18장. 해당작용 (Glycolysis)
Glucose를 pyruvate로 산화시키면서 ATP를 만드는 일련의 과정이다. Pyruvate 이후의 과정에 따라 acetyl CoA, lactate, ethanol 등을 생성한다. 산소가 없는 상태에서는 에탄올과 락트산 발효가 진행된다.
**발효과정(fermentation): Pasteur는 산소가 없는 상태에서의 생활이라고 정의하였으나, 현재는 산소나 무기물(eg. nitrate)을 전자수용체로 사용하는 respiratory chain을 포함하지 않는 빛이 없는 상태에서의 생물학적 과정으로 정의되고 있다.
역사적 배경: Hans Buchner and Eduard Buchner, 1897
Arthur Harden and William Young, 1905
Complete pathway, 1940
1. 경로: 2 단계로 구분 (endogonic, exogonic) (exogonic 단계를 더 나누어 3단계로도 구분)
A. 1st phase: 2 분자의 ATP가 소모
Glucose로부터 dihydroxyacetone phosphate(DHAP)와 glyceraldehyde 3-phosphate(G3P) 생성
hexokinase: ATP의 인산기를 다양한 종류의 6탄당에 전달한다. 글루코오즈와 결합하면서 구조적인 변화가 야기된다 (글루코오즈가 존재할 시 ATP에 대한 Km 값은 0.1 mM 이나 없을 시에는 4 mM 이다). 글루코오즈에 대한 Km 값은 0.1 mM 수준으로 혈중 글루코오즈 농도에서 효소는 최대의 활성을 가진다. 그렇지만 생성물인 G-6-P에 의해 저해되기 때문에 G-6-P의 이용속도에 균형을 이룬다. 포유동물의 경우는 여러 가지 isoform의 hexokinaserk 존재하는데 간에 주로 존재하는 것은 glucokinase이다. 이것은 글루코오즈에 특이적이며, 높은 Km 값 (10 mM)을 가진다. 때문에 글루코오즈의 농도가 높을 시에 중요하게 작용한다. 이것은 인슐린에 의해 유도되는 효소로서 glycogen 합성에 중요하다. 이것은 G-6-P에 의한 저해를 받지 않기 때문에 글루코오즈 농도가 어느 정도 낮아지기 전까지 G-6-P 수준을 유지하는 데 중요하다.
phosphoglucose isomerase: F-6-P로의 이성질화는 다음 단계에서 C-1에서의 인산화와 C-3 탄소의 절단에 중요하다.
phosphofructokinase: 해당과정의 조절에 중요한 allosteric 효소로서 해당과정으로의 위임된 단계 (committed step)를 촉매한다. 따라서 여러 가지 대사물들에 의해 활성이 조절된다. ATP와 citrate에 의해서는 활성이 저해되고, AMP와 fructose-2,6-bisphosphate에 의해 활성화된다. 특히 AMP의 농도변화는 매우 중요하게 작용한다. 그 이유는 ATP의 적은 농도변화에도 AMP의 농도는 크게 달라지기 때문이다. F-2,6-BP는 F-6-P로부터 phosphofructokinase-2에 의해 합성되는 것으로 F-6-P가 많다 (즉, 기질이 많다)는 신호로서 전달된다. 이것은 F-6-P 에 대한 친화력을 증가시키는 한편 ATP에 의한 저해효과를 제거한다. 이 효소는 H+에 의해서도 저해되어 lactate 생성과 혈액의 pH 저하를 억제한다.
aldolase : 역반응인 aldol 축합으로 부터 유래된 명칭의 효소이다. 역반응에서 aldolase의 활성부위에 있는 특정한 lysine 잔기는 DHAP의 keto carbon과 Schiff base를 형성한다. 이렇게 생긴 양성자화된 Schiff base는 전자싱크의 역할을 하여 DHAP의 enolized anion의 형성을 촉진시킨다. 세균이나 곰팡이의 경우는 금속이온 (보통 Zn++)이 활성에 중요하게 작용한다.
triose phosphate isomerase: DHAP는 엔디올 중간체를 거치면서 이성질화된다. 이 효소는 한계치의 전환수를 가지지만 반응자체의 자유에너지값의 변화는 +2.41의 값을 가진다. 따라서 평형상태에서 반응물의 96%가 dihydroxyacetone phosphate로 존재한다. 그렇지만 G-3-P가 다음 단계로 진행되면서 계속적인 전환이 이루어진다.
