Chapter 3 세포대사 (Cell metabolism) - 효소의 중요성 - 대사 경로 (catabolism) - 세포구성분의 생합성 (Anabolism)

세포는 다양한 화학반응을 수행하며 식이에서 얻어지는 영양분의 분해와 세포구성분을 합성함 세포대사와 효소 세포는 다양한 화학반응을 수행하며 식이에서 얻어지는 영양분의 분해와 세포구성분을 합성함 Catabolism Anabolism 효소 (Enzymes) 는 세포내 화학반응 속도를 증가시키는 촉매임. 효소가 없는 경우 대부분의 생화학 반응이 너무 느리게 일어나 일어나지 않게 됨

생체 내 촉매로서의 효소 (Enzyme)의 역할 효소의 두가지 주요 특성: 효소는 자기자신이 소모되거나 변화되지 않으면서 화학반응속도를 증가시킴. 반응물과 생성물의 화학평형을 변화시키지 않으면서 반응속도만을 증가시킴.

생체 내 촉매로서의 효소 (Enzyme)의 역할 기질(substrate, S)이 생산물 (Product, P)로 변화되는 화학반응에서 화학평형 (은 열역학법칙을 따름 (G= H- TS). 효소가 있을 경우 화학반응은 가속되나 화학평형은 불변함. Kinetics의 문제!!

생체 내 촉매로서의 효소 (Enzyme)의 역할 평형은 S와 P의 최종 에너지 상태에 의해 결정됨. S는 먼저 높은 에너지상인 transition state로 활성화되어야 함 Transition state에 도달하는데 필요한 에너지를 활성화에너지 (activation energy)라고 하며 반응속도를 결정함. 효소 (또는 화학적촉매) 는 activation energy를 감소시킴.

Figure 3.1 Energy diagrams for catalyzed and uncatalyzed reactions

생체 내 촉매로서의 효소 (Enzyme)의 역할 효소 (E)는 기질에 결합하여 효소-기질(S) 착물 (ES complex)를 형성해야함. (ES). 기질은 효소의 특별한 부분인 활성자리 (active site)에 결합함. 기질은 효소에 결합되어 있는 상태에서 생성물을 형성한 후 방출됨.

생체 내 촉매로서의 효소 (Enzyme)의 역할 기질의 활성자리 결합은 매우 선택적으로 일어남. 활성자리는 효소의 3차구조의 표면에 형성된 clefts나 grooves에 위치함. 기질은 활성자리에 수소결합, 이온결합, 소수성상호작용에 의해 결합함 (비공유결합, noncovalent bond). 대부분 생화학반응은 2개이상의 다른 기질반응임. 효소는 구조안에서 기질을 transition state에 맞게 배열하게 됨.

Figure 3.2 Enzymatic catalysis of a reaction between two substrates 효소 기질 Cell5e-Fig-03-02-0.jpg

Figure 3.3 Models of enzyme-substrate interaction Cell5e-Fig-03-03-0.jpg

Chymotrypsin과 trypsin은 펩티드본드를 잘라 단백질을 잘라주는 protease임. 효소의 특이성

Figure 3.5 Catalytic mechanism of chymotrypsin (Part 1) Cell5e-Fig-03-05-1.jpg

Figure 3.5 Catalytic mechanism of chymotrypsin (Part 2) Cell5e-Fig-03-05-2.jpg

Figure 3.5 Catalytic mechanism of chymotrypsin (Part 3) Cell5e-Fig-03-05-3.jpg

활성자리에서 단백질외 작용기 - Prosthetic groups: 효소작용에서 중요한 기능적 역할을 하는 단백질에 연결된 작은 분자 예: myoglobin과 hemoglobin에서의 heme- O2 운반 기능. - Zinc나 iron이 효소에 부착되어 촉매반응을 수행함. Coenzymes: 저분자량 유기 물질로 효소와 함께 반응속도를 촉진하는 물질. Coenzymes은 반응에 의해 변화하지 않음. - Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+)는 coenzyme으로 전자전달체역할을 하며 산화환원반응에 관여함. NAD+ 는 한 개의 H+ 과 2개의 전자를 받아들일수 있으며 이 전자를 다른 분자에 전달해 줄수있음.

