거대 영양소의 대사 물질대사

물질대사 Anatomy  
 

생명과정에 필요한 에너지를 공급하고 새로운 유기물질을 합성하는 데 관련된 화학과정.

개요

생물은 생명활동을 위해 에너지의 공급을 필요로 하며 그 에너지는 환경으로부터 얻고 있다. 대부분의 식물은 대기 속에서 광합성을 통해 태양의 광 에너지를 화학 에너지로 바꾸고 당(糖)과 그밖의 식물체를 구성하고 있는 복잡한 화합물을 직접 만들어내지만, 동물들은 근본적으로 생명유지에 필요한 물질을 합성할 수 없으므로 식물이나 다른 동물이 가지고 있는 고분자 유기화합물을 섭식하고 분해시켜 이것에서 생성되는 에너지로 생명활동을 유지한다. 동물이 섭취한 먹이의 대부분은 탄수화물·지질·단백질의 3가지 주된 화합물과 무기물질·비타민 등이다. 섭취한 먹이는 소화와 흡수의 과정을 거쳐 생체에 이용될 수 있는 단순한 화합물로 분해되고, 이러한 저분자물질들은 다시 복잡한 화학반응을 거쳐 필요한 에너지를 생산해내고 세포의 구성요소들을 합성·조립하는 데 사용된다. 생물의 체내에서 일어나는 이러한 유기화합물의 모든 화학반응과 이에 수반되는 에너지의 변환을 물질대사라 하고, 특히 에너지를 이용해 저분자물질에서 고분자물질을 합성하는 과정을 동화작용(anabolism), 고분자물질이 저분자물질로 분해되면서 에너지를 방출하는 과정을 이화작용(catabolism)이라고 한다.

물질대사의 일반적 특징

세포 내에서 일어나는 주요 화학반응들은 대개 비슷하다. 따라서 물질대사의 관점에서 볼 때 동물·식물·균류·세균 등 생물체의 종류에 상관없이 세포에서 일어나는 모든 과정들은 근본적으로 같다고 볼 수 있다. 물리화학반응에 수반되는 에너지 변화는 열역학법칙을 따른다. 따라서 생물은 에너지를 소모하지도 창조하지도 않는다. 다만 한 형태로부터 다른 형태로 전환할 뿐이며 환경으로부터 유용한 형태의 에너지인 자유 에너지를 흡수하고 같은 양의 에너지를 생물학적으로 볼 때 덜 유용한 형태인 열로 환경에 돌려준다.

물질대사의 조절

이화·동화 작용을 조절하는 가장 중요한 메커니즘은 효소의 생성이나 효소의 활성도를 조절하는 것이다. 효소와 기질과의 실질적인 반응은 효소의 활성부위(active site)에서 일어나지만, 효소의 조절부위(regulatory site)를 통해 그 모양이 변화될 수 있으며, 그러한 변화는 효소의 반응속도(활성도)를 억제 또는 촉진시킴으로써 촉매작용에 커다란 영향을 미치게 된다. 이화작용은 ATP·ADP·AMP의 상대적인 비율에 의해 조절된다. AMP나 ADP보다 상대적으로 ATP의 양이 많으면 ATP의 생성속도가 감소되는데, 그러한 속도변화는 효소의 특정한 조절부위에 의해 나타난다. 동화작용에서는 ADP나 AMP의 농도가 높아지면 반응속도가 감소되고, 이것은 에너지의 부족이라는 신호로 나타나게 될 것이다. 또 동화작용의 특성 중 하나는 확실한 최종산물이 존재한다는 것이며, 음성 피드백 시스템에 의해 최종산물의 세포 내 농도가 효소의 활성변화를 통해 산물 자신의 형성속도를 스스로 결정하게 되므로 항상 필요한 양의 산물만이 합성된다.