B. 2nd phase: ATP 생성
G3P로부터 3-phosphoglycerate 과정에서 첫 번째 ATP 생성
glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase: 이 효소에 의해 생성되는 1,3-BPG는 고에너지 화합물이다. 이 효소는 산화와 인산화를 수반하는 반응을 촉매하며 산화반응에서 유리된 자유에너지의 대부분은 thiohemiacetal intermediate에 보존되었다가 인산화에 이용된다. G-3-P의 카르보닐 기에서 hydride ion(H-)가 떨어져나오는 반응은 카르보닐 기 자체의 극성 때문에 쉽지 않다. 효소는 이 탄소원자를 덜 양으로 하전된 상태로 만들어 줌으로써 이 반응을 가능케 한다. 이를 위해 효소의 활성부위에 있는 cysteine 잔기의 SH 기에 의한 친핵성 첨가반응이 일어난다. 이러한 산화과정에서 나오는 에너지는 acyl intermediate에 보존되고, NADH가 떨어져나가면서 인산기가 결합한다.
3-phosphoglycerate kinase: 기질수준 인산화가 진행된다. 이 반응의 표준자유에너지값의 변화는 -18.9이지만 자유에너지값의 변화는 +0.1로서 평형상태에서 반응이 진행됨을 가리킨다.
3-phosphoglycerate로부터 pyruvate로의 과정에 두 번째 ATP 생성
phosphoglyceromutase: 3-PG ---> 2-PG
분자내의 자리옮김 반응으로, 우선 Enz-his-P 가 3-phosphoglycerate의 C-2에 인산기를 전달하면서 2,3-BPG 형성하고 이것의 C-3 phosphate는 또다른 Enz-his에 인산기를 전달하면서 최종적으로 2-phosphoglycerate를 형성한다. 이 효소는 평균 100번의 효소반응마다 2,3-BPG가 효소로부터 이탈되기 때문에 소량의 2,3-BPG를 필요로 한다. 2,3-BPG는 1,3-BPG로부터 bisphosphoglycerate mutase에 의해 합성된다. 한편 맥아효소의 경우는 3-PG에 있는 인산기를 떼어내어 C-2 위치에 전달한다.
enolase: 2-PG ---> PEP
탈수반응으로 고에너지 화합물인 phosphoenolpyruvate를 합성한다. (= enol phosphate)
일반적인 알코올의 인산에스테르 경우 가수분해될 때의 ΔGo'는 - 3 kcal/mol 이나 phosphoenol pyruvate의 가수분해 경우 ΔGo'는 - 14.8 kcal/mol 이다. 그 이유는 PEP는 enol form으로 keto form인 pyruvate 보다 불안정하기 때문이다. 엔올-케토 전환의 ΔGo' 는 -10 kcal/mol로서 매우 크다. 즉, 엔올-케토 전환이 원동력으로 작용한다
pyruvate kinase: PEP ---> pyruvate
이 효소는 ATP 생성을 비가역적으로 촉매한다. Keq 값은 3,000에 이른다.
2. 발효작용
2-1. 에탄올 발효 (효모와 미생물)
우선 acetaldehyde로 탈카르복시화되고 에탄올로 환원된다. 첫 번째 단계를 촉매하는 pyruvate decarboxylase는 비산화적 decarboxylation 반응을 촉매하며 조효소로 TPP를 필요로 한다. 두 번째 alcohol dehydrogenase에 의해 NADH로부터 수소음이온이 전달되면서 에탄올로 환원되고 NAD+의 재생이 이루어진다.
2-2. 젖산 발효: 미생물과 산소결핍시 근육에서 일어난다.
lactate dehydrogenase에 의해 촉매되며 이 효소는 isozyme으로 존재한다 (조직에 따라 다른 단위체 구성을 가진다). NAD+ 가 재생된다. 따라서 이 반응은 혐기상태에서 전자수용체의 역할을 하는 것이다.
3. Fructose의 대사
(1) in liver: high glucose level
hexokinase외에 별도로 fructose에 특이적인 fructokinase가 작용한다. glucose는 fructose에 비해 hexokinase에 대해 20 배나 높은 친화력을 가지기 때문에 간에서는 hexokinase에 의해 이용될 수 없다.
(2) in adipose tissue
hexokinase가 작용하여 fructose 6-phosphate를 생성한다.
4. Galactose의 대사
galactose + ATP → gal-1-P + ADP + H+
gal-1-P + UDP-glu → UDP-gal + G-1-P
UDP-gal → UDP-glucose
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sum: galactose + ATP → G-1-P + ADP + H+
glucose 1-P → glucose 6-P
UDP-glucose는 galactose가 부족할 경우 polysaccharide나 glycoprotein에서 galactosyl residue의 합성에서 UDP-galactose로 전환되어 이용된다.
5. 해당작용의 조절: 세군데의 조절 부위
(1) hexokinase
glucose 6-P로 전환된 후 여러가지로 이용
glucose → glucose 6-P → glycolysis, glycogen, pentose P pathway
(2) pyruvate kinase( a tetramer of 55-kd subunits)
isozymes: 3 forms
L- predominates in liver
M- " muscle and brain
A- " other tissues
L isozymes binds PEP cooperatively
inhibited by ATP & alanine
activated by F-1,6-BP
controlled by reversible phosphorylation
(3) phosphofructokinase