글리코겐의 분해, 합성, 조절

Glycogen 분해

Glucose의 저장형태

        glycogen: 동물, 곰팡이, 세균

        starch: 식물

동물에서 glucose의 계속적인 공급은 뇌와 적혈구와 같은 조직에 필수적이다. 왜냐하면 이들은 거의 전적으로 glucose에 의존하고 있기 때문이다.  다른 조직들은 지방산을 이용할 수 있다.

glucose는 glycogen 형태로 주로 간에 저장되어 있으며 혈액 내에 일정한 농도 (약 5 mM 수준)로 유지되면서 다른 조직에 공급된다.

그렇지만 간에 저장된 양은 매우 적다 (간이 하루에 필요로 하는 양의 절반 수준).

        굶고 있는 상태에서는 신체의 glucose는 아미노산과 같은 전구체로부터 합성되는 gluconeogenesis에 의존한다.  따라서 glucose 합성과 분해는 해당과정과 글루코오즈 신생합성을 통해 가역적으로 조절된다.

B. 글리코겐의 분해

   글루코오즈의 중합체로서 가지 친 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 반응에는 두가지 의문점이 존재한다.

        첫째, 이 반응은 in vitro에서는 쉽게 가역적이다 (pH 6.8에서 Keq'=[pi]/[G-1-P]=3.6). 그럼에도 생체 내에서 반응이 진행될 수 있는 이유는?  왜냐하면 phosphoester bond와 glycosidic bond는 비슷한 전달전위를 가지기 떄문이다 (△G^o'는 + 0.73 kcal/mol이다). 그런데 생체 내에서 무기인산의 농도는 G-1-P에 비해 매우 높기 때문에 ([pi]/[G-1-P] > 100) 반응은 정방향으로 진행된다.

        둘째, 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).

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.

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.

        Allosteric control of glycogen phosphorylase & glycogen synthase

        covalent modification

        hormonal regulation

(1) Allosteric control

        glycogen phosphorylase와 glycogen synthase 반응은 반대로 조절된다.

        둘 다 ATP, G6P, AMP에 의해 활성이 조절된다.: 근육의 phosphorylase 경우 AMP에 의해 활성화되고 ATP와 G6P에 의해 억제된다. 반면에 synthase는 G6P에 의해 활성화된다.  ATP가 많이 필요할 때 (ATP 농도와 G6P 농도가 낮을 때)와 AMP 농도가 높을 때 phosphorylase는 활성화되고 synthase는 억제되어 glycogen 분해가 선호된다. 역으로 ATP와 G6P 농도가 높을 때 합성은 선호된다.

(2) Covalent modification

        Allosteric control에 추가하여 인산화에 의한 변형은 더 정교한 조절이 일어나도록 한다.  가령 phosphorylase a는 AMP에 의한 자극이 없이도 활성을 가지고, synthase는 탈인산화되고 G6P가 존재하지 않는 한 불활성인 상태로 존재한다.

        cascade control to signal amplification & regulatory flexibility

Phosphorylase의 활성화

        3가지 효소가 관여하는 cascade: phosphorylase kinase, cAMP-dependent protein kinase (cAPK), phosphoprotein phosphatase-1.

        phosphorylase b는 allosteric control을 많이 받지만 phosphorylase a는 덜 받는다. 쉬고있는 세포에서 ATP와 G6P의 농도는 phosphorylase b를 억제할 정도로 높게 존재한다. 따라서 phosphorylase의 활서은 phosphorylase a로 존재하는 효소의 양에 의해 결정된다. 인산화되는 양은 phosphorylase kinase와 phosphatase-1의 상대적인 활성에 의존한다.

        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.

cAMP-dependent protein kinase:

phosphorylase kinase:

        네 개의 단위체로 이루어져 있다.

        칼슘이온이 델타 단위체에 결합하면 감마 단위체의 pseudosubstrate인 C-terminal 잔기를 제거하여 kinase로서의 활성을 가지게 만든다. 이때 알파와 감마의 인산화가 일어나면 감마 단위체는 낮은 칼슘농도에도 더 활성을 가지게 된다.

phosphoprotein phosphatase-1:

        phosphorylase a와 phosphorylase kinase 알파, 베타의 인산기를 제거

        glycogen synthase와 phosphoprotein phosphatase inhibitor-1의 인산기 제거

근육과 간에서 다르게 조절된다.

        골격근에서 glycogen 대사의 조절: 근육에서는 glycogen binding G 단위체를 통해 glycogen에 결합한 상태에서 활성을 가진다. 이것은 G 단위체의 두 개의 자리에 인산화 여부에 의해 조절한다. 또한 inhibitor 1에 의해서도 조절된다. 이것은 또한 cAMP protein kinase에 의한 인산조절을 받는다. 우선. phosphorylase가 활성화되면서 glycogen synthase는 불활성화되는 잘 조율된 조절이 일어난다. (교과서 그림 참조)

        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 δsubunit는 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.

        간에서의  glycogen 대사조절: 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).

        간에서는 phosphorylase a에 결합된 상태로 조절된다 (보통 10개의 phosphorylase a에 1개꼴로 존재). T와 R 모두에 결합할 수 있다. 하지만 R form의 경우는 Ser14 잔기가 감추어져 있기 때문에 탈인산화가 일어나지 않는다. glucose의 농도가 증가하면서 T form으로 전환되면 Ser14가 노출되면서 탈인산화가 일어나 phosphorylase b로 전환된다. 이것은 phosphatase-1와의 친화력이 떨어지기 때문에 phosphatase-1은 떨어져 나온다. 그렇지만 phosphatase-1은 보통 10개의 phosphorylase a에 1개꼴로 존재하기 때문에 phosphorylase의 90% 이상이 phosphorylase b로 바뀌기 전에는 완전히 떨어지지 않는다. 따라서 glycogen synthase를 활성화시키지 못한다. 이것은 phosphorylase와 glycogen synthase가 동시에 활성화되는 것을 억제한다.

(3) 홀몬에 의한 조절

    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).

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.