아미노산 대사
1. 세포내 단백질 분해
A. 리소좀분해
단백질분해효소를 비롯하여 대략 50개 정도의 가수분해효소를 포함하고 있다. 리소좀은 내부의 pH가 5 정도로서 효소들은 산성의 pH에서 최적의 활성을 가진다. 이것은 리소좀의 분해로 인해 세포질 내의 단백질들이 불활성화되는 것을 방지해준다.
리소좀은 식포작용을 통해 세포 내로 들어오는 물질들을 분해한다. 정상적인 세포에서는 리소좀의 단백질 분해는 비선택적이다. 그러나 영양분이 고갈된 세포들은 선택적인 방법을 사용한다. 그것은 KFERQ의 pentapeptide를 포함한 세포질 단백질들을 운반하여 분해하는 것이다. 이러한 pentapeptide의 단백질들은 굶은 상태에서 쇠퇴해가는 간과 신장들로부터 방출된다. 그렇지만 뇌와 정소에서는 그렇지 않다. 이외에도 정상적이거나 병적인 경우에도 리소좀의 활성이 증가한다. 출산 후 자궁의 원상복귀는 좋은 예이다. 류마티스성 관절염과 같은 병은 리소좀의 효소들이 방출되어 주변의 근육을 분해하기 때문에 생기는 질환이다.
B. Ubiquitin
진핵세포에서는 리소좀과는 무관하게 ATP를 필요로 하는 단백질 분해가 일어난다. 이 과정은 ubiquitin이라는 단백질을 필요로 한다. 이 단백질은 76개의 잔기로 구성되어 있으며 매우 풍부하고 널리 분포되어 있기 때문에 붙여진 이름이다.
분해될 단백질들은 ubiquitin에 결합함으로써 표지된다. 그 과정에는 ubiqitin 활성화효소인 E1, ubiquitin 결합단백질인 E2, 그리고 ubiquitin-protein ligase들이 관여한다. 이 과정은 3단계로 진행된다.
1. ATP를 필요로 하는 단계로서 ubiquitin의 말단 카르복시기가 ubiquitin-activating 효소 (E1)에 thioester 결합을 통해 연결된다.
2. ubiquitin은 ubiquitin-conjugating 효소들 (E2)이라 불리는 여러 가지 상동단백질 중의 하나에 있는 특이적인 SH 기에 전달된다.
3. ubiquitin-protein ligase (E3)가 활성화된 ubiquitin을 E2로부터 분해될 단백질의 Lys ε-amino 기로 전달한다. 따라서 E3는 분해될 단백질을 선택하는 임무를 맡고있는 것으로 보인다. 그러나 하나의 세포에 많은 수의 다른 E2들 (효모는 10개 이상, 식물 Arabidopsis는 20개 이상)이 존재한다는 것은 E2도 목표단백질을 선택하는데 관여하고 있는 것으로 추정케 한다. 어떤 E2들은 ubiquitin을 직접 목표단백질에 전달하기도 한다.
보통 여러개의 uqbiquitin들이 분해될 단백질에 결합하며, 50개 또는 그 이상의 multiubiquitin들이 붙기도 한다. 이때 ubiquitin의 Lys48이 다른 ubiquitin의 C-말단 카르복시기에 isopeptide 결합을 이룬다.
분해될 단백질들의 구조적 특징은 매우 단순하다.
N-end rule: 세포질 단백질들의 반감기는 N-말단에 따라 결정된다.
D,R,L,K,F 경우는 2-3분 정도
A,G,M,S,V 경우는 10시간 이상(원핵) 또는 20시간 이상 (진핵)
PEST rule: P,E,S,T가 많은 절편을 가진 단백질들은 빨리 분해된다. 이것들을 제거하면 수명이 연장됨.
C. the proteasome: degradation of ubiquitinated proteins
large multiprotein complex
26S proteasome: 20S proteasome + 19S caps
26S proteasome: ATP-dependent degradation of ubiquinated proteins
degrades into ∼8 residues and subsequent digestion by cytosolic proteases
ubiquitins are returned and reused
20S proteasome: 2x7 α-like + 2x7 β-like
ATP-independent degradation of only unfolded proteins
proteolytic activity in β-type subunits
Prokaryotes lack ubiquitin and contain only 20S proteasomes
2. 아미노산 분해
cellular proteins & dietary proteins
dietary degradation:
gastric (pepsin), pancreatic (trypsin, chymotrypsin, elastase), enod- or exopeptidases.
oligopeptides and amino acids
absorbed by intestinal mucosa
transported via the bloodstream
cellular degradation
α-아미노산은 저장되거나 배설되지 않는다. 대신 α-amino 기가 제거된 탄소골격은 중간대사물질로 전환되고, α-아미노기는 glutamate로 전달된 후 암모니아로 전환되어 우레아로 분비된다. 포유동물에서 아미노산의 주 분해장소는 간이다.
