A. Gluconeogenesis (글루코오즈 신생합성)

        성인의 경우 glucose는 체액에 약 20 g, glycogen 형태로 약 190 g의 양으로 존재한다.  glucose의 하루 소모량은 160 g 정도 (뇌가 120 g 정도 소비)로서 직접적인 glucose의 방출량은 하루정도의 양으로 충분하다.  그러나 금식이나 과격한 운동 후에는 부족하게 되므로 비탄수화물들로부터 재생성이 되어야만 한다.


    주합성경로: 간이 전체량의 90%를 차지하고 신장 cortex가 나머지의 대부분, 그리고 뇌와 골격근, 심장근 등에서도 합성이 진행된다. 결과적으로 간이나 신장이 혈액 내의 글루코오즈 농도를 유지시켜 뇌와 근육에 제공한다.


  1. 주요 비탄수화물 전구체들

        lactate: 활동성인 근육에서 pyruvate로 전환된다.

        amino acids: 음식물의 단백질과 근육에서 단백질의 분해에서 나오는 아미노산 (Leu와 Lys는 제외)은 pyruvate나 oxaloacetate로 전환된다.

        glycerol: 지방세포에서 triacylglycerol의 가수분해에서 나오는 glycerol은 dihydroxyacetone phosphate로 전환된다. 그러나 지방산의 경우는 동물에서는 glucose로 전환되지 않는다.


  2. gluconeogenesis 과정은 해당과정의 역반응이 아니다.

        전형적인 세포내 조건에서 해당과정의 표준자유에너지 변화값은 약 -74 kJ/mol로서 그 역과정은 자발적으로 진행될 수 없다. 또한 글루코오즈 신생합성은 해당과정과는 반대 양상으로 조절되어야만 하므로 동일한 효소에 의한 반응일 수 없다.


해당과정에서 자유에너지의 감소는 주로 다음 3가지의 반응에서 일어난다.

        (1) glucose + ATP → G-6-P + ADP  (hexokinase) -33.9

        (2) F-6-P + ATP → F1,6-bisP + ADP  (phosphofructokinase) -18.8

        (3) PEP + ADP → pyruvate + ATP  (pyruvate kinase) -23


따라서 gluconeogenesis에서는 이러한 반응들이 회피된다.


        (1)  pyruvate + CO2 + ATP + H2O → oxaloacetate + ADP + pi + 2H+

             oxaloacetate + GTP ⇌ PEP + GDP + CO2

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            pyruvate + ATP + GTP + H2O → PEP + ADP + GDP + pi + 2H+


                △Go'= + 0.2 kcal/mol

                enzymes: pyruvate carboxylase (mitochondrial enzyme)

                         PEP carboxykinase (cytoplasmic enzyme)


Pyruvate carboxylase: 미토콘드리아에 존재하는 효소로서 biotin이 prosthetic group으로서 효소의 lysine 잔기와 결합한 상태로 활성화된 이산화탄소의 전달자로 작용한다. 촉매반응은 세 단계로 이루어진다. 우선 ATP에 중탄산염의 친핵성 공격이 일어나 이산화탄소의 활성화된 형태인 carbonylphosphate가 형성된다. 이것은 biotin과 반응하여 N-carboxybiotin을 형성하면서 무기인산을 떨어진다. 탈양성자화에 의한 pyruvate C-3의 탄소음이온은 N-carboxybiotin의 탄소를 공격하여 oxaloacetate가 형성된다.


이 효소반응은 두가지 점에서 특이하다.

첫째, acetyl CoA는 효소에 결합하여 다른자리 입체성 활성화를 야기시킨다. 이것은 매우 중요하다. 왜냐하면 oxaloacetate는 gluconeogenesis와 TCA 회로 둘 다에 필요하기 때문에 어느 쪽에 이용되느냐가 결정되어야만 한다. ATP와 acetyl CoA 농도가 높으면 pyruvate는 gluconeogenesis 과정으로 돌려질 것이다.  반면에 ATP 농도가 낮으면 citric acid cycle로 진행될 것이다. 이런 이유 때문에 carboxylation 이 미토콘드리아 내에서 일어나는 것으로 추정된다.

둘째, 이 효소는 미토콘드리아 내에서만 발견된다. 반면 두 번째 효소인 PEP carboxykinase는 미토콘드리아와 세포질에 존재할 수 있다 (동물에 따라 다르며, 사람의 간에서는 둘 다에 존재한다). oxaloacetate는 미토콘드리아 내막을 통과할 수 없기 때문에 두 번째 효소가 없는 경우에는 malate로 전환된 후 통과하여 세포질에서 다시 oxaloacetate로 산화되어 이용된다. Oxaloacetate에서 malate로의 환원에는 NADH가 필요하므로 이것이 풍부할 경우에만 세포질로의 이동이 일어날 것으로 추정된다.


