21장. Gluconeogenesis and Pentose phosphate pathway
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.
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: 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.
3. 기질회로 (Substrate cycle)
F6P와 F1,6BP 반응과 그 역반응이 동시에 일어나 고리를 형성하는 한 쌍의 반응을 가리킨다. 이들은 allosteric control이 작용하기 때문에 동시에 활성화되지는 않지만, 제한된 cycling이 이루어진다. 이러한 동시적인 반응은 아무런 의미가 없는 무익한 반응으로 생각될 수 있다. 그러나 최근 이러한 회로가 대사신호를 증폭시키고 ATP의 가수분해에 의해 열을 생성시키는 중요한 도구로 인식되고 있다.
B. 글리코겐의 분해
글루코오즈의 중합체로서 가지친 형태를 이루어 열려진 나선형의 중합체를 형성한다.
main chain: α-1,4-glycosidic bonds
branched: α-1,6-glycosidic bonds, 약 10개의 1,4-glycosidic bond당 하나꼴로 존재한다
과립상의 형태로 세포질 내에 존재한다: 합성과 분해에 필요한 효소 및 기타 이들의 조절에 필요한 효소까지도 포함되어 있다. 간과 골격근에 주로 존재하는데 농도는 간에서 높으나 전체량은 골격근에 더 많다.
1. 식이 글리코겐과 전분 분해
알파-아밀라제 (동물의 타액과 췌장액): 글리코겐 내부를 무작위적으로 절단하여 주로 maltose와 maltotriose를 생성한다. 분기점으로부터 4번째 잔기에서 활성이 중단되어 많은 가지를 가진 다당류인 limit dextrin을 남겨놓는다. 이것은 debranching 효소에 의해 가지가 제거되어 분해가 계속된다. Debranching 효소에는 glucantransferase와 glucosidase 두가지가 있다. Glucantransferase는 가지친 부분에 남겨진 4개의 잔기 중 3개를 끊어 이웃한 가지의 환원말단에 붙인다. 남아있는 하나의 잔기는 glucosidase에 의해 제거된다 (amylose: unbranched, amylopectin: highly branched).
베타-아밀라제 (식물에 존재): 비환원 말단으로부터 가지친 근처까지 maltose 단위로 끊어낸다.
2. 조직 글리코겐의 대사
간과 조직에는 글리코겐이 비축되어 있다. 이들은 분자량이 6-1600 x 106에 이르는 과립상으로 세포질에 존재하며 해당과정의 효소를 비롯하여 글리코겐의 분해와 생성에 관련된 효소들을 포함하고 있다. 조직 글리코겐은 가인산분해 효소에 의해 분해된다.
3. 글리코겐 가인산분해효소 반응
(1) α-1,4-결합의 분해
glycogen phosphorylase: 비환원 말단으로부터 C-1 탄소원자와 glycosidic 산소원자 사이의 결합을 순차적으로 절단한다.
촉매반응: Glycogen(n) + pi ?? G-1-P + glycogen(n-1)
이 반응은 in vitro에서는 쉽게 가역적이다 (pH 6.8에서 Keq'=[pi]/[G-1-P]=3.6). 왜냐하면 phosphoester bond와 glycosidic bond는 비슷한 전달전위를 가지기 떄문이다 (??Go'는 + 0.73 kcal/mol이다). 그런데 생체 내에서 무기인산의 농도는 G-1-P에 비해 매우 높다 ([pi]/[G-1-P] > 100). 따라서 반응은 정방향으로 진행된다.
이 반응은 단순한 가수분해가 아니라 인산화 반응이다. 인산화에 의한 절단은 두가지 면에서 에너지 혜택이 있다. (1) 해당과정에 들어가지 위해 ATP를 소모하면서 인산화되는 과정이 필요 없어지고, (2)또한 근육세포에서는 glucose가 이온화된 상태이므로 세포 밖으로 확산되는 문제가 해소된다.
