이화 작용(異化作用, catabolism)

광합성, 호흡, 소화와 같이 유기물질의 합성이나 분해 그리고 에너지를 생성하기 위해 생물체에서 일어나는 유기화합물의 연속적 화학반응을 물질대사라 한다(물질대사의 일부분인 한 개의 화학반응도 불질 대사라 한다).
물질대사(物質代謝, metabolism) 중에서 고분자 물질이나 저분자 물질을 보다 작은 저분자 물질이나 무기물질로 분해하는 과정을 이화 작용(catabolism)이라 한다.

1. 고분자 물질을 저분자 물질로 분해

이화 작용이 일어날 때 먼저 고분자 물질이 저분자 물질로 분해된다.
체외인 소화기관에서 소화효소의 작용으로 단백질은 20여 종류의 아미노산으로, 탄수화물인 녹말, 글리코젠(glycogen) 등의 다당류는 엿당 등의 이당류로 분해되고 다시 포도당, 과당, 갈락토오스 등과 같은 단당으로, 지방은 지방산(脂肪酸, fatty acid)과 글리세롤(glycerol)로, 단백질은 아미노산(amino acid)으로 각기 분해된다. 이 단계에서 생기는 에너지의 양은 매우 적어 단백질이나 탄수화물의 경우에는 전체 자유 에너지의 6.6％, 지질의 경우에는 0.1％가 방출되는데, 방출되는 에너지는 대부분 열로 방출된다. 이 단계의 목적은 고분자 물질을 세포막을 통과할 수 있는 저분자 물질로 분해하여 체내로 흡수될 수 있게 하는 것이다.
그리고 이와 같이 고분자 물질을 저분자 물질로 분해시키고 이때 발생하는 에너지로만 살아가는 미생물(예, 혐기성 세균 등)도 있는데 이들의 작용을 발효(醱酵, fermentation, 부패, 효모의 알코올 발효, 유산균의 젖산 발효 등)라 한다.

*발효(醱酵, fermentation)
무산소 호흡(無氣呼吸, anaerobic respiration)인 발효(醱酵 fermentation)는 미생물이 탄소화합물(炭素化合物, carbon compound, 유기물)을 완전히 산화시키지 못하므로 중간산물을 생성하고 소량의 에너지를 방출한다. 이때 발생하는 수소 원자를 중간산물이 수용하거나 전달한다. 이 경우 유기 호흡으로 완전히 산화될 때보다 훨씬 적은 양의 에너지가 발생한다. 그러나 발효는 중요한 중간산물들을 생산한다. 그 예로 피루브산(pyruvic acid)이 탈카르복시 반응(decarboxylation) 일어난 아세트알데히드나 피루브산이 NADH(nicotinamide adenine dinucleotide hydrogen, NAD의 환원형, 탈수소 효소의 조효소로서 산화, 환원 반응의 전자 매체)로 환원되면서 젖산, 알코올을 생성하는 것이다.

2. 저분자 물질의 불완전 산화 과정

저분자 물질인 당류(糖類, saccharide), 글리세롤(glycerol), 지방산(脂肪酸, fatty acid), 아미노산(amino acid) 등이 불완전 산화되는 단계이다. 불완전 산화의 최종산물은 아세틸 CoA(acetyl coA), 옥살아세트산(oxalacetic acid), α-케토글루타르산(alpha-ketoglutaric acid) 등이다. 아세틸 CoA(acetyl coA)는 이중 가장 흔하게 생성되는 물질로서 탄수화물과 글리세롤(glycerol)에 들어 있는 탄소의 2/3, 지방산의 모든 탄소 원자, 그리고 아미노산(amino acid) 탄소 원자의 약 1/2이 이와 같은 형태로 분해된다.

