15장 해당작용 (glycolysis) 1. 해당작용은 에너지 변환 경로이다. 2. NAD+는 pyruvate의 대사를 통해 재생성된다. 3. Fructose와 galactose는 해당의 중간산물로 전환된다. 4. 해당경로는 세밀하게 조절된다. 5. 환경에 따른 대사: 해당작용은 췌장 베타세포가 glucose 를 감지하도록 한다.

1. 해당작용은 에너지 변환 경로 해당작용(glycolysis)는 세 단계의 10개 반응으로 구성 1. 해당작용은 에너지 변환 경로 해당작용(glycolysis)는 세 단계의 10개 반응으로 구성 반응: 인산화, 이성질화, 두 번째 인산화의 세 과정 1단계: glucose가 fructose 1,6- bisphosphate으로 전환되어 고에너지 중간체 생성 단계 2 단계: fructose 1,6-bisphosphate을 두 개의 3-탄소 조각으로 전환하는 것 3-탄소조각들은 서로 상호전환 용이 3 단계: 3-탄소조각들이 pyruvate로 산화 되면서 ATP 합성

해당작용 개요: 1. 포도당에 인산기 첨가: 2 mol ATP 소모 2. 높은 인산기 운반능력을 가진 반응 중간체 생성 2. 높은 인산기 운반능력을 가진 반응 중간체 생성 3. 4 mol ATP 합성-총 2 mol ATP 형성

1) 개시 전략 glucose는 세포 내로 운반된 후 ATP에 의해 인산화되어 glucose 6-phosphate가 됨. Glucose 수송 단백질의 기질이 되지 않기 때문에 세포막을 통과해서 다시 세포 밖으로 나갈 수 없고 결합된 인산기가 glucose에 높은 인산기 이동 전위 (phosphoryl-transfer potential)를 부여하여 이후 대사를 촉진. 비가역 반응 hexokinase: glucose와의 결합 시, 갈라진 틈이 기질에 의해 유도되어 닫히는 커다란 형태적 변화를 일으킴-유도된 적합(induced fit)의 좋은 예. Glucose를 둘러싼 단백질의 소수성 잔기에 의해 주위가 비극성의 특징을 갖게 되고, 활성 부위의 물 분자 유입 막아 ATP 말단 인산기를 glucose에 쉽게 제공할 환경 조성.

2) glucose 6-phosphate에서 fructose 6-bisphosphate이 생성 다음 단계는 glucose 6-phosphate이 fructose 6-phosphate로 이성질화됨 (aldose에서 ketose로의 전환) - phosphoglucose isomerase에 의해 촉매됨. 다음 fructose 6-bisphosphate은 ATP에 의해 fructose 1,6- bisphosphate (F-1,6-BP)으로 인산화 됨. 비가역 반응 - phosphofructokinase(PEK)에 의해 촉매됨.

3) 육탄당은 두 개의 삼탄당 조각으로 쪼개진다 해당의 두 번째 단계는 fructose 1,6-bisphosphate을 glyceraldehyde 3-phosphate, GAP)과 dihydroxyacetone phosphate, DHAP)로 절단. aldolase에 의해 촉매됨. dihydroxyacetone phosphate은 다음 단계로 넘어가기 위해 triose phosphate isomerase, TPI, 혹은 TIM)의 촉매 작용으로 glyceraldehyde 3-phosphate으로 전환됨. - 다음 과정의 반응에서 glyceraldehyde 3-phosphate이 제거되므로 빠르고 가역적인 반응.

glyceraldehydes 3-phosphate(알데하이드)가 NAD+에 의해 산화되어 카복실산 생성 4) 알데하이드의 산화는 높은 인산기-이동 전위를 갖는 복합체 형성을 촉진한다 (glyceraldehyde 3-phosphate 이 갖고 있는 에너지를 ATP로 수확하는 과정) 해당의 마지막 단계로 glyceraldehyde 3-phosphate이 glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase에 의해 1,3–bisphosphoglycerate (1,3-BPG)으로 전환됨. - 다음 두 과정의 합: glyceraldehydes 3-phosphate(알데하이드)가 NAD+에 의해 산화되어 카복실산 생성 카복실산(3-phosphoglycerate)과 오르쏘인산이 합해져서 아실 인산물 1,3–bisphosphoglycerate 형성

두 반응이 짝지어 일어나는 과정에서 중요점 알데하이드 산화 후 thioester 결합에 의해 효소와 연결된 중간체 형성: 알데하이드와 자유 카복실산 사이의 자유에너지 중간체이며 산화반응에서 방출된 다량의 자유에너지 (-50 kJ/mol)를 보존해 어려운 인산화 반응과 연결함.