Glycogen phosphorylase에는 pyridoxal phosphate(PLP)가 조효소로 작용한다. 가수분해가 일어나게 하기위해서는 활성자리에서 물을 배제시켜야하므로 PLP가 general acid-base catalyst로 작용한다. general acid-base catalysis란 양성자(proton)가 일시적인 상태로 전달되는 촉매반응으로 양성자받개이자 양성자주개로 작용한다.
G-1-P는 phosphoglucomutase에 의해 G-6-P로 전환된다. 이 반응은 serine잔기가 인산화되어 직접 인산기를 G-1-P로 전달하여 G-1,6-bisP를 만든 후 다시 C-6 위치의 인산기를 받아들이는 형태의 촉매반응을 수행한다 (phosphoglyceromutase를 상기할 것)
간 세포의 경우는 혈액 내의 글루코오즈 농도를 조절해야하므로 글루코오즈로 방출되어야하므로 glucose 6-phosphatase가 존재한다 (이 효소는 신장과 소장에도 존재하나 근육과 뇌에는 존재하지 않는다). G-6-P + H2O ?? glucose + pi
(2) α-1,6 결합의 분해
Glycogen phosphorylase가 가지친 부분으로 부터 4개 앞서 떨어진 잔기에서 반응을 중단하면 가지친 부분의 잔기들 중 끝에서 3개의 잔기들이 transferase에 의해 다른 한쪽 끝에 옮겨가 결합된다. α-1,6-glucosidase가 작용하여 가지친 부분의 남아있는 잔기 하나를 떼어내면 glycogen phosphorylase가 반응을 계속한다. transferase와 1,6-glucosidase는 두개의 활성자리를 가진 동일효소이다 (분자량 160 kDa).
3. Glycogen 합성
1957년 Luis Leloir와 동료들에 의해 밝혀졌다. 그 합성과정은 glycogen synthase에 의해 촉매된다. Glycogen(n) + UDP-glucose ?? Glycogen(n+1) + UDP
UDP-glucose는 글루코오즈의 활성화된 형태로서 G-1-P로부터 생성된다 (G-1-P + UTP ?? UDP-glucose + ppi). 이 반응은 UDP-glucose pyrophosphorylase가 촉매하며 쉽게 가역적이다. 그렇지만 ppi + H2O ?? 2 pi 반응에 의해 전체 반응이 진행된다.
α-1,4-linkage의 연결은 4개 이상의 잔기를 가진 chain(primer로 작용)의 비환원 말단잔기에서 이루어진다. α-1,6-linkage의 연결은 branching 효소에 의해 진행된다. 가지치기는 용해도를 증가시키고 말단잔기들의 수를 증가시켜 분해와 합성 속도를 증가시킨다. 가지치기 효소는 α-1,4-연결을 끊어 α-1,6-연결을 만든다. 비환원 말단으로 부터 7개의 잔기가 끊어져 가지친 부분으로 부터 4개 이상 떨어진 잔기에 α-1,6-연결로 이어 준다.
4. Glycogen 합성과 분해과정의 조절
glycogen phosphorylase가 완전히 활성인 상태에서는 glycogen synthase의 활성은 거의 불활성인 상태로 잘 조율되어 있는데, 그 이유는 둘 다 ATP가 소모되는 과정이므로 쓸데없는 에너지 낭비를 막기 위한 것이다.
(1)홀몬에 의하여 조절된다.
길항작용을 하는 인슐린과 epinephrine, 그리고 glucagon에 의해 조절된다. insulin은 glycogen합성을 자극하고, epinephrine은 근육활동에 의해 adrenal medulla로 부터 방출되며 근육내 glycogen의 분해를 현저하게 자극한다. glucagon은 혈액내 당의 농도가 낮을 때 pancreas의 세포들로부터 방출되는 단백질 홀몬으로 간에서 glycogen의 분해를 자극한다.
혈액내 글루코오즈의 농도에 따른 glucagon과 insulin의 상호가역적 작용에 의해 유지된다 (두개의 홀몬의 균형이 혈액내의 글루코오즈 농도를 5-10 mM로 유지시킨다). cAMP를 통한 홀몬 작용은 앞에서 배운 내용을 참조하라.