3. 저분자 물질의 완전 산화 과정

불완전 산화로 생성된 유기물들은 TCA회로(tricarboxylic acid cycle, 구연산 회로)에 합류되어 TCA회로와 전자 전달계를 거치는 동안 완전히 산화되는데, 대부분의 에너지는 이 단계에서 방출된다.
산소를 사용하지 못하는 미생물(혐기성 세균 등, 무산소 호흡)은 세포 내에 TCA회로(tricarboxylic acid cycle, 구연산 회로)가 없다. 그래서 무산소 호흡인 발효(醱酵 fermentation)가 일어난다.
TCA 회로는 아세틸 CoA가 옥살아세트산(oxalacetic acid)과 결합해 시트르산(citric acid)으로 되는 것부터 시작해 여러 반응들을 거쳐 최종 단계에서 다시 옥살아세트산(oxalacetic acid)이 생성되면서 반응이 계속 순환하는 회로이다. 이 회로는 탈수소 반응(脫水素反應, dehydrogenation)과 탈카르복시 반응(decarboxylation)을 연쇄적으로 일으킴으로써 수소와 CO2를 생성하는데, 여기서 생성된 수소는 NAD(nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+, 탈수소 효소의 조효소로서 산화, 환원 반응의 전자 매체)나 FAD(flavin adenine dinucleotide, 수소 및 전자 전달계에서 산화환원 효소의 보결 분자단)와 결합하여 NADH, FADH2를 생성한다.
NADH, FADH2는 전자 전달계(電子傳達系, electron transport system)로 들어가 전자 수용체에 전달된다.
전자 수용체 분자들은 포르피린(porphyrin) 화합물을 갖는 시토크롬(cytochrome)들로서 포르피린의 Fe 원자가 전자와 결합한다. 시토크롬에는 b, c1, c, a 등 여러 종류가 있으며, 각 시토크롬은 서로 다른 에너지 준위에서 전자와 결합하므로 시토크롬 전자 전달계를 따라 전자가 이동하면서 계속 에너지를 방출하게 되고, 최종적으로 이 전자가 양성자와 산소를 결합시켜 물 분자를 생성한다. 이때 산화적 인산화 반응(酸化的燐酸化反應, oxidative phosphorylation)이 일어나 NADH, FADH2의 전자전달 전위 에너지는 ATP의 고에너지 인산 결합 에너지로 전환되는데, 1쌍의 전자가 NADH로부터 산소 분자에 전달되면 3 분자의 ATP 분자가 생성되고 FADH2는 2 분자의 ATP가 생성된다.
전자 전달계에서 ATP가 생성되는 과정을 화학 삼투설(chemiosmotic theory, 화학 삼투 공역, Chemiosmotic coupling)로 설명한다.
전자 전달계를 통하여 전자가 전달되는 과정에서 양성자 펌프(Proton (H+) pump)의 작용으로 막공간에 양성자(H+)를 축적함에 따라 막의 안팎 사이에 양성자 농도 기울기(Proton Gradient, 양성자 구동력, proton motive force)가 형성되는 화학 삼투(chemiosmosis)가 일어난다. 이렇게 형성된 화학 삼투(chemiosmosis)의 양성자(H+)가 막의 통로로 확산될 때 통로에 있는 ATP 합성효소 복합체(ATPase complex, F0 F1, complex V)에 의해 ATP가 합성되는 산화적 인산화 반응(酸化的燐酸化反應, oxidative phosphorylation)을 거치면서 NADH, FADH2의 전자전달 전위 에너지가 ATP 에너지로 전환된다.
미토콘드리아에서 생성된 ATP는 대부분 미토콘드리아의 밖에서 이용되는데, ATP 같은 하전 분자(荷電分子)는 지질 이중층을 쉽게 확산으로 통과할 수 없으므로 특별한 이동계, 즉 아데닌 뉴클레오티드 전위 효소(translocase)에 의해 이동된다.
또 TCA회로 자체의 기질(基質, substrate)에서도 1 분자의 ATP(GTP)가 합성된다.
TCA 회로의 반응을 요약하면, 아세틸 조효소 A＋3NAD＋＋FAD＋GDP＋Pi＋2H2O→2CO2＋3NADH＋H＋＋FADH2＋GTP＋Co A와 같이 쓸 수 있다.
ATP(adenosine triphosphate, 아데노신 삼인산)는 유기물의 분해로 발생한 자유 에너지를 고에너지 인산 결합으로 전환한 것이다. ATP는 일종의 뉴클레오티드(nucleotide)로서 5탄당인 리보오스(ribose), 질소를 함유한 염기인 아데닌(adenine), 세 개의 인산(燐酸, phosphoric acid)으로 구성되어 있다. ATP를 구성하는 리보오스의 5번 탄소에는 3개의 인산기가 결합되어 있는데, 끝에 있는 두 인산 결합이 분해될 때 다량의 자유 에너지가 방출된다(ATP 1 mol이 ADP 1 mol이 될 때나 ADP 1 mol이 AMP 1 mol이 될 때 7.3㎉의 자유 에너지 방출).
호흡에 의해 생성된 ATP 형태의 에너지는 근육 수축이나 편모와 섬모의 운동과 같은 기계적인 에너지, 몸속에 필요한 고분자 물질을 만드는 화학적 에너지 생성, 능동 수송 등의 수송에너지 생성, 전기뱀장어의 전기에너지 생성, 반딧불이와 같은 빛 생성에 사용된다.