5) 1,3–bisphosphoglycerate로부터의 인산기 이동에 의해 ATP가 형성 1,3–bisphosphoglycerate의 아실인산에서 ADP로 인산기 이동함. - phosphoglycerate kinase에 의해 촉매됨. - 이런 방식의 ATP 형성: 기질수준의 인산화(substrate-level phosphorylation), 이온농도 구배에 의한 ATP 합성과 대비됨

6) 추가의 ATP는 pyruvate이 형성되면서 생성된다 3–phosphoglycerate은 pyruvate로 전환되고 두 번째 ATP가 ADP로 부터 생성됨 3–phosphoglycerate은 phosphoglycerate mutase에 의해 2–phosphoglycerate로 전환됨 2–phosphoglycerate에서 enolase에 의해 탈수되어phosphoenolpyruvate (PEP) 형성됨 Pyruvate kinase에 의해 인산기가 ADP 에 전해짐과 동시에 pyruvate로 전환됨. 비가역 과정

반응요약 glucose가 pyruvate으로 전환되는 과정에서 두 분자의 ATP 가 생성된다. 알짜반응: glucose +2Pi +2ADP +2NAD+ → 2 pyruvate + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O 즉 glucose가 두 분자의 pyruvate으로 전환되며 두 분자의 ATP가 생성됨

2. NAD+는 pyruvate의 대사를 통해 재생성된다 NADH 산화를 위한 수단이고 유기 화합물이 전자의 주개와 받개로 작 용하여 ATP를 생성하는 과정 종류 호흡 산화 glucose → 2 pyruvate + 2 ATP → citric acid cycle (36-38 ATP/glucose) → 산화 인산화 비호흡 발효 glucose → 2 pyruvate → lactate (근육) 알코올 발효 glucose → 2 pyruvate → 2 CO2 + ethanol (효모)

1) 에탄올 발효 반응 pyruvate의 탈카복실화 NADH에 의한 acetaldehyde의 ethanol로의 환원, alcohol dehydrogenase에 의해 촉진 알짜 반응: glucose +2Pi + 2ADP + 2H+ → 2ethanol +2CO2 +2ATP + 2H2O glucose가 에탄올이 되는 과정에서 알짜 산화-환원반응은 없음

2) lactate 발효 경로 Pyruvate가 NADH로부터 전자를 받아들여 lactate가 됨 lactate dehydogenase에 의해 촉매됨 Pyruvate가 lactate 또는 에탄올로 환원되는 과정에서 재생성되는 NAD+ 는 산소가 없는 혐기(anaerobic) 상태에서 해당이 지속적으로 진행될 수 있게 함 3) 호흡 발효 호기적(aerobic) 상태에서 pyruvate로부터 acetyl CoA 형성 경로 반응 : pyruvate + NAD+ + CoA → acetyl CoA+ CO2 + NADH 4) 혐기성 발효의 장점 산소가 없을 때, 발효는 사용 가능한 에너지를 공급한다 산소가 없이도 에너지 생성하는 발효 과정은 생물체가 다양한 환경에서 생존할 수 있도록 한다. 대부분 동물의 골격근은 짧은 기간 동안은 혐기적으로 기능할 수 있음

fructose와 galactose는 해당경로의 중간산물로 전환

Fructose 대사 Fructose 가 해당경로로 들어오는 두 가지 경로 Fructose는 fructose 1-phosphate로 인산화 됨 Fructose 1-phosphate가 glyceraldehyde와 dihydroxyacetone phosphate를 생성하고 해당의 중간체인 glyceraldehyde는 glyceraldehyde 3-phosphate으로 인산화

Galactose 대사 Galactose는 네 단계를 거쳐 glucose 6-phosphate으로 전환됨 galactose가 galactose 1-phosphate로 인산화됨 galactose 1-phosphate은 uridine diphosphate glucose로부터 우리딜기 얻어 UDP-galactose와 glucose 1-phosphate 생성 UDP–galactose의 galactose 부분은 glucose가 됨 glucose 1-phosphate는 glucose 6-phosphate로 이성질화됨

많은 성인들이 lactase(락토스 가수분해효소)의 부족으로 우유를 소화시키지 못함. 임상적 통찰 1 많은 성인들이 lactase(락토스 가수분해효소)의 부족으로 우유를 소화시키지 못함. 락토스 불내응증(lactose intolerance 혹은 hypolactasia)은 lactase의 결핍에 의해 나타남

임상적 통찰 2 갈락토스 혈증 (galactosemia)는 galactose 1-phosphate uridyl transferase의 활성에 대한 유전적 결핍이다. transferase가 없을 때, 갈락토스는 독성이 매우 높다. 백내장 (cataract)은 눈 수정체에서 transferase가 활성화되지 않으면 galactose가 galactitol로 환원되어 물에 의한 삼투 효과를 유발해서 발생함.