산화적 탈아미노화 반응
transamination: (in cytosol) amino acid + α-ketoglutarate → α-keto acid + glutamate
glutamate는 mitochondria로 전달되어 다음 반응을 거친다.
oxidative deamination: (in mito) glutamate + NAD+(NADP+)+ H2O → NH4+ + α-ketoglutarate + NADH(NADPH) + H+
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α-amino acid + NAD+(NADP+)+ H2O → α-keto acid + NH4+ + NADH(NADPH) + H+
(glutamine은 간 이외의 조직에서 암모니아 전달에 이용된다)
Aminotransferases (transamination 촉매)
모든 aminotransferase들은 pyridoxal phosphate(PLP)를 보결원자단으로 가진다. PLP의 aldehyde기는 효소의 ε-amino 기와 Shiff base를 형성하고 있다가 기질이 들어오면 기질의 아미노기와 Shiff base를 형성한다. 이어서 protonation, deprotonation, 그리고 hydration 반응을 거쳐 α-keto acid로 떨어져 나가고 다시 α-ketoglutarate가 들어오면서 역반응이 진행되어 glutamate로 떨어져 나간다.
***PLP는 아미노산의 여러가지 촉매반응에 관여하고 있다. 이들의 공통되는 특징은 (1) 아미노산 기질이 PLP와 Schiff base를 형성하고, (2) 양성자화된 PLP는 음으로 하전된 촉매중간물질들을 안정화시키는 전자싱크로 작용한다. (3) 마지막으로 Schiff base가 가수분해된다.
Glutamate dehydrogenase (oxidative deamination 촉매)
Urea(우레아) 회로
육지에 사는 대부분의 척추동물에서 아미노산의 분해에서 나온 NH4+의 일부는 질소화합물의 생합성에 이용되고, 대부분은 우레아로 전환된 후 배설된다. 우레아 회로는 1932년 제안된 최초의 순환식 대사경로였다.
우레아는 두개의 아미노기를 가진 keto 화합물로서 아미노기 하나는 aspartate로 부터, 그리고 하나는 carbamoyl phosphate로 부터 온다. Ornithine은 운반체 역할을 하여 이산화탄소와 암모니아로 부터 형성된 carbamoyl phosphate와 결합하여 citrulline으로 전환된 후 다시 aspartate와 결합하여 argininosuccinate를 형성한다. 이것은 arginine과 fumarate로 분해되고, arginine은 우레아와 orinitine으로 분해된다.
이 회로의 화학량론적 관계는
CO2 + NH4+ + 3ATP + aspartate + 2H2O → urea + 2ADP + 2Pi + AMP + PPi + fumarate
이 회로는 fumarate에 의해 citric acid cycle과 연결되어 있다.
*** 따라서 지금까지 우리가 배운 사실을 놓고 보면 oxaloacetate는 4가지의 가능성을 가지고 있다. (1) transamination에 의해 aspartate로 전환되거나, (2) gluconeogenesis에 의해 phosphoenolpyruvate를 거쳐 glucose로 전환되거나, (3) pyruvate로 전환되거나, (4) acetyl CoA와 반응하여 citrate를 형성하는 것이다.
4. 아미노산의 분해: 탄소골격의 대사
탈아미노화 반응에서 나오는 탄소골격들은 pyruvate, acetyl CoA, acetoacetyl CoA, α-ketoglutarate, succinyl CoA, fumarate, oxaloacetate 등으로 얻어진다. 따라서 이들은 글루코오즈의 생성이나 citric acid cycle의 중간대사물로 들어갈 수 있다. 이들중 acetyl CoA나 acetoacetyl CoA를 생성하는 아미노산은 ketogeneic이라 불리고, 그 이외의 산물을 생성하는 아미노산들은 glucogenic으로 불린다.
이들은 분해산물인 α-keto 산의 골격에 따라 C3 산물, C4 산물, C5 산물, Succinyl CoA 산물, ketogenic인 Acetyl CoA와 acetoacetyl CoA 산물을 만드는 경로를 거쳐 대사된다.
5. 아미노산 생합성
아미노산의 탄소골격들은 모두 해당과정, 오탄당 인산경로, 또는 TCA 회로들로부터 만들어진다. 이들로부터 아미노산의 합성이 이루어지며, 6가지 생합성 집단으로 분류된다.
일단계 합성반응: 비필수 아미노산들은 일단계로 합성된다. pyruvate는 glutamate로부터 아미노기를 전달받아 alanine이 된다. aspartate는 암모니아와 결합하여 asparagine이 되고, phenylalanine은 tyrsoine으로 산화된다.
포유동물에서 아미노산 합성은 de novo pathway와 salvage pathway로 구분된다. 신생합성에 해당되는 아미노산은 S, G, A, D, N, E, Q, P 이고, 다른 아미노산들로부터 합성되는 보충경로에 해당하는 것들은 R, C, Y 등이다.
6. 아미노산 대사의 다른 생성물들
7. 질소고정
A. 생물학적 질소획득
생물학적으로 중요한 모든 질소화합물은 환원된 형태의 질소를 함유하고 있다. 그러나 생태계에서 질소는 주로 산화된 무기물 형태로 존재한다. 따라서 생물체로의 질소유입은 무기물 형태 (N2와 NO3-)가 암모니아로 환원됨에 따라 이루어진다. 이러한 반응은 미생물과 녹색식물들에서만 일어나고, 동물들은 음식물을 통해서 얻는 유기질소화합물 (주로 단백질)로부터 질소를 얻는다.