이보다 덜 즉각적인 조절은 효소의 생성에 의해 나타난다. 단백질 합성률은 그에 해당하는 유전자의 활성을 반영하므로 효소 그 자체보다는 유전물질에 변화가 일어나게 되는 것이며, 이러한 조절이 미생물에서는 대단히 중요하다. 유도효소(inducible enzyme)의 전형적인 예로 갈락토시다아제를 들 수 있다. 대장균(Escherichia coli)을 젖당이 들어 있는 배양액으로 옮기면 새로이 갈락토시다아제를 합성하게 되는데, 이 효소는 젖당을 가수분해해 포도당과 갈락토오스로 분해함으로써 젖당을 성장과 에너지의 공급에 사용할 수 있게 한다. 그러나 동화작용에서는 효소의 합성률이 유도체에 의해 변화하지 않는다.

이화작용

음식물의 이화작용은 저분자물질로의 분해 예를 들면 소화, 불완전산화, 완전산화의 3단계에 의해 진행된다.

저분자물질로의 분해

이 과정에서는 고분자물질이 저분자물질로 분해된다. 단백질은 20여 개의 아미노산으로, 탄수화물은 포도당과 같은 당으로, 지방은 지방산과 글리세롤로 각기 분해된다. 이 단계에서 생기는 에너지의 양은 매우 적어 단백질이나 탄수화물의 경우에는 전체 자유 에너지의 6.6％, 지질의 경우에는 0.1％가 방출될 뿐이며, 대부분의 에너지는 열로 방출된다. 이 단계의 목적은 유용한 에너지를 생성하기 위한 재료를 준비하는 데 있다.

불완전화

이 단계에서는 1단계에서 생성된 물질(당·글리세롤·지방산·아미노산)들이 불완전산화된다. 이 단계의 최종산물은 아세틸 조효소 A, 옥살아세트산, α-케토글루타르산(α-옥소글루타르산)의 3가지 중 하나이다. 아세틸 조효소 A는 이중 가장 흔한 생성물로서 탄수화물과 글리세롤 속에 들어 있는 탄소의 2/3와 지방산의 모든 탄소원자, 그리고 아미노산 속의 탄소원자의 약 1/2이 이 형태로 분해된다.

포도당

① 해당과정(解糖過程 glycolysis)： 탄수화물 가운데 이당류 이상의 고분자들은 생물체 내에서 가수분해해 대부분의 경우 포도당으로 분해되며 포도당 이외의 단당류들, 특히 6탄당들은 쉽게 체내에서 포도당으로 전환될 수 있기 때문에 포도당의 분해과정은 탄수화물의 분해과정을 대표한다고 볼 수 있다. 포도당이 일련의 반응을 거쳐 2분자의 피루브산으로 분해되면서 ATP를 생성하는 과정을 해당과정이라 한다. 해당과정은 세포질에서 일어나며 산소가 필요하지 않으므로 무기호흡이라고 할 수 있다. 해당과정을 요약하면, 포도당＋2ADP＋2Pi＋2NAD＋→2피루브산＋2ATP＋2NADH＋2H＋＋2H2O. 포도당 1분자의 해당과정을 통해 피루브산 2분자가 되는데, 이때 2분자의 ATP가 소모되고 4분자의 ATP가 생성되므로 결국 2분자의 ATP가 생성되는 셈이다. 포도당이 지니고 있는 대부분의 에너지는 2분자의 피루브산으로 가고, 일부는 NADH＋H＋로 가며 나머지 일부는 반응을 거치면서 열로 발산된다. 녹말이나 글리코겐이 해당에 사용될 경우 포도당-1-인산이 먼저 생기고 이것이 다시 포도당-6-인산으로 되는데 이 경우에는 ATP가 참여하지 않으므로 3ATP가 생성되는 결과가 된다.