4. 해당 경로의 조절 비가역 반응단계가 일반적 조절단계 hexokinse phosphofructokinase 4. 해당 경로의 조절 비가역 반응단계가 일반적 조절단계 hexokinse phosphofructokinase pyruvate kinase

1) 근육에서 해당조절 phosphofructokinase : 높은 수준의 ATP는 효소를 다른 자리 입체성 효과로 fructose 6-phosphate과의 친화력을 낮춤 낮은 에너지 상태의 신호인 AMP는 ATP 와 경쟁하며 효소와 결합 시는 효소를 억제치 않음 ATP/AMP 비율이 낮아질 때, 효소의 활성은 증가함

hexokinase: hexokinase는 glucose 6-phosphate에 의해 억제됨 phosphofructokinase의 억제는 hexokinase의 억제를 유발함 해당에서만 전적으로 일어나는 단계인 첫 번째 비가역 반응을 매개하는 phosphofructokinase가 hexokinase 보다는 더 중요한 조절장치임 pyruvate kinase pyruvate kinase가 촉매하는 반응 생성물인 pyruvate는 중요한 대사 중간산물임 ATP는 다른 자리 입체성 효과를 통해 pyruvate kinase를 억제, 해당을 늦춘다 - 알라닌도 역시 pyruvate kinase를 다른 자리 입체성 효과를 통해 억제함

2) 간에서 해당 조절 phosphofructokinase : 간에서 phosphofructokinase는 citrate (구연산) 회로의 초기 중간산물인 citrate에 의해 억제됨. 많은 양의 fructose 6-phosphate은 fructose 2,6-bisphosphate (F-2,6-BP)의 농도를 높인다. - fructose 2,6-bisphosphate (F-2,6-BP)은 해당을 촉진. 이를 앞먹임 촉진 (feedforward stimulation)이라고 함

hexokinase : 간에서 glucose를 인산화하는데 관여하는 주요 효소는 glucokinase 혹은 hexokinase IV라고도 불림. glucokinase는 glucose의 양이 많을 때만 hexokinase 와 결합 후 남은 여분의 glucose와 결합하여 인산화시킴. 이런 특성은 뇌와 근육으로 우선적인 glucose 공급이 가능하도록 하고 낭비를 방지해 줌. 당뇨병 치료를 위하여 glucokinase를 활성화하는 약개발 진행 중

Pyruvate kinase - L형이 간에 존재하는 pyruvate kinase 형태임 L 형은 근육과 뇌의 M형과 달리 가역적인 인산화에 의해 촉매능력이 조절됨 혈 중 포도당의 농도가 낮아지면 글루카곤에 의해 유발된 cAMP 일련의 반응이 pyruvate kinase를 인산화하여 활성을 감소시켜 뇌와 근육이 더 급하게 포도당을 필요로 할 때 간이 포도당을 소비하는 것을 방지함

Glucose 운반 운반계 가족들이 glucose가 세포로 들어가고 나오는 것을 가능하게 한다 glucose가 원형질막을 통과하여 열역학적 내리막 기울기로 이동하도록 매개하는 단백질 군을 GLUT1~GLUT5라고 명명함 GLUT1과 GLUT3: 거의 모든 포유류 세포에 존재, KM=1 mM, 정상적 인 상태에서 glucose 수송함 GLUT2: KM=15-20 mM이기 때문에 혈액 내 glucose가 많을 때에만 췌장 베타세포와 간에서 glucose 운반이 생화학적으로 의미있는 비율로 일어남 GLUT4: KM=5, glucose를 근육과 지방세포로 수송함 GLUT5: 소장으로 fructose를 운반하는 역할을 함

Positron emission tomography (PET) 에 의한 암진단 암과 운동은 유사한 방법으로 해당작용에 영향을 준다 2-[18F]fluoro-2-deoxy-glucose: hexokinase 기질 18F 분해되어 방출되는 양전자가 전자와 충돌하여 γ 선 방출을 감지하여 3차원 영상 생성.

저산소증(hypoxia) 암세포나 운동에서는 저산소증 (hypoxia) 환경에서 lactate 발효에 의해 생긴 해당반응이 ATP의 주 공급원 저산소 유발 전사인자, HIF-1에 의한 해당의 더 효율적인 수행: HIF-1은 대부분의 해당관련 효소, 혈관내피성장인자, GLUT1와 GLUT3 의 발현 증가시킴

5. 해당은 췌장 β-세포가 glucose의 감지 촉진 - GLUT2 glucose 운반계를 통한 glucose 의 췌장 베타세포 유입 - 해당을 통한 ATP 생성 - ATP/ADP가 상승하며 K+ 통로가 닫히고 세포내의 K+ 이온 농도의 증가가 칼슘채널을 열게 함 - Ca2+ 농도 증가가 인슐린 포함 소포체의 막과의 융합을 촉진하여 인슐린을 혈액에 분비하여 혈액 포도당 제거