* 화학 삼투설(chemiosmotic theory, 화학 삼투 공역, Chemiosmotic coupling)

전자 전달계에 있는 전자 수용체 분자들은 포르피린(porphyrin) 화합물을 갖는 시토크롬(cytochrome)들로서 포르피린의 Fe 원자가 전자와 결합한다. 시토크롬에는 b, c1, c, a 등 여러 종류가 있으며, 각 시토크롬은 서로 다른 에너지 준위에서 전자와 결합하므로 시토크롬 전자 전달계를 따라 전자가 이동하면서 계속 에너지를 방출한다.
TCA회로 등에서 생성된 NADH, FADH2는 미토콘드리아의 막에 있는 전자 전달계로 이동되어 ATP 생성에 이용된다.
ATP의 생성은 NADH나 FADH2의 전자가 전자 전달계에 단계적으로 이동되면서 발생되는 에너지에 의한 양성자 펌프( Proton (H+) pump) 작용으로 양성자를 미토콘드리아 내막, 외막 사이의 공간 부위로 이동시키면 미토콘드리아 내막과 기질 사이에서 수소 이온의 농도 차가 생겨 막 전위 기울기(농도구배, 양성자 농도 기울기, Proton Gradient, 양성자 구동력, proton motive force)가 형성된다.
이렇게 막 전위차를 갖는 상태에서 양성자가 다시 미토콘드리아의 기질 쪽으로 통로를 통해 방출될 때에 농도 차이의 에너지가 방출되고 이 에너지에 의해 ADP와 Pi로부터 ATP가 형성된다는 것이다. 내막으로부터 기질로 양성자가 이동될 때는 통로에 ATPase 복합체(F0 F1, ATPase complex, complex V)라는 효소가 있다.
ATP 합성은 주로 산화적 인산화 반응(酸化的燐酸化反應, oxidative phosphorylation)에 의해 일어난다. 산화적 인산화 반응(酸化的燐酸化反應, oxidative phosphorylation)은 인산화에 의한 ADP에서 ATP로의 전환이 전자전달의 산화 반응과 동시에 일어난다.
전자 전달계의 최종산물은 이동된 전자가 양성자(H+)와 산소(O2)를 결합시켜 물(H2O) 분자를 생성한다.

4. 탄수화물의 분해(炭水化物 分解, carbohydrate catabolism)

녹말(綠末, starch), 글리코젠(glycogen), 셀룰로오스(cellulose, 사람은 소화 안 됨) 등의 다당류(多糖類, polysaccharide)와 엿당(maltose, 맥아당), 설탕(sucrose), 젖당(lactose) 등의 이당류(二糖類, disaccharide)는 소화효소에 의해 포도당(glucose), 과당(果糖, fructose), 갈락토오스(galactose) 등의 단당류(單糖類, monosaccharide)로 분해된다.