② 피루브산의 산화：해당에 의해 생성된 피루브산은 근육의 수축에서 볼 수 있듯이 산소의 공급이 충분하지 못한 무기(無氣) 상태의 경우에는 환원되어 젖산이 된다. 그러나 산소가 충분히 존재할 때는 피루브산탈수소효소복합체(pyruvate dehydrogenase complex)에 의해 아세틸 조효소 A, CO2, NADH, H＋를 생성하며 이것은 TCA 회로에 연결되어서 완전산화된다.

  
③ 5탄당인산회로：해당은 포도당의 산화를 통해 ATP를 얻기 위한 것이지만, 이 과정은 핵산의 합성에필요한 5탄당과 세포질 내의 환원력을 위해 NADPH를 얻는 것이 주요목적이다. 5탄당인산회로에서는 해당과정에서 생성된 포도당-6-인산이 탈수소효소(脫水素酵素)에 의해 산화된 다음, 다시 한 번의 탈수소반응으로 CO2를 잃고 5탄당인 리불로오스-5-인산이 되는데 여기까지에서 2NADPH가 생성된다. 리불로오스-5-인산은 리보오스-5-인산(ribose-5-phosphate)이 되어 뉴클레오티드의 합성에 쓰일 수도 있고, 다시 복잡한 경로를 통해 해당과정에 합류할 수도 있다.

 

포도당 이외의 당

동물세포에서 볼 수 있는 주요 저장 탄수화물은 글리코겐이다. 글리코겐은 포도당분자가 연결되어 이루어진 물질로서 글리코겐포스포릴라아제에 의해 포도당-1-인산이 글리코겐으로부터 잘라져나오게 되는데 이러한 과정이 반복되면서 완전히 분해된다. 포도당-1-인산은 포스포글루코뮤타아제에 의해 포도당-6-인산으로 전환되며, 그 다음에는 해당과정이나 5탄당인산회로를 거쳐 이화작용이 계속된다. 음식물에서 발견되는 그밖의 당은 젖당, 설탕 등인데 젖당은 갈락토오스 1분자와 포도당 1분자로 가수분해되며, 설탕은 포도당 1분자와 과당 1분자로 가수분해된다. 갈락토오스는 먼저 갈락토키나아제에 의해 갈락토오스-1-인산이 되었다가 다시 포도당-1-인산으로 전환된다. 과당은 헥소키나아제나 프룩토키나아제에 의해 과당-1-인산이 되고, 과당-1-인산은 알돌라아제(aldolase)에 의해 다시 디히드록시아세톤인산(DHAP)과 글리세르알데히드가 되어 해당과정에 합류한다.

지방

대부분의 생물에게 있어 탄수화물이 가장 중요한 연료이지만 지방산도 중요한 에너지 공급원이다. 저장지방의 주요요소인 트리글리세리드는 효소에 의해 지방산 3분자와 글리세롤로 가수분해된다.

① 글리세롤：글리세롤-1-인산은 다시 글리세롤인산탈수소효소에 의해 DHAP로 산화된다. 세포질에서 일어나는 반응에서는 NAD가 전자수용체이고 미토콘드리아에서는 FAD가 전자수용체이다.

② 지방산：고등생물에서는 세포질에 있는 효소인 티오키나아제에 의해 지방산과 조효소 A가 결합해 아실 조효소 A를 형성한다. 그러나 산화는 미토콘드리아 안에서 일어나고 아실 조효소 A는 막을 통과할 수 없으므로 카르니틴이라는 효소에 의해 미토콘드리아로 이동된다. 막을 통과한 후에 아실 조효소 A는 수소 원자 2개를 잃으면서 불포화 아실 조효소 A가 되며, 수소 이온은 조효소 FAD가 받아 FADH2로 환원한다. 효소에 의해 가수분해와 산화를 거치면서 불포화 아실 조효소 A는 케토아실 조효소 A가 되고 이것은 다시 아세틸 조효소 A와 아실 조효소 A(원래의 조효소 A보다 탄소원자가 2개 적음)를 생산한다. 이렇게 세포질에서 탄소가 2개씩 갈라지면서 지방산이 ATP를 사용해 아세틸 조효소 A가 되는 과정을 β-산화라 하고 이러한 β-산화를 반복하면서 계속 아세틸 조효소 A가 생성된다. 한 번의 β-산화경로에서는 각각 1분자의 NADH와 FADH2가 생성되며, 이들이 전자전달계를 통해 완전산화되면 5분자의 ATP를 생성하게 된다. 또한 생성된 아세틸 조효소 A는 TCA 회로에 합류해 산화되면서 아세틸 조효소 A 1분자가 12개의 ATP 분자를 만들게 되므로, 처음 세포질에서 지방산이 산화될 때 쓰인 ATP를 계산하더라도 지방산 1분자에 의해 생성되는 에너지는 상당한 양임을 알 수 있다.