Figure 3.6 Role of NAD+ in oxidation–reduction reactions (Part 1) Cell5e-Fig-03-06-1.jpg

Figure 3.6 Role of NAD+ in oxidation–reduction reactions (Part 2) Cell5e-Fig-03-06-2.jpg

Figure 3.7 Feedback inhibition Cell5e-Fig-03-07-0.jpg Feedback inhibition: 대사경로의 최종생성물이 그 생합성에 관여된 효소의 활성을 조절하여 최종생성물의 생합성을 조절하는 기전

Figure 3.8 Allosteric regulation Cell5e-Fig-03-08-0.jpg Allosteric regulation: 조절 분자 (기질, 생성물 등)효소의 조절부위 (regulatory site)에 결합하여 효소활성이 조절되는 기전 이 효소활성 조절은 효소의 conformation 변화에 의해 일어남.

Figure 3.9 Protein phosphorylation Cell5e-Fig-03-09-0.jpg 효소는 인산화 (phosphorylation)에 의해 활성이 조절됨.

세포기능의 대부분은 환경으로부터 에너지를 만드는 데 노력하며 에너지를 요구하는 화학반응에 이를 사용함. 대사에너지 세포기능의 대부분은 환경으로부터 에너지를 만드는 데 노력하며 에너지를 요구하는 화학반응에 이를 사용함. 세포 내 반응의 대부분은 열역학적으로 잘 일어나지 않는 반응으로 추가적인 에너지가 필요됨.

대사에너지와 Gibbs free energy 생화학 반응의 진행방향은 열역학적으로 Gibbs free energy (G)로 설명됨. 자발적으로 일어나는 화학반응은 자유에너지 (Gibbs free energy)의 감소방향으로 일어남 (ΔG < 0). ΔG < 0, 반응은 B의 생성쪽으로 자발적으로 일어남 ΔG > 0, 반응은 A의 생성쪽으로 자발적으로 일어남. B가 A로 바뀌는 반응 ΔG = 0, 평형상태

대사에너지와 Gibbs free energy R = 기체상수, T = 절대온도 K = 평형상수= [B]/[A] 평형시 평형에서 ΔG = 0, 반응은 일어나지 않음. 만약 [B]/[A]< K, ΔG < 0 A가 B로 변형됨. 만약 [B]/[A]> K, ΔG > 0 B가 A로 변형됨.

대사에너지와 Gibbs free energy 많은 생화학적반응이 열역학적으로 unfavorable (ΔG > 0). 이러한 반응들은 열역학적으로 favorable 한 반응과 coupled reaction으로 일어남.

대사에너지와 ATP 세포는 열역학적으로 unfavorable한 반응을 일어나게 하게 위해 에너지를 사용함: ATP 사용. 한 ATP 산화에 ΔG=~ –12 kcal/mol.

대사반응과 ATP ATP 사용과 다른 에너지를 필요로하는 반응을 커플시켜 전체 반응을 일어나게 함. 예: 해당과정의 첫번째 단계 unfavorable 반응 (ΔG°′ = +3.3) ATP 산화 반응 (ΔG °′ = –7.3 kcal/mol): 전체 반응은: (ΔG °′ = –4.0 kcal/mol) 자발적반응

해당과정 (Glycolysis) 포도당이 CO2 와 H2O로 분해될때 발생하는 free energy: ΔG°′ = –686 kcal/mol. 해당과정(Glycolysis)은 포도당 (glucose)를 2개의 피루브산 (pyruvate)로 분해하면서 2ATP와 2NADH (Nicotinamide adenine dinucleotide)를 생산함. ATP가 충분히 세포내에 공급되면 해당과정은 효소활성저해로 저해됨. 해당과정은 모든 세포에서 일어나며 혐기성세포에서 대사에너지를 공급할수 있음 호기성 세포에서는 포도당 분해의 첫단계임

Figure 3.11 Reactions of glycolysis (Part 1) Cell5e-Fig-03-11-1.jpg

Figure 3.11 Reactions of glycolysis (Part 2) Cell5e-Fig-03-11-2.jpg

Figure 3.11 Reactions of glycolysis (Part 3) Cell5e-Fig-03-11-3.jpg

해당과정은 2분자의 NAD+ 를 to NADH로 전환함. NAD+ 는 산화물질(oxidizing agent)로서 전자를 다른 물질로부터 받음. NADH는 다른 산화-환원반응에 전자를 제공하는 역할을 함 (reducing power). 혐기조건에서 NADH는 피루브산을 lactate나 ethanol로 전환하는데 사용됨 (fermentation) 호기조건 (aerobic condition)에서 NADH는 전자를 전자전달경로에 전해 주어 ATP 를 생산함.