당뇨병(Diabetes Mellitus)에는 두가지 유형이 있다. insulin-dependent(IDDM)-diabetes type I noninsulin-dependent(NIDDM)-diabetes type II
IDDM: insulin의 부적절한 공급에 기인하는 것으로 Insulin의 활성화에 필요한 단백질가수분해효소에 의한 절단이 일어나지 않거나, 또는 Langerhans 섬의 β-cell을 파괴시키는 자가면역반응에 의하여 생긴다. NIDDM은 보통 40세 이후에 발생하는데 인슐린 생성이나 인슐린 수용체에 영향을 미치는 유전적 결함에 의해 생긴다. |
(2)Phosphorylase의 활성화
골격근의 phosphorylase: phosphorylase kinase에 의해 활성화된다
Phosphorylase b는 ATP와 G-6-P의 저해효과 때문에 대부분 불활성인 상태로 존재하나 phosphorylase a는 AMP, ATP, G-6-P 농도에 관계없이 완전히 활성인 상태를 유지한다. 근육의 경우를 보면 휴식 상태에서는 거의 모든 효소가 불활성인 b form으로 존재하다가 운동을 하게되면 AMP 농도가 증가하면서 활성화되고, 이때 epinephrine도 증가하면서 positive simulatory 효과를 발휘하게 된다.
(3)골격근에서 glycogen 대사의 조절을 위한 반응 cascades
우선. phosphorylase가 활성화되면서 glycogen synthase는 불활성화되는 잘 조율된 조절이 일어난다. 그리고 phosphatases(phosphatase 1, 2A, 2B, 2C)에 의해 가역적으로 조절된다.
phosphorylase가 불활성화되면서 glycogen synthase는 활성화된다.
phosphatases의 조절
왜 phosphorylase 경우는 직접 protein kinase에 의해 인산화되지 않고 또다른 phosphorylase kinase를 거쳐 활성화되는가 ? 한가지 가능한 해답은 phosphorylase kinase는 근육내의 칼슘이온 농도에 의해 부분적으로 활성화될 수 있다는 것이다. 이 효소는 (αβγδ)4 로 구성된 1200 kDa의 효소로서 subunit는 칼슘이온농도에 의해 활성화되는 calmodulin이다. 근육에서의 수축 현상은 칼슘이온 방출에 의해 야기되며 따라서 glycogen 분해와 근육수축은 세포질 내에서의 일시적인 칼슘이온 증가에 의해 조절된다.
왜 이와 같이 복잡한 반응 cascades가 필요한가 ? 홀몬 신호의 증폭효과를 발휘한다. 그렇지 않으면 훨씬 많은 홀몬이 필요할 것이다.
5. 간에서의 glycogen 대사
정상적인 혈액내에서의 글루코오즈 농도는 80-120 mg/100 ml 이다. 간은 이 농도를 감지하여 글루코오즈를 받아들이거나 방출하는데 phosphorylase a가 이러한 역할을 담당하고 있다 (즉, glucose sensor로 작용).
그러면 synthase는 어떻게 활성화되는가 ?
왜 phosphorylase 효소활성이 떨어진 후에야 활성화되는가 ? (왜 synthase의 premature activation이 일어나지 않는가 ?)
glycogen synthase와 phosphorylase a 둘다에 작용하는 phosphatase는 phosphorylase a가 b로 전환하면서 phosphatase가 떨어져나오는데 보통 phosphatase 1에 phosphorylase a 10 개가 결합되어 있으므로 모든 phosphorylase a가 b로 전환되어야만 충분한 phosphatase가 존재하여 glycogen synthase를 활성화시킨다.
B. Pentose phosphate pathway
여러가지 이름으로 불린다.
pentose shunt
hexo monophosphate pathway
phosphogluconate oxidative pathway
1. 생합성 경로
이 생합성 경로의 효소들은 근육에는 없으며, 간과 지방세포들의 세포질에 풍부하다. 지방조직에서는 acetyl CoA로 부터 지방산의 합성에 NADPH가 필요하기 떄문이다 (즉 PPP의 기능은 NADPH의 생성). 식물에서는 광합성에 있어서 이산화탄소로부터 6탄당의 생성에 관여한다.