단백질

단백질에서 생긴 아미노산은 생물체를 구성하는 물질의 재료이지 에너지 공급원은 아니다. 단백질은 세포로 들어가기 전에 가수분해되어 아미노산을 방출하며, 아미노산의 이화작용은 질소의 제거와 탄소 골격의 산화로 이어진다.

① 질소의 제거：이 과정은 아미노산의 아미노기(基)가 피루브산 또는 TCA 회로의 중간물질인 a-옥소글루타르산, 옥살아세트산 등 3종류의 α-케토산 중 하나의 음이온으로 전달되면서 시작되는데 이들의 생성물은 각기 알라닌·아스파르트산·글루탐산이다. 이렇게 전이된 아미노기에서 질소가 제거되는 방법은 여러 형태이나, 가장 중요한 경로는 글루탐산탈수소 효소에 의해 글루탐산이 α-옥소글루타르산으로 산화되면서 NH3를 만드는 것이다. 이 경우 NADP＋나 NAD＋ 또는 둘 모두 수소 이온이나 전자수용체로 작용한다. 암모니아의 형태 그대로 질소 노폐물을 배설하는 동물의 경우, 암모니아가 독성이 강하기 때문에 일단 글루타민합성효소에 의해 글루탐산을 글루타민, ADP, 인산으로 전환시켰다가 신장에서 다시 암모니아로 전환해 오줌으로 배설한다. 육상 파충류나 조류는 요산(尿酸)으로 질소 노폐물을 배설한다. 요산은 퓨린으로부터 생성되는데 이는 핵산이 분해될 때 생긴다. 대부분의 어류·양서류·포유류는 질소가 요소(尿素) 형태로 배설된다. 글루탐산에서 생성된 암모니아와 NAD＋는 간의 미토콘드리아에서 CO2, ATP와 반응하여 카르바모일인산·ADP·인산을 형성하는데, 카르바모일인산의 카르바모일기(基)가 오르니틴에 전달되면 시트룰린과 인산이 생성된다. 시트룰린은 아스파르트산과 반응해 아르기니노숙신산이 되었다가 다시 푸마르산과 아르기닌으로 나누어지고, 아르기닌은 아르기나아제에 의해 요소가 된다.

② 탄소골격의 산화：아미노산에서 질소가 제거되고 남은 탄소골격은 계속 잘라지면서 몇 개의 산물을 생성하고 그것들은 모두 해당과정이나 TCA 회로의 중간 물질이 된다. 이때 피루브산 같은 최종산물을 생성하기 위해 거치는 단계의 숫자는 아미노산마다 각기 다르고 그것은 각 아미노산의 복잡한 정도를 나타낸다.

