)이 합성되어 리보뉴클레오티드(ribonucleotide)가 생성된 다음 리보뉴클레오티드(ribonucleotide)에서 분해되어 생성된다.
먼저 글루타민이 리보오스인산(5-인산-리보오스2인산, PRPP, phosphoribosyl pyrophosphate)과 반응하여 아미노기가 리보오스 5-인(ribose-5-phosphate)에 결합하여 D-리보실아민-5-인산(5-PRA, 5-phosphoribosylamine)과 글루탐산(glutamic acid)이 되고 이어서 D-리보실아민-5-인산(5-PRA, 5-phosphoribosylamine)은 글리신(glycine), ATP, 아스파르트산(aspartic acid), 글루타민(glutamine), 포름산(Formic acid), 이산화탄소(CO2) 등과 반응하여 합성된 푸린(purine) 고리를 갖는 리보뉴클레오티드(5‘-ribonucleotide)인 이노신 일인산(Inosine monophosphate, IMP)이 된다.
이어서 이노신일인산(IMP)에서 리보오스 5-인산(ribose-5-phosphate)이 분리되면서 산화되어 요산이 된다.
그리고 AMP(adenosine monophosphate)와 GMP(guanoxine monophosphate)는 이노신일인산(IMP)으로 전환되며 이노신일인산(IMP)도 AMP와 GMP로 전환된다.
그래서 사람도 섭취한 핵산이나 세포가 노화되어 핵산이 분해되면 체내에 불필요한 AMP와 GMP가 많아져 요산이 생성될 수 있는 것이다.
요산(uric acid)이 속하는 퓨린(purine)에는 하이포잔틴(hypoxanthine), 잔틴(xanthine), 테오브로민(theobromine), 카페인(caffeine), 아이소구아닌(isoguanine) 등이 있다.
4. 포유류의 질소화합물 배설
포유류는 단백질 분해로 발생되는 암모니아는 간에서 오르니틴 회로를 거쳐 생성된 요소로 배설한다.
그런데 음식으로 흡수한 핵산(DNA, RNA)이나 체세포가 노화되어 파괴되면 핵 속에 있는 핵산(DNA, RNA)의 질소화합물인 염기의 분해로 퓨린이 발생된다. 퓨린은 간과 소장의 페르옥시솜(peroxisome)에서 xanthine oxidase(잔틴 산화효소) 또는 xanthine dehydrogenase(잔틴 탈수소효소)의 탈수소반응에 의해 요산으로 전환된다.
이렇게 생성된 요산은 불수용성이므로 포유동물이 오줌으로 배설하기 어렵다. 그래서 대부분의 포유류는 요산을 알란토인(allantoin, C4H6N4O3, 환 구조)으로 분해시켜 배설한다.
포유류는 대부분이 요산을 알란토인(allantoin)으로 분해시키는 유리카제(uricase urate oxidase)라는 효소를 가지고 있다.
요산(Uric Acid) + O2 + H2O + 유리카제(uricase) → Allantoin + H2O2 + CO2
5. 사람의 질소화합물 배설
사람은 단백질의 분해로 발생된 암모니아를 요소로 전환시켜 배설한다.
사람이 배출해야 하는 질소화합물에는 요소 외에도 요산이 있다.
요산은 생선, 육류 등의 음식물로 섭취한 핵산(DNA, RNA)에서 발생하는 것이 30%, 늙은 세포의 신진대사나 손상된 세포의 버려지는 핵산(DNA, RNA)에서 발생하는 것이 70%가량이다.
핵산의 분해로 발생한 퓨린은 페르옥시솜(peroxisome, 과산화수소의 생성과 분해가 일어나며, 과산화수소 생성 효소와 분해 효소가 합성되는 곳)에서 산화되어 요산을 형성한다.
이렇게 우리 몸에서 하루 0.7㎎ 생성되며 생성된 요산은 신장의 사구체에서 여과되어 배설된다.
사람은 다른 포유류와는 달리 요산을 분해시키는 유리카제(uricase, urate oxidase)라는 효소를 가지고 있지 않다. 그래서 요산을 알란토인(allantoin, C4H6N4O3, 환 구조)으로 분해시켜 배설시키지 못하고 요산으로 배설하는 것이다.
일반적으로 사람의 혈액 중에는 1㎗(0.1L) 당 2.5 ∼ 7.5㎎의 요산이 있지만, 심한 육체노동, 백혈병, 화상 등으로 세포가 파괴되어 핵산이 분해되었을 때, 신부전으로 배설이 잘 안 될 때, 고지혈증, 비만, 당뇨병, 고혈압 등에서도 요산의 농도가 높아지는 경우가 있다.
위와 같이 체내에 요산 농도가 높아지면 요산은 볼수용성이므로 약간만 물에 녹을 뿐 대부분은 요산나트륨의 침상 결정체를 형성하여 침전된다.
요산나트륨의 결정체로 인해 신장 결석이 되고 요산나트륨의 침상 결정체가 혈관을 이동 중 혈관벽을 찌르게 되면 혈관 통증이 나타나며, 그리고 관절에 침적되면 관절(주로 발가락이나 손가락 마디)이 굵어진다.
몸의 면역계는 침적된 요산을 세균이나 바이러스로 착각해 공격하므로 염증반응이 일어나고 통풍이 발생한다
요산은 사람 체내에서 T 림프 세포의 항원(병원균 등 외부 물질) 인식률을 높여주므로 면역반응을 강화하는데 관여한다. 조직에서의 요산 농도를 보면 세포 밖의 조직액에서의 요산 농도보다 세포 속에 있는 세포질에서의 요산 농도가 100배 더 높다. 조직에 병원균 등이 침입하여 세포를 손상시키면 세포질에 있던 요산이 세포 밖으로 방출되어 결정체를 형성하게 된다. 요산의 결정체가 항원의 인식을 높여 주므로 요산 결정체 주변의 세포들이 T 림프 세포가 공격을 하도록 한다. 그 결과 강력한 면역반응이 일어나게 된다.
신장결석과 통풍은 이러한 작용이 과도하게 일어난 것이다.
6. 유리카제(uricase)
그런데 유인원과 인간은 진화되는 과정에서 요산 분해 유전자가 불활성화되어 유리카제(uricase, urate oxidase)를 생성할 수 없다. 인간과 유인원은 지능의 발달로 도구를 사용함에 따라 육체를 적게 쓰고 손상도 적게 입어 자체에서 발생하는 요산이 적어지고 또 인구가 증가함에 따라 곡류의 섭취가 늘어나고 어류와 육류의 섭취는 줄어들어 섭취하는 음식의 핵산도 줄어들었다. 발생하는 요산이 점점 감소하여 요산을 그대로 배출해도 문제가 없어짐에 따라 유리카제(uricase, urate oxidase)의 유전자의 활성이 퇴화된 것이다. 그래서 유인원과 인간은 요산을 분해할 수 없으므로 체내에서 어떤 원인으로 많이 생성되거나 잘 배출되지 않으면 통풍이 나타날 수 있다.
그리고 요산은 항산화 물질이다. 그러므로 체내에서 요산은 ROS(Reactive Oxygen Species, 활성산소)에 의한 세포 손상을 보호해주는 역할도 한다.
암모니아, 요소, 요산의 생성과 배출(오르니틴 회로).hwp