대사에너지와 acetyl CoA 진핵세포의 해당과정은 cytosol에서 일어남. 피루브산(Pyruvate)은 미토콘드리아로 수송되어 산화됨. 피루브산은 탈탄산화(oxidative decarboxylation)되고 coenzyme A (CoA- SH)와 결합하여 acetyl CoA를 생성함.

TCA 회로 (TCA cycle) Acetyl CoA는 citric acid cycle or Krebs cycle로 들어가 oxaloacetate (4 carbons)와 결합하여 citrate (6 carbons)를 생성함. TCA 회로에 들어가서 citrate의 2개의 탄소가 CO2 로 산화되고 oxaloacetate가 재생산됨 (포도당→ 6CO2, 1ATP, 3NADH, 1FADH2 (flavin adenine dinucleotide ))

산화적인산화 (Oxidative phosphorylation)와 전자전달계 (electron transport chain) 산화적인산화 (oxidative phosphorylation) 과정에서 NADH and FADH2의 전자가 O2와 결합하며 방출된 에너지가 ATP의 합성에 사용됨. 이 과정에서 전자가 여러 전달물질에 의해 전달됨: 전자전달계 (electron transport chain) 미토콘드리아내부막에 위치함.

Figure 3.14 The electron transport chain (Part 1) Cell5e-Fig-03-14-1.jpg

Figure 3.14 The electron transport chain (Part 2) Cell5e-Fig-03-14-2.jpg

Macromolecule의 대사와 에너지 생산 핵산과 다당체는 분해되어 단당체를 형성하고 해당과정을 통해 에너지 생산. 아미노산은 TCA회로로 유입되어 에너지를 생산함. 지방 (triacylglycerols)은 글리세롤과 지방산으로 분해됨. 각 지방산은 coenzyme A와 결합하여 fatty acyl- CoA로 변형됨 (1ATP 사용). 지방산-coA는 2 탄소씩 산화과정을 통해 분해되면서 ATP 생산.

Figure 3.15 Oxidation of fatty acids and -oxidarion TCA cycle Cell5e-Fig-03-15-1.jpg 1 NADH, 1 FADH2, 130 ATPs/16-carbon 지방산

광합성 (Photosynthesis)은 태양에너지를 화학에너지로 전환함. 생체시스템에서 모든 대사에너지의 원천!! 생체시스템에서 모든 대사에너지의 원천!!

명반응 (Light reactions): 햇빛이 H2O 를 O2로 산화시키며 ATP 와 NADH를 합성함. 광합성: 명반응과 암반응 명반응 (Light reactions): 햇빛이 H2O 를 O2로 산화시키며 ATP 와 NADH를 합성함. 암반응 (Dark reactions): 생성된 ATP와 NADPH를 이용하여 CO2를 탄수화물로 생합성함. 엽록체(chloroplast)에서 일어남.

광합성과 엽록소 (chlorophyll) 광합성색소가 햇빛의 photon을 모아 전자를 고에너지 오비탈 (orbital)로 들뜨게 만들며 햇빛에너지를 화학에너지로 전환시킴. 가장 많은 색소는 엽록소임 (chlorophylls).

Figure 3.17 The light reactions of photosynthesis (명반응) 엽록소에 의해 흡수된 에너지는 H2O를 O2로 변화시키는 반응에 이용됨. 이때 생성된 전자는 전자전달계에 들어가 ATP와 NADPH를 합성함. Cell5e-Fig-03-17-0.jpg

명반응에서 생산된 ATP와 NADPH는 CO2로부터 탄수화물을 생합성하는데 이용됨 (탄소고정, carbon fixation) 암반응과 캘빈 회로 명반응에서 생산된 ATP와 NADPH는 CO2로부터 탄수화물을 생합성하는데 이용됨 (탄소고정, carbon fixation) 1분자의 CO2가 캘빈회로라고 불리는 경로에 들어가 탄수화물을 생합성함.