완전산화(호흡)

TCA 회로로 알려진 화학반응을 통해 불완전산화 단계에서 생성된 산물들이 완전히 산화되는데, 대부분의 에너지는 이 단계에서 방출된다. 탄소복합물을 완전히 산화시키지 못하는 미생물들은 대신 발효(醱酵 fermentation)에 의해 에너지를 방출한다. 이때는 이화작용의 중간산물이 수소원자를 수용하거나 전달하는데, 이 경우 완전산화의 경우보다 훨씬 적은 양의 에너지가 발생한다. 그러나 발효는 상업적으로 중요한 산물들을 생산하며, 그 예로 피루브산의 탈카르복실반응(decarboxylation)으로 생긴 아세트알데히드나 피루브산이 환원되면서 각기 젖산이나 알코올을 생성하는 것을 들 수 있다. TCA 회로는 아세틸 조효소 A가 옥살아세트산과 결합해 시트르산을 만드는 것으로부터 시작해 일련의 반응들을 거쳐 최종단계에서 다시 옥살아세트산이 생성되면서 반응이 계속 순환하는 회로를 말한다. 이 회로는 탈수소반응과 탈카르복실반응을 연쇄적으로 일으킴으로써 수소와 CO2를 생성하는데, 여기서 떨어져나온 수소는 NAD나 FAD로 들어가 전자전달계를 통해 최종 전자수용체인 산소에 의해 산화된다. 이것이 다시 인산화반응을 거치면서 ATP 에너지로 축적되며, 또 회로 자체의 기질에서도 1분자의 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.

자유 에너지는 ATP 같은 화학 에너지 형태의 고에너지 인산화합물로 전환된다. ATP는 일종의 뉴클레오티드로서 5탄당인 리보오스와 질소를 함유한 염기인 아데닌으로 구성되어 있다. ATP를 구성하는 리보오스의 5번 탄소에는 3개의 인산기가 결합되어 있는데, 끝에 있는 두 인산결합이 분해될 때 다량의 자유 에너지가 방출된다(ATP 1mol당 7.3㎉의 자유 에너지 방출). 호흡에 의해 만들어진 ATP 형태의 에너지는 근육수축이나 편모와 섬모를 이용한 이동운동과 같은 기계적인 일, 몸속에 필요한 고분자물질을 만드는 화학적인 일, 능동수송 등의 삼투적인 일에 사용된다.

ATP의 생성은 주로 산화적 인산화에 의해 일어난다. 산화적 인산화는 인산화에 의한 ADP에서 ATP로의 전환이 전자전달의 산화반응과 동시에 일어나는 것이다. 미토콘드리아의 막에 있는 전자전달계의 주요 기능은 막공간으로 양자를 이동시켜주는 것이다. 기질로부터 떨어져나온 양성자는 막을 통과할 수 없으므로 전자전달로 생성되는 에너지에 의해 내막을 통과해 미토콘드리아 내막 안쪽의 공간인 기질로 이동된다. 전자수용체 분자들은 포르피린 화합물을 갖는 시토크롬들로서 포르피린의 Fe원자가 전자와 결합한다. 시토크롬에는 b·c1·c·a 등 여러 종류가 있으며, 각 시토크롬은 서로 다른 에너지 준위에서 전자와 결합하므로 시토크롬 전자전달계를 따라 전자가 이동하면서 계속 에너지를 방출하게 되고, 최종적으로 이 전자가 양성자와 산소를 결합시켜 물분자를 생성한다. 이러한 산화적 인산화 반응을 통해 NADH의 전자전달 전위 에너지는 ATP의 고에너지 인산결합 에너지로 전환되는데, 1쌍의 전자가 NADH로부터 산소분자까지 전달되면 3분자의 ATP 분자가 생성된다. 그 메커니즘에 대해서는 아직 명확히 알려져 있지 않지만, 화학삼투설(chemiosmotic theory)에 따르면 전자전달과 ATP 합성은 미토콘드리아 내막을 가로질러 형성되는 양성자 기울기에 의해 일어난다는 것이다. 즉 NADH나 FADH2로부터 전자가 단계적으로 이동되면서 유리되는 에너지로 양성자를 미토콘드리아 내막·외막 사이의 공간부위로 이동시키게 되면, 그결과 미토콘드리아 내막과 기질 사이에서 수소 이온의 농도차가 생겨 막전위 기울기가 형성된다.