가. 포도당의 분해(葡萄糖分解, glycolysis)

1) 해당 과정(解糖過程, glycolysis)
탄수화물 중에서 이당류 이상의 고분자들은 생물체 밖인 소화기관에서 단당류로 소화되어 흡수된다(포도당, 과당, 젖당 등).
단당류의 대부분 특히 6탄당은 체 내에서 쉽게 포도당(glucose)으로 전환될 수 있기 때문에 포도당(glucose)의 분해 과정(葡萄糖分解過程, glycolysis)이 탄수화물 분해과정의 대표가 된다. 포도당(glucose)이 피루브산(pyruvic acid) 2 분자로 분해되면서 ATP를 생성하는 과정을 해당(解糖, glycolysis) 과정이라 한다. 해당 과정은 세포질에서 일어나며 산소가 필요하지 않으므로 무산소 호흡이다.
해당 과정을 요약하면,
포도당＋2ADP＋2Pi＋2NAD＋→2피루브산＋2ATP＋2NADH＋2H＋＋2H2O이다.
해당 과정으로 포도당 1 분자는 2 분자의 ATP가 소모되고 4 분자의 ATP가 생성되므로 결국 2 분자의 ATP가 생성되는 것이다. 이때 대부분의 포도당 에너지는 2 분자의 피루브산(pyruvic acid)에 있고, 일부는 NADH로 가며 나머지 일부는 열로 발산된다.
녹말(綠末, starch)이나 글리코젠(glycogen)이 분해되어 해당 과정에 이용될 경우 포도당-1-인산이 생성되고 이것이 다시 포도당-6-인산으로 되는데 이 경우에는 ATP가 쓰이지 않으므로 3 ATP가 생성된다.

2) 피루브산(pyruvic acid)의 산화
해당 과정에 의해 생성된 피루브산(pyruvic acid)은 산소의 공급이 충분하지 못하면 역으로 피루브산(pyruvic acid)과 생성된 NADH가 결합하여 환원된 젖산(lactic acid)이 되는데 이를 무산소 호흡(無氣呼吸, anaerobic respiration)이라 한다. 그러나 산소가 충분히 있을 때는 피루브산 탈수소 효소 복합체(pyruvate dehydrogenase complex)에 의해 아세틸 CoA(acetyl coA), CO2, NADH, H＋를 생성하며 아세틸 CoA(acetyl coA)는 다시 TCA 회로에 들어가 분해된다.

3) 5탄당 인산 회로(pentose-phosphate cycle)
5탄당 인산 회로(pentose-phosphate cycle)에서는 해당 과정에서 생성된 포도당-6-인산이 탈수소 효소(脫水素酵素, dehydrogenase)에 의해 산화된 다음, 다시 탈탄소 반응으로 CO2를 잃고 5탄당인 리불로오스-5-인산(ribulose-5-phosphate)이 되며 2 NADH가 생성된다. 리불로오스-5-인산(ribulose-5-phosphate)은 리보오스-5-인산(ribose-5-phosphate)이 되어 뉴클레오티드의 합성에 쓰이거나 복잡한 경로를 통해 해당 과정에 이용된다.