PEP carboxykinase: 세포질에 존재하는 효소이다.  따라서 oxaloacetate는 세포질로 전달되는데 그대로는 세포막을 통과하지 못하므로 malate로 전환되어 통과한 후 다시 oxaloacetate로 전환된다.  pyruvate에 첨가된 CO2를 탈카르복시화 반응을 통해 PEP로 전환한다. PEP는 고에너지 화합물로서 이 반응에는 GTP의 가수분해에서 나오는 고에너지가 이용된다.  

        (2) F-1,6-BP + H2O → F6P + Pi   (F1,6-bisphosphatase)

생리적 조건에서 이 반응의 자유에너지 변화값은 -8.6 kJ/mol이다. 이 효소는 citrate에 의해 촉진되나 AMP와 F2,6-BP는 저해제로 작용한다.


        (3) G6P + H2O → Glucose + Pi (G6P hydrolase)

생리적 조건에서 이 반응의 자유에너지 변화값은 -5.1 kJ/mol이다. 이 효소는 간과 신장세포들의 소포체 막에 존재한다. 따라서 G6P가 막을 통과할 때 가수분해가 일어나고 소포체 내에 존재하는 glucose는 혈액으로 방출된다. 이 효소는 다른자리 입체성조절을 받지 않는다. G6P에 대해 높은 Km 값을 가지며 (보통 범위의 값보다 훨씬 높은), 따라서 기질농도에 비례적인 활성을 보인다. 이 효소는 한마디로 기질수준의 조절을 받는다.



        Gluconeogenesis 전체 반응의 화학양론은 2 pyruvate + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H+ + 6H2O → glucose + 4ADP + 2GDP + 6pi + 2NAD+ 으로서 △Go' = -37.7 kJ/mol 이다.


        만약 pyruvate가 단순히 해당과정의 역반응으로 glucose를 합성한다면, 2 pyruvate + ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O → glucose + 2ADP + 2pi + 2NAD+ 로서 △Go' 값은 약 +74 kJ/mol 에 해당된다. 따라서 gluconeogenesis 과정은 4분자의 추가적인 ATP의 사용을 통해 이 반응을 가능케 함을 알 수 있다.


*** Cori cycle (Glucose-alanine cycle): 근육에서는 과격한 운동 시에 산소전달이 부족하게 되므로 해당과정에 의한 ATP에 의존한다. 그런데 TCA cycle이나 전자전달계가 작동하지 않는 상태로 해당작용이 계속되다 보면 NADH와 pyruvate가 축적되고 결과적으로 해당과정을 유지하는데 필요한 NAD+가 부족된다. lactate dehydrogenase가 이것을 보충해준다. 여기서 생성된 lactate는 다시 간으로 운반되어 간에 존재하는 lactate dehydrogenase에 의해 pyruvate로 전환된다. 이러한 회로를 Cori 회로라 한다. 활동적인 근육은 혐기상태로 들어가 NAD+/NADH의 비가 감소하여 lactate의 형성이 잘 일어나게 된다. 반면 간은 독특하게 높은 NAD+/NADH의 비 (약 700)를 유지하고 있어 lactate로부터 pyruvate의 형성을 돕게된다. 간은 자신이 필요로 하는 glucose보다 더 많은 양을 합성하는 이타적인 기관이다.


        Lactate dehydrogenase는 H 와 M type 두 가지 종류의 35 kDa의 subunit 4개로 구성된 isozyme이다.   H type은 심장근에 주로 존재하고  M type은 골격근에 주로 존재한다. H4 isozyme은 lactate에 보다 높은 친화력을 가져 주로 lactate를 pyruvate로 전환시켜 TCA 회로를 돌게 만든다. 이 효소는 높은 농도의 pyruvate에 의해 다른자리 입체성저해를 받는다. 반면 M4 isozyme은 산소가 없는 상태에서 pyruvate를 lactate로 전환시킨다.



2. 해당과정과 gluconeogenesis의 조절

        이 두 과정은 주로 세포질에서 조절되며 반비례적인 조절을 받는다. 그 조절은 주로 세포의 에너지 상태에 따른다.

        Gluconeogenesis 과정에서 중요한 조절자리는 앞에서 열거한 효소들이며, 이중에서 특히 F6-P와 F1,6-bisP의 상호전환이 중요한 역할을 한다.

        Fructose-2,6-bisphosphate: 이것은 F-1,6-bisphosphatase의 강력한 저해제로서 F6P로부터 합성된다. 이것의 합성을 촉매하는 효소는 phosphokinase-2 (PFK-2)이고, 그 역반응을 촉매하는 효소는 F-2,6-bisphosphatase이다. 이 두가지 효소는 동일 단백질분자 내에 존재한다. 즉, 하나의 폴리펩타이드 사슬 내에 좌우 병렬로 연결된 bifunctional 효소인 것이다. 이 효소들은 두가지로 상반된 활성조절을 받는다. 첫째, F6P는 PFK-2를 활성화하고, F-2,6-BPase를 저해한다. 둘째, cAMP 의존성 단백질인산화 효소에 의한 조절을 받는다. 인산화는 PFK-2 활성을 저해하고, F-2,6-BPase는 활성화된다.