 
이렇게 막전위차를 갖는 상태에서 양성자가 다시 미토콘드리아의 기질쪽으로 양성자 기울기를 넘어올 때는 에너지가 방출되고, 이 에너지에 의해 ADP와 Pi로부터 ATP가 형성된다는 것이다. 내막으로부터 기질로 양성자가 이동될 때는 F0F1ATPase 복합체(F0F1ATPase complex)라는 효소를 갖고 있는 특이 채널을 통한다. ATP는 거의 미토콘드리아의 밖에서 요구되는데, ATP 같은 하전분자(荷電分子)는 지질이중층을 쉽게 확산해갈 수 없으므로 특별한 이동계, 즉 아데닌뉴클레오티드 전위효소(translocase)라고 하는 운반효소 단백질에 의해 이동된다.

 

세포 구성요소의 생합성(동화작용)

동화작용은 이화작용의 과정에서 생긴 중간물질로부터 효소의 촉매반응을 통해 고분자물질인 단백질·탄수화물·지방 등을 만드는 것을 말한다.

생합성(生合成)의 특성

생합성의 단계

세포 내 구성요소의 합성, 즉 동화작용은 2개의 주요단계로 나누어진다. 첫번째는 고분자물질들의 선구물질이 되는 저분자를 형성하는 과정이며, 2번째는 그러한 선구물질들이 결합되어 고분자를 형성하는 과정이다.

ATP의 사용

위의 2단계 모두 에너지를 사용하는 과정이다.

생합성을 위한 선구물질의 공급

혼합된 먹이를 섭취하면 생합성과 에너지 공급을 위한 충분한 양의 물질이 존재하게 된다. 탄수화물은 해당작용과 산화적 인산화 과정의 중간물질을 생성하고 그것은 다시 아세틸 조효소 A를 생성하며, 지방 역시 해당과정의 중간산물과 아세틸 조효소 A를 생성하고, 아미노산도 TCA 회로와 해당과정의 중간물질을 생성한다. 생합성을 위해 없어진 중간물질은 이러한 이화작용에 의해 다시 공급된다.

세포를 구성하는 저분자 물질의 합성

당신생(gluconeogenesis)

 
당 신생과정
 
해당과정의 역과정을 통해 피루브산, 아미노산, TCA 회로의 중간체 등 탄수화물 이외의 다른 선구물질로부터 포도당이 생성되는 것을 당신생이라 하며, 간이나 신장 등에서 주로 일어난다. 이러한 역과정 또한 해당과정에 사용되는 동일한 효소에 의해 일어나며 다만 그 방향이 해당과정과 반대일 뿐이다.

그러나 세 부분에서는 과정이 비가역적(非可逆的)이므로 포도당 생성으로 진행될 수 없어 다른 경로를 통해 반응이 진행된다. 그중 하나는 피루브산이 포스포에놀피루브산(phosphoenolpyruvate/PEP)으로 전환되는 과정인데, 피루브산＋ATP→PEP＋AMP＋Pi와 피루브산＋2ATP→PEP＋2ADP＋Pi의 2가지 종류의 메커니즘에 의해 진행되며, 포유류는 주로 후자의 방법을 사용한다.

지방

저장지방, 지질단백질, 세포소기관이나 세포의 막을 이루는 인지질의 구성요소는 글리세롤과 지방산, 그밖의 다른 화합물(세린, 이노시톨)이다. 글리세롤은 해당과정의 중간체인 디히드록시아세톤인산에서 생성되는 글리세롤-1-인산 탈수소효소에 의해 이 과정이 역행된다.