나. 포도당 이외의 당 분해

글리코젠(glycogen)은 동물 세포에 있는 저장 탄수화물이다. 글리코젠은 여러 개의 포도당 분자가 결합되어 분지된 다당류이며 섭취하면 소화효소인 알파-아밀라제에 의해 대부분 분해되어 엿당(maltose)과 말토트리오스(maltotriose)
로 소화된다.
그런데 체내의 글리코젠은 알파-아밀라제에 의해 분해되지 않고 포스포릴레이스(phosphorylase)의 작용으로 포도당-1-인산(glucose-1-phosphate)으로 분해된다. 포도당-1-인산은 포스포글루코뮤테이스(phosphoglucomutase)에 의해 포도당-6-인산(glucose-6-phosphate)으로 전환되며(포스포글루코뮤테이스는 역반응도 촉진함), 포도당-6-인산(glucose-6-phosphate)은 포스파테이스(포스파타아제, phosphatase)의 작용으로 포도당(glucose, 글루코오스)이 되거나 해당 과정(glycolysis)이나 5탄당 인산 회로(pentose-phosphate cycle)에 이용된다.
갈락토오스(galactose)는 먼저 갈락토키네이스(galactokinase)에 의해 갈락토오스-1-인산(galactose-1-phosphate)이 되었다가 다시 포도당-1-인산으로 전환된다.
과당(果糖, fructose)은 헥소키네이스(hexokinase)에 의해 과당-1-인산(fructose-1-phosphate)이 되고, 과당-1-인산은 알돌레이스(aldolase)에 의해 다시 디히드록시아세톤인산(dihydroxyacetone phosphate, DHAP)과 글리세르알데히드(glyceraldehyde)가 되어 해당 과정에 합류된다.

5. 중성지방(中性脂肪, neutral fats)의 분해

중성지방인 트리글리세리드(triglyceride)는 효소인 라이페이스(lipase)에 의해 지방산(fatty acid) 3 분자와 글리세롤(glycerol) 1 분자로 분해된다. 지방산은 대부분 생물의 에너지 공급원이 된다.

가. 글리세롤(glycerol, 글리세린, glycerine)의 분해

글리세롤키나제(glycerol kinase)에 의해 글리세롤은 ATP와 반응하여 글리세롤-3-인산이 되고 글리세롤-3-인산(glycero-1-phosphate)은 글리세롤 인산 탈수소 효소(glycerophosphate dehydrogenase)에 의해 NAD+와 반응하여 DHAP(Dihydroxyacetone phosphate, 디히드록시아세톤인산)로 산화된 다음 글리세르알데히드-3-인산(Glycerinaldehyd-3-phosphorsäure)되고 피루브산(Pyruvic acid)이 되어 TCA회로로 들어가 분해된다. 글리세롤 1 분자는 19 ATP를 생성한다.
포도당(glucose)의 해당 작용(glycolysis)으로 생성된 DHAP(Dihydroxyacetone phosphate, 디히드록시아세톤인산)은 글리세롤인산탈수소효소(glycerophosphate dehydrogenase)에 의해 글리세르알데히드-3-인산(Glycerinaldehyd-3-phosphoric acid)이 된다.
그래서 글리세롤(glycerol)이 위의 역과정으로 포도당 신생(Gluconeogenesis)이 될 수 있다.