미생물과 녹색식물에 의한 질소획득 과정:
(1) 질산염으로부터의 암모늄 생성 (질산염 동화): 질산염 동화는 질산염에서 아질산염 (NO2-)로 다시 암모늄 (NH4+)으로의 환원에 의해 이루어진다. 이 과정은 생물권으로 유입되는 질소의 99% 이상을 차지한다.
NO3- + 2H+ + 2e- → NO2- + H2O
NO2- + 8H+ + 6e- → NH4+ + 2H2O
첫 번째 반응은 질산염환원효소 (nitrate reductase)에 의해 촉매되고, NADH로부터 전자를 받아 효소 내에 존재하는 일련의 보결원자단에 의한 전자운반사슬 (-SH, FAD, 시토크롬 b557, MoCo)를 거쳐 nitrate에 전달된다. 두 번째 반응은 아질산염 환원효소 (nitrite reductase)에 의해 촉매된다.
(2) 질소로부터 암모늄 생성 (질소고정): 원핵생물에 의한 대기 질소의 환원과정이다. N≡N 결합에너지는 942 kJ/mol로서 이것을 끊기 위해서는 많은 에너지가 필요하다는 것을 이해할 수 있다.
그렇지만 질소고정반응의 표준자유에너지값의 변화는 -33.5 kJ/mol이다. 자발적인 반응임에도 불구하고 많은 에너지가 필요한 이유는 높은 활성화에너지를 가지기 때문인 것이다.
이 환원과정은 당연히 혐기성으로 산소에 매우 예민하다. 따라서 세균에 따라 산소를 제거하기 위해 다른 방편을 사용하고 있다. Klebsiella pneumoniae는 facultative anaerobe로서 혐기적 조건에서만 질소고정을 수행한다. Azobacter는 strict aerobe이지만 전자전달회로를 이용하여 산소를 효과적으로 제거한다. Rhizobium은 콩과식물의 뿌리에 공생하며, leghemoglobin의 도움으로 무산소 조건을 유지한다. 질소고정에 관여하는 효소는 nitrogenase complex로서 전자를 제공하는 reductase (Fe protein)과 전자를 이용하여 질소를 암모니아로 환원시키는 nitrogenase (MoFe protein)으로 구성되어 있다. 이들과 관련된 유전자는 모두 18개로 nif cluster라 불린다.
B. N2로의 전자전달경로
전자는 세균에 따라 빛이나 NADH, 수소가스, pyruvate 등으로부터 얻어지며, 이들은 ferredoxin, Fe protein, 그리고 Fe-Mo protein으로 전달되어 최종적으로 질소분자의 환원에 이용된다. 전자의 전달에 관여하는 효소가 reductase이고, nitrogenase는 이것을 받아 질소를 암모니아로 환원시킨다. (N2 → HN=NH (diimide) → H2N-NH2 (hydrazine) → 2NH3)
C. assimilation of NH4+ into amino acids
세포 내에서 암모니아는 유리된 상태로 존재하지 않는다. 암모니아는 다음 3가지 경로를 통해 유기화합물 형태로 전환된다. 첫 번째 경로는 urea 회로로서, 암모니아는 carbamoyl phosphate synthase I 효소에 의해 HCO3-와 함께 carbamoyl phosphate로 전환된 후 urea 회로로 들어가 urea로 분비된다. 또는 암모니아는 glutamate와 glutamine 형태로 전환된 후 이용된다. glutamate와 glutamine은 세포 내에서 중요한 질소공여체로 이용된다.
Glutamate와 glutamine으로의 전환에는 세가지 효소가 관여한다: glutamate dehydrogenase (GDH), glutamine synthetase (GS), glutamine synthase (GOGAT).
모든 생물체는 이들의 합성에 관여하는 GDH와 GS를 가지고 있다. GDH에 의해 α-ketoglutarate는 암모니아와 반응하여 glutamate로 전환되고, GS는 glutamate와 암모니아를 glutamine으로 전환시킨다.
대부분의 미생물은 GOGAT를 추가적으로 가지고 있다. 이 효소는 α-ketoglutarate와 glutamine으로부터 2분자의 glutamate를 합성한다. 암모니아가 제한된 상태에서는 glutamine synthase에 의해 glutamate는 glutamine으로 전환된다. 이 두가지 반응의 결과는 α-ketoglutarate와 암모니아가 2분자의 ATP를 사용하여 glutamine으로 전환되는 것이다. 결과적으로 GDH가 사용될 때와 비교해 ATP 한 분자가 더 이용되는 반응이다.
암모니아에 대한 Km 값을 비교해보면 GDH는 1 mM 정도로 GS보다 높다. 따라서 암모니아가 낮은 농도로 존재할 때는 에너지를 사용하는 GS가 작동하는 것이다.