2 branches로 구분된다: oxidative branch, nonoxidative branch
2. 생합성속도의 조절
(1) oxidative branch: G-6-P의 dehydrogenation 과정이 비가역적 과정으로 생체 내에서 속도제한 단계이다. 따라서 주요한 조절 자리에 해당된다.
가장 중요한 조절 인자는 NADP+의 농도이다. 잘 먹인 쥐의 간세포 내 세포질에 NADP+/NADPH = 0.014, NAD+/NADH = 700이다. 따라서 NADP+의 경우 조그만 농도 변화도 매우 중요하게 작용한다.
(2) Nonoxidative branch: 주로 기질의 이용도에 의해 조절된다.
4가지의 다른 상황에서 G-6-P의 운명
(i) NADPH보다 ribose 5-P가 훨씬 많이 필요할 때
5G6P + ATP → 6Ribose5P + ADP + H+
(ii) NADPH와 ribose 5-P에 대한 요구조건이 비슷할 때: 단순히 oxidative branch를 거친다. G6P + 2NADP+ + H2O → Ribose5P + 2NADPH + 2H+ + CO2
(iii) NADPH가 훨씬 많이 필요할 때: Oxidative branch를 거치면서 2NADPH와 ribose 5-P가 만들어지고 ribose 5-P는 fructose 6-P와 GA 3-P로 전환되면서 이것들이 G-6-P로 재생성되어 동일한 과정을 밟는다. G6P 한 분자가 완전히 산화되면서 12 mole의 NADPH 생성된다. G6P + 12NADP+ + 7H2O → 6CO2 + 12NADPH + 12H+ + Pi
(vi) NADPH와 ATP가 필요하고, ribose 5-P는 필요치 않을 때: Oxidative branch를 거쳐 만들어진 ribose 5-P가 fructose 6-P와 GA 3-P를 거쳐 G-6-P가 재생성 되는 것이 아니라 해당과정을 거치면서 pyruvate롤 산화된다. 3G6P + 6NADP+ + 5NAD+ + 5Pi + 8ADP → 5pyruvate + 3CO2 + 6NADPH + 5NADH + 8ATP + 2H2O + 8H+
3. 두가지의 중요한 효소반응
(1) transketolase 반응 : Pyruvate dehydrogenase complex와 유사한 반응으로 two-carbon unit의 전달반응이다; ex. C5 + C5 ?? C3 + C7, C5 + C4 ?? C3 + C6
prosthetic group으로 TPP(thiamine pyrophosphate)가 활성화된 aldehyde unit 의 전달에 관여한다.
(2) transaldolase 반응: Aldolase와 유사한 반응으로 three-carbon unit(activated dihydroxyacetone)의 전달 반응이다; C7 + C3 ?? C4 + C6 (ketose donor → aldose acceptor). 이 효소에는 prosthetic group이 관여하지 않는다. 대신 Schiff base를 형성 (lys의 amino group과 ketose의 carbonyl group)
5. 적혈구 세포에서 NADPH의 역할
NADPH는 적혈구에서 glutathione의 disulfide form을 환원시킨다. 적혈구 세포는 미토콘드리아를 가지지 않기 때문에 PPP가 유일한 NADPH의 근원이 된다.
GSH(ox) + NADPH + H+ → 2GSH(red) + NADP+ (glutathione reductase)
GSH의 역할은 헤모글로빈이나 다른 적혈구세포 단백질들을 환원상태로 유지시키는 것으로, GSH는 hydrogen peroxide나 organic peroxide와 반응하여 이들의 독성을 제거하거나 헤모글로빈을 ferrous 상태로 유지시킨다(적혈구가 정상적인 모양을 유지하는데 관여).
1926년 antimalarial drug인 pamaquine이 hemolytic anemia를 야기시키는 것을 발견하였는데 이는 G-6-P dehydrogenase의 결핍에서 비롯된다.