나. 지방산(fatty acid)의 분해

고등 생물의 세포질에서 지방산과 조효소 A(coenzyme A)가 결합해 아실조효소 A(acyl-coenzyme A)를 형성한다. 이들이 산화로 분해되기 위해서는 미토콘드리아 안으로 이동되아야 하는데 아실 조효소 A(acyl-coenzyme A)는 막을 통과할 수 없으므로 효소인 카르니틴(carnitine)에 의해 미토콘드리아로 이동된다. 막을 통과한 아실 조효소 A(acyl-coenzyme A)는 수소 원자 2개를 잃으면서 이중결합의 아실 조효소 A가 되며, 수소 이온은 조효소 FAD로 이동되어 FADH로 환원한다.
불포화 아실 조효소 A는 케토아실 조효소 A가 되고 베타-하이드록시아실코에이 탈수소 효소(β-hydroxyacyl-CoA dehydrogenease)의 작용으로 탈수소화 반응을 일으켜 NADH를 생성한다.
케토아실 조효소 A는 다시 아세틸 조효소 A(acetyl-coenzyme A)와 아실 조효소 A(acyl-coenzyme A, 원래의 조효소 A보다 탄소 원자가 2개 적음)를 생성한다. 이렇게 세포질에서 지방산의 탄소가 2개씩 떨어지면서 지방산이 아세틸 조효소 A(acetyl-coenzyme A)가 되는 과정을 β-산화(beta oxidation)라 하고 이러한 β-산화(beta oxidation)를 반복하면서 계속 아세틸 조효소 A(acetyl-coenzyme A)가 생성된다. 한 번의 β-산화 경로에서는 탄소 2개당 1 분자의 NADH와 FADH가 생성되며, 이들이 전자 전달계에서 완전히 산화되면 5 분자의 ATP를 생성한다(NADH 1개, FADH 1개). 또한 생성된 아세틸 조효소 A(acetyl-coenzyme A)는 TCA 회로에 합류해 산화되면서 아세틸 조효소 A(acetyl-coenzyme A) 1 분자가 12개의 ATP 분자를 생성한다(ATP 1개, NADH 3개, FADH2 1개).
그런데 마지막 탄소 4개는 β-산화(beta oxidation)가 2회 일어나는 것이 아니라 1회만 일어남으로 NADH 1개, FADH 1개 생성되어 5 ATP를 생성하고 2 분자의 아세틸 조효소 A(acetyl-coenzyme A)가 생성되어 TCA 회로에 들어가 24 ATP를 생성한다.
결과적으로 2개씩의 탄소가 분해되는 아세틸 조효소 A 수보다 β-산화 수가 1번 적다.
그리고 처음의 아세틸 조효소 A(acetyl-coenzyme A) 생성에 1 ATP가 사용되었으므로 1 ATP를 더 제해야 한다.

* 지방산의 ATP생성량
예) 팔미트산(palmitic acid, CH3(CH2)14COOH, 탄소 16개)
팔미트산이 분해되면 β-산화 7번, 아세틸 조효소 A가 8 분자가 생성되므로
5 ATP × 7 + 12 ATP × 8 - 1 ATP =35 + 96 -1 = 130(ATP)

예) 스테아르산(stearic acid, CH3(CH2)16COOH, 탄소 18개)
스테아르산이 분해되면서 β-산화 8번, 아세틸 조효소 A가 9 분자가 생성되므로
5ATP × 8 + 12ATP × 9 - 1ATP =40 + 108 -1 = 147(ATP)

6. 단백질 분해(蛋白質分解, proteolysis)

소화작용으로 단백질이 아미노산으로 분해되어 체내로 흡수된다. 아미노산은 생물체를 구성하는 물질의 재료로 대부분 쓰이고 일부는 에너지 공급원으로 쓰일 수 있다.
아미노산의 이화 작용은 질소의 제거와 탄소 골격의 산화로 이어진다.