Figure 3.18 The Calvin cycle Cell5e-Fig-03-18-0.jpg

2 전자가 NADP+를 NADPH로 전환하는데 사용됨. 이전자는 H2O가 O2로 산화될때 발생한 전자들임. 암반응 18 ATP와 12 NADPH를 소모하여 1 포도당 생산. 2 전자가 NADP+를 NADPH로 전환하는데 사용됨. 이전자는 H2O가 O2로 산화될때 발생한 전자들임.

Catabolism과 Anabolism 생합성경로(anabolism)에 ATP과 환원능(대개 NADPH)을 사용하여 새로운 유기물질을 생산함.

동물세포에서 포도당 신생합성 (gluconeogenesis)은 lactate, 아미노산, 글리세롤을 이용하여 일어남. 탄수화물의 생합성 동물세포에서 포도당 신생합성 (gluconeogenesis)은 lactate, 아미노산, 글리세롤을 이용하여 일어남. 일반적으로 피루브산(pyruvate)이 여러단계를 거쳐 포도당으로 전환됨. 많은 에너지를 필요로 함. 식물세포는 지방산으로부터 포도당을 생합성함. 식물의 종자에서 에너지를 지방의 형태로 보관하고 있다가 발아할때 탄수화물로 전환하여 에너지원으로 이용함.

Figure 3.19 포도당 신생합성 Gluconeogenesis Cell5e-Fig-03-19-1.jpg

Figure 3.19 Gluconeogenesis (Part 3) 녹말, 글리코겐 UDP-glucose (활성화된 포도당) Cell5e-Fig-03-19-3.jpg

Figure 3.20 Synthesis of polysaccharides (Part 1) Cell5e-Fig-03-20-1.jpg

지질은 중요한 에너지 저장원이며 세포막의 구성요소. 지질 (Lipids) 생합성 지질은 중요한 에너지 저장원이며 세포막의 구성요소. 지질은 acetyl CoA를 중합하는 일련의 반응으로 지방산산화가 역방향으로 진행됨.

박테리아와 식물체는 20 아미노산을 합성할 수 있음. 단백질 생합성 박테리아와 식물체는 20 아미노산을 합성할 수 있음. 사람이나 포유동물은 필수아미노산의 반만을 합성할 수 있음. 나머지는 식이에서 섭취함. 필수 아미노산: 리우신(Leucine), 아이소리우신(Isoleucine), 발린(Val- ine), 트립토판(Tryptophan), 라이신(Lysine), 트레오닌(Threonine), 페닐알라닌(Phenylalanine), 메치오닌(Methionine), 히스티딘(Histidine)

Figure 3.22 Biosynthesis of amino acids (Part 1) Cell5e-Fig-03-22-1.jpg

아미노산은 독특한 서열로 단백질에 배열됨. 이 서열은 유전자에 의해 결정됨. 단백질 생합성 단백질생합성은 에너지를 필요로 함. 아미노산은 독특한 서열로 단백질에 배열됨. 이 서열은 유전자에 의해 결정됨. Messenger RNA (mRNA)가 단백질생합성에서 template로 이용됨. 각 아미노산은 각각 지정된 transfer RNA (tRNA)에 부착되어 mRNA의 염기서열에 따라 단백질을 만들어 나감.

Figure 3.23 Formation of the peptide bond (Part 1) Cell5e-Fig-03-23-1.jpg

Figure 3.23 Formation of the peptide bond (Part 2) Cell5e-Fig-03-23-2.jpg

핵산은 탄수화물과 아미노산에서 생합성될수 있으며 식이에서 얻어질수 있음. 핵산 생합성 핵산은 탄수화물과 아미노산에서 생합성될수 있으며 식이에서 얻어질수 있음. Ribose-5-phosphate로부터 핵산생합성이 시작됨.

Figure 3.24 Biosynthesis of purine and pyrimidine nucleotides Cell5e-Fig-03-24-0.jpg

Figure 3.25 Synthesis of polynucleotides Cell5e-Fig-03-25-0.jpg

핵산생합성 저해제가 암세포나 박테리아의 성장을 저해하는 치료제로서 이용됨. 핵산 생합성 저해제: 항암제 핵산생합성 저해제가 암세포나 박테리아의 성장을 저해하는 치료제로서 이용됨.