지방산의 합성은 동물의 세포질이나 식물의 색소체에서만 일어나며 분해과정의 효소계와는 분리된 시스템에 의해 이루어진다. 지방산을 구성하고 있는 탄소원자는 지방산의 이화작용에서 생성된 아세틸 조효소 A에서 오는 것이지만 그에 앞서 말로닐 조효소 A(malonyl Co A)가 된다. 보편적인 지방산인 팔미트산의 합성은 아세틸 조효소A＋7말로닐→Co A＋14HADPH＋14H＋→팔미토일-조효소 A＋14NADPH＋14H＋→팔미토일-조효소 A＋7Co A＋17NADP＋＋7CO2로 요약될 수 있다. 막을 구성하고 있는 인지질은 2분자의 지방산에 여러 종류의 화합물 중 1분자가 첨가되는 것으로 그들 화합물의 선구물질은 세린, 이노시톨, 글리세롤-인산 등이다. 인지질의 합성에 필요한 효소는 소포체의 막과 일부 미토콘드리아의 막에서 발견된다.

아미노산

주요 대사경로의 중간체로부터 아미노산을 생성하는 능력은 생물체마다 다르다. 대부분의 척추동물은 간단한 아미노산만을 생성할 수 있고, 대부분의 아미노산(필수 아미노산)은 음식물로 섭취해야 한다. 그러나 고등식물은 단백질 합성에 필요한 모든 아미노산을 생성할 수 있으며, 질소원으로 암모니아와 NO를 사용한다. 어떤 세균과 그러한 세균을 뿌리의 혹에 지니고 있는 식물(예를 들면 콩)은 공기 중의 질소를 고정해 암모니아를 생성함으로써 아미노산 합성에 사용한다. 20종의 아미노산은 각각 서로 다른 경로를 통해 생성되지만, 아미노산 합성의 중요한 일반적 특성은 첫째, 주로 글루탐산 탈수소효소의 작용을 통해 암모니아가 물질대사 경로에 합류하고, 아미노기 전이효소에 의해 각 아미노산으로부터 글루탐산과 같은 다른 아미노산으로 아미노기가 전달되는 것이다. 둘째, 한 무리에 속하는 여러 아미노산들은 그 무리의 선구물질 역할을 하는 어느 하나의 아미노산으로부터 합성된다는 것이다.

모노뉴클레오티드(mononucleotide)의 합성

대부분의 생물은 RNA와 DNA의 구성물질인 퓨린과 피리미딘을 생성할 수 있다. 퓨린뉴클레오티드는 리보오스-5-인산으로부터 생성되는 5-포스포리보실 1-피로인산(5-phosphoribosyl 1-pyrophosphate/PRPP)에 의해 당과 인산 부분이 만들어지고 퓨린고리는 아스파르트산·글루타민·글리신 등으로부터 만들어진다. 피리미딘뉴클레오티드는 퓨린의 경우보다 다소 단순하다. 아스파르트산과 카르바모일인산이 물을 잃으면서 N-카르바모일아스파르트산이 되었다가 다시 디히드로오로트산이 되고, 그것은 다시 오로트산으로 산화된다. 오로트산은 PRPP와 반응해 CO2를 방출하면서 우리딘일인산(uridine monophosphate/UMP)을 생성하며, UMP는 2분자의 ATP와의 상호작용을 통해 UMP→UDP→UTP로 인산화가 일어난다. UTP는 RNA의 다른 피리미딘 구성물질인 시티딘삼인산(cytidine triphosphate/CTP)으로 전환될 수 있다. 퓨린뉴클레오티드의 최종산물인 A(G)MP는 반응 초기의 PRPP 생성을 조절하고, 피리미딘뉴클레오티드의 최종산물인 CTP는 카르바모일산의 대사를 억제하는 피드백 작용을 해 뉴클레오티드의 생성을 조절한다. DNA의 생성은 2가지 면에서 RNA의 합성과 다르다. 첫째, DNA의 퓨린과 피리미딘뉴클레오티드는 리보오스 대신 디옥시리보오스를 지니고 있다는 것이고, 둘째, 피리미딘 염기가 우라실이 아니라 티민이라는 것이다. 디옥시리보뉴클레오티드는 리보뉴클레오티드의 환원에 의해 합성되는데 그 과정에는 단백질 티오레독신과 플라보 단백질이 포함된다. 티오레독신-S2가 NADPH와 H＋에 의해 티오레독신-(SH2)와 NADP로 환원되고, 티오레독신-(SH2)는 다시 XDP와 결합해 이 XDP를 디옥시 XDP로 환원시킨다. 이때 XDP의 X는 퓨린 염기(구아닌 또는 시토신)를 나타낸다. 디옥시티미딘일인산(deoxythimidine monophosphate/dTMP)은 dUMP가 메틸화되어 생성되며 이 과정에는 티민 합성효소 외에 비타민 엽산 조효소가 필요하다.