1) 아미노산 질소의 제거(탈 아미노기 작용)
탈 아미노기 반응(deamination)이 일어나기 위해서 먼저 아미노산에 있는 아미노기(基)를 피루브산(pyruvic acid) 또는 TCA 회로의 중간물질인 a-케토글루타르산(α-ketoglutaric acid), 옥살아세트산(oxalacetic acid) 등 3종류의 α-케토산 중 하나에 아미노기가 전이된다. 이들의 생성물은 각기 아미노산인 알라닌(alanine), 아스파르트산(aspartic acid), 글루탐산(glutamic acid)이다. 이렇게 전이된 아미노기를 제거하는 여러 방법 중 가장 중요한 경로는 글루탐산탈수소 효소(glutamate dehydrogenase)에 의해 글루탐산(glutamic acid)이 α-케토글루타르산(alpha-ketoglutaric acid)으로 산화되면서 NH3를 분리하는 것이다. 이 경우 NADP＋(NADP(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADP, 탈수소 효소의 조효소로서 산화, 환원 반응의 전자 매체)나 NAD＋ 또는 둘 모두 수소 이온이나 전자 수용체로 작용한다. 암모니아 형태로 배설하는 동물의 경우, 암모니아가 독성이 강하기 때문에 글루타민 합성 효소에 의해 글루탐산을 글루타민, ADP, 인산으로 전환시켰다가 신장에서 다시 암모니아로 전환해 오줌으로 배설한다. 육상 파충류나 조류는 요산(尿酸)으로 질소 노폐물을 배설한다. 요산은 퓨린 구조인데 핵산이 분해될 때도 생성된다. 대부분의 어류, 양서류, 포유류는 요소(尿素) 형태로 배설된다. 암모니아를 요소로 합성하는 과정을 오르니틴 회로라 하며 간에서 일어난다. 글루탐산에서 생성된 암모니아와 NAD＋는 간의 미토콘드리아에서 CO2, ATP와 반응하여 카르바모일인산(carbamoyl phosphate), ADP, 인산을 형성하는데, 카르바모일인산(carbamoyl phosphate)의 카르바모일기(基, carbamoyl, NH2-CO-)가 오르니틴에 전달되면 시트룰린(citrulline)과 인산이 생성된다. 시트룰린(citrulline)은 아스파르트산(aspartic acid)과 반응해 아르기니노숙신산(Argininosuccinic acid)이 되었다가 다시 푸마르산(fumaric acid)과 아르기닌(arginine)으로 나누어지고, 아르기닌은 아르기네이스(argininase)에 의해 요소(尿素, urea)가 된다.

2) 유기산의 산화
아미노산에서 아미노기가 제거되고 남은 유기산은 해당 과정이나 TCA 회로의 중간물질에 합류되어 분해된다. 이때 피루브산 등 중간물질을 생성하는 단계는 아미노산마다 다르다.

7. 핵산의 분해

가. 소장에서 핵산의 소화

DNA와 RNA를 핵산이라 하며 이들을 분해하는 핵산 분해효소(nuclease)에는 RNA를 분해하는 리보뉴클레아제(ribonuclease, R Nase)와 DNA를 분해하는 데옥시리보뉴클레아제(deoxyribonuclease, D Nase)가 있다.
이자(췌장)에서 분비되는 이자액(膵液中, 췌액 중)에 있는 리보뉴클레아제(R Nase)와 데옥시리보뉴클레아제(D Nase)는 섭취한 식품의 핵산(DNA, RNA)을 구성하는 뉴클레오타이드 사이를 연결하는 인산이에스테르 결합(phosphodiester bond, 당의 3’과 5’의 인산 결합)을 분해하여 단위체인 뉴클레오타이드로 만든다.
핵산은 소장에서 분해되어 단위체인 뉴클레오타이드 형태로 흡수된다.

나. 체내에서의 핵산 분해

핵산 분해효소(nuclease, R Nase, D Nase)는 소화기관뿐만 아니라 체내에서도 생성되는데 핵산 외부가수분해효소(Exonuclease)와 핵산 내부 가수분해효소(핵산 중간 분해효소, Endonuclease)가 있다.
핵산 외부가수분해 효소(Exonuclease)는 말단으로부터 핵산을 분해시키고 핵산 내부 가수분해효소(핵산 중간 분해 효소, Endonuclease)는 표적 분자의 중간 부분에서 작용한다.
핵산 분해효소(nuclease)는 핵산의 수선, 제한효소(restriction enzyme) 등에 작용한다.
그리고 뉴클레오티드(염기-5탄당-인산)는 뉴클레오티드가수분해효소(nucleotidase, 뉴클레오티다아제)에 의해 인산이 가수 분해되어 뉴클레오시드를 생성한다.
뉴클레오시드는 뉴클레오시드분해효소
(nucleosidase)에 의해 뉴클레오시드의 글리코시드 결합이 가수 분해되어 리보스와 염기로 분해된다.

1) 피리미딘 염기의 분해(pyrimidine degradation, pyrimidine catabolism)

피리미딘 염기(pyrimidine base)에는 사이토신(cytosine, 시토신, C), 유라실(uracil, 우라실, U), 티민(thymine, T) 등이 있다.

가) CMP와 UMP분해

시티딘일인산(CMP, cytidine monophosphate, 사이티딘 모노포스페이트)과 우리딘일인산(UMP, uridine monophosphate, 유리딘 모노포스페이트)은 뉴클레오티드가수분해효소(nucleotidase, 뉴클레오티다아제)에 의해 시티딘(cytidine)과 우리딘(uridine)으로 분해되고 다시 뉴클레오시드분해효소(nucleosidase)에 의해 사이토신(cytosine, 시토신, C)과 유라실(uracil, 우라실, U)로 분해된다.
사이토신(cytosine)은 유라실(uracil, 우라실)로 분해되고, 유라 실은 3-유레이도프로피온산(3-ureidopropionic acid, N-카바모일-β-알라닌(N-carbamoyl-β-alanine), 3-(카바모일아미노)프로판산(3-(carbamoylamino)propanoic acid)으로 분해될 수 있으며, 그 다음에 β-유레이도프로피오네이스에 의해 β-알라닌(β-alanine, 3-아미노 프로피온산), CO2, 암모니아로 분해될 수 있다.
β-알라닌은 아세틸-CoA로 전환되고 아세틸-CoA는 아세틸-CoA 카복실화효소(acetyl-CoA carboxylase, ACC)에 의해 지방산 합성에 필요한 말로닐-CoA(Malonyl-CoA)로 전환된다.

나) TMP의 분해

티미딘일인산(TMP, thymidine monophosphate, 티아미딘 모노포스페이트)은 뉴클레오티드가수분해효소(nucleotidase, 뉴클레오티다아제)에 의해 티미딘(thymidine)으로 분해되고 다시 뉴클레오시드분해효소(nucleosidase)에 의해 티민(thymine, T)으로 분해된다.
티민(thymine, T)은 β-아미노아이소뷰티르산(β-aminoisobutyric acid)으로 분해되어 메틸말로닐-CoA(methylmalonyl-CoA)를 형성하는 데 사용된다. 다시 숙시닐-CoA 로 전환되어 TCA회로(시트르산 회로)로 들어가 분해되며 궁극적으로 CO2, H2O, 요소로 분해된다.

2) 퓨린 분해(purine degradation)

퓨린염기(purine base)에는 아데닌(adenine, A), 구아닌(Guanine, G) 등이 있다.

가) AMP의 분해

아데노신 일인산(AMP, (adenosine monophosphate, 아데노신 모노포스페이트)은 뉴클레오타이드 가수분해효소에 의해 아데노신(adenosine)으로 전환되고
아데노신은 아데노신 탈아미노 효소에 의해 이노신(inosine)으로 전환된다.
이노신은 뉴클레오사이드 가수분해효소에 의해 하이포잔틴(hypoxanthine, 퓨린 유도체)으로 전환된다.
하이포잔틴은 잔틴 산화효소(xanthine oxidase)에 의해 잔틴(xanthine)으로 전환되고 잔틴은 잔틴 산화효소(xanthine oxidase)에 의해 요산(Uric acid)으로 전환되어 오줌으로 배출된다.

나) GMP의 분해

구아노신일인산(GMP, guanosine monophosphate, 구아노신 모노포스페이트)은 뉴클레오타이드 가수분해효소(nucleotidase)에 의해 구아노신(guanosine)으로 분해된다.
구아노신(guanosine)은 뉴클레오사이드 가수분해효소(nucleosidase)에 의해 구아닌(Guanine, G)과 리보스로 분해된다.
구아닌은 구아닌 탈아미노효소(guanine deaminase)에 의해 잔틴(xanthine)으로 전환되고
잔틴은 잔틴 산화효소(xanthine oxidase)에 의해 요산(Uric acid)으로 전환되어 오줌으로 배출된다.