고분자물질의 합성

탄수화물

동물에서는 글리코겐으로, 식물에서는 녹말로 저장된다. 먼저 포도당-6-인산이 포도당-1-인산으로 전환되고, 이것은 다시 UTP와 반응해 UDP-포도당과 인산이 된다. 이때 세균·균류·식물 등에서는 UTP 대신 ATP·CTP·GTP 등이 사용된다. UDP-포도당은 다당류사슬 끝에 있는 포도당에 다시 포도당을 넘겨주게 되고, 이것이 반복됨으로써 계속 포도당의 숫자가 증가하게 된다. 피루브산에서 출발해 글리코겐의 글루코오스기(基)를 1개 더 늘리려면 4ATP(2ATP, 1GTP, 1UTP)에 해당하는 에너지가 필요하다. 이당류인 설탕은 UDP-포도당과 과당-6-인산에서 생성되는데, 이들은 서로 반응해 UDP와 설탕-6-인산이 되고, 설탕-6-인산은 물과 반응해 설탕과 인산이 된다. 또한 UDP-갈락토오스와 포도당이 반응하면 UDP와 젖당이 생성된다.

지방

글리세롤-1-인산 1분자와 2분자의 지방산-아실 조효소 A(지방산과 조효소 A가 반응해 생성됨)가 결합해 포스파티드산이 된다. 이 포스파티드산이 인산기를 잃으면 디글리세리드가 되고, 이것이 다시 아실 조효소 A 분자를 얻으면서 트리글리세리드가 된다. 인지질의 경우에는 포스파티드산이 가수분해되지 않고 거기에 CTP가 결합해 CDP-디글리세리드와 인산을 방출한다. CDP-디글리세리드는 여러 가지 인지질의 선구물질로서 세린과 결합하면 포스파티딜세린과 CMP를 만들고, 이노시톨과 결합하면 포스파티딜이노시톨과 CMP를 만든다. 또한 글리세롤-1-인산과 결합하면 3-포스파티딜글리세롤 1-인산(3-phosphatidylglycerol 1-phosphate/PGP)과 CMP를 생성한다.

핵산

염기와 당이 결합하면서 물 1분자가 빠져나가는 글리코시드 결합에 의해 뉴클레오시드가 형성되며, 여기에 인산이 결합되면서 뉴클레오티드를 이룬다. 뉴클레오티드는 당의 5′위치의 인산기와 다른 뉴클레오티드의 당의 3′위치의 히드록시기 사이에서 물 1분자가 빠지면서 포스포에스테르 결합을 한다. 그렇게 해 새로운 뉴클레오티드를 계속 붙여나갈 수 있으며 이를 폴리뉴클레오티드라 한다. DNA는 2가닥의 폴리뉴클레오티드로 되어 있고, RNA는 1가닥의 폴리뉴클레오티드로 되어 있다.

단백질

아미노산은 아미노아실복합체를 형성하는데 한 아미노아실복합체와 그 다음 아미노아실복합체 사이에서 물분자 1개가 빠지면서 두 아미노산은 펩티드 결합에 의해 결합된다. 단백질은 수많은 아미노산들이 펩티드 결합에 의해 연결된 폴리펩티드이며, 폴리펩티드를 이루는 아미노산의 배열순서를 단백질의 1차구조라 한다.