An Introduction to Metabolism and Bioenergetics

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1 An Introduction to Metabolism and Bioenergetics
Autotrophs and Heterotrophs (독립영양생물과 종속영양생물) - Autotrophs : 대기의 이산화탄소를 탄소원으로 하여 복잡한 생체 분자를 만드는 생물. (예: 광합성 세균과 고등식물) - Heterotrophs : 탄수화물이나 지방과 같은 탄소를 포함한 복잡한 분자로 부터 에너지를 얻는 생물. i) Aerobe(호기성 생물): 대사반응을 위해 산소를 사용 Ii) Anaerobe(혐기성 생물): 대사반응을 위해 산소를 필요로 하지 않음.

2 14.1. Intermediary Metabolism
물질대사 과정은 연속적인 효소 촉매반응들이 정렬된 순서로 일어나며, 각 과정들은 생성물이나 intermediate (중간체)들을 생성하므로 이 과정을 intermediary metabolism (중간 대사)라 하며, 이러한 일련의 반응을 반응을 metabolic pathway(대사경로)라 함. 1) Metabolons (Functional Units of Metabolism) 특수화된 대사경로에 있는 효소들의 기능적 단위로서 대사물질이 효소들 사이에서 효율적으로 전달되도록 함. ex) Multienzyme complex (다효소 복합체) : pyruvate dehydrogenase complex

3 2) Two Directions of Metabolism
Catabolism (이화작용) : 생물이 체내에서 고분자 유기물을 좀더 간단한 저분자 유기물이나 무기물로 분해하는 과정. Anabolism or Biosynthesis (동화작용 혹은 생합성) : 생물이 외부로부터 받아들인 저분자 유기물이나 무기물을 이용해, 자신에게 필요한 고분자 화합물을 합성하는 과정.

4 Ex) ATP Energy Cycle - Catabolic process (이화작용 과정) : 음식물로 부터 방출되는 potential energy를 reactive intermediate인 ATP의 형태로 수집하는 과정. - Anabolic process (동화작용 과정) : ATP에 저장된 free energy를 일을 수행하는데 사용하는 과정. → ATP는 생화학적 에너지의 보편적인 운반체로 작용하며, 재순환되는 ATP는 물질대사의 중심 주제임.

5 3) Stages of Metabolism Catabolism (이화작용) - 1 단계: 단백질, 지방 및 다당류와 같은 거대 분자를 각 분자를 구성하는 각 구성원으로 분해하는 과정 - 2 단계: 다양한 아미노산, 지방산 및 단당류들이 acetyl-CoA와 같은 공통 대사물질로 산화되는 과정 (NADH와 ATP 생성) - 3 단계: acetyl-CoA가 citric acid cycle로 들어가 aerobic carbon metabolism의 최종산물인 CO2로 산화되는 과정 (NADH와 FADH2 생성→ ATP로 전환)

6 14.2. The Chemistry of Metabolism
모든 생화학적 반응은 6가지의 반응에 의해서 일어남. - Oxidation-reduction reaction (산화환원반응) - Group-transfer reaction (기전달반응) - Hydrolysis reaction (가수분해반응) - Nonhydrolytic cleavage reaction (비가수분해반응) - Isomerization and rearrangement reaction (이성질화 및 재배치반응) - Bond formation reaction using energy from ATP (ATP를 사용한 결합형성반응)

7 1) Oxidation-Reduction Reactions
전자 공여체와 전자 수용체 반응물이 있어야 하며, 이들 반응은 oxidoreductase에 의해 촉매. AH2 + B ↔ A + BH2 AH2 : 전자공여체 또는 환원제, B : 전자수용체 또는 산화제 ex) 지방산의 분해 시 methylene(CH2)이 carboxyl 기(-COOH)로 산화되는 반응 Biological Redox Agents - 생화학적 산화 반응: coenzyme redox pair와 연결되어 있음. Coenzyme redox pair : NAD+/NADH, NADP+/NADPH, 혹은 FAD/FADH2 - Coenzyme (조효소) : 효소 단백질의 활성에 꼭 필요한 비단백질로서 보조인자의 일종 Flavin adenine dinucleotide Nicotinamide adenine dinucleotide NADP

8 - NAD+가 전자수용체 (산화제)로 작용, ethanol과 acetaldehyde는 전자공여체 (환원제)로 작용.
2) Group-Transfer Reactions Chemical functional group이 한 분자에서 다른 분자 혹은 분자 내에서 전달되는 반응. - 보통 ATP의 phosphoryl group (-PO32-)의 전달 Hexokinase

9 3) Hydrolysis Reactions
물분자를 사용하여 chemical functional group이 한 분자에서 다른 분자 혹은 분자 내에서 전달되는 반응. - Ester hydrolysis : triacylglycerol을 fatty acid로 가수분해하는 반응 - Amide hydrolysis : 단백질이 peptidase에 의해 amino acid로 가수분해하는 반응 - Glycoside hydrolysis : oligosaccharide의 glycosidic bond을 가수분해하여 mono-saccharide로 분해하는 반응 4) Nonhydrolytic Cleavage Reactions 물분자를 사용하지 않고 분자가 나누어지는 반응. 주로 탄소-탄소 결합을 분해하는 반응에서 이루어지며, lyase (분해 효소)에 의해서 촉매됨.

10 5) Isomerization and Rearrangement Reactions
분자 내 이중결합의 위치를 변화시키는 분자 내 수소원자의 이동 작용기의 분자 내 재배치 6) Bond Formation Reactions Using Energy from ATP 분자간의 새로운 결합을 형성하기 위해 ATP에 저장되어 있는 에너지를 사용하는 반응 이 반응은 ligase 혹은 synthetase 효소에 의해서 촉매.

11 14.3. Concepts of Bioenergentics
1) Free Energy Change, ΔG Catabolism : 에너지를 방출하는 과정 → 자유에너지가 감소되는 자발적인 반응 Anabolism : 에너지의 유입을 필요로 하는 과정 → 자유에너지가 증가되는 비자발적인 반응 - 자유에너지(free energy) : 어떤 시스템의 내부 에너지 중에서 실제로 일로 변환 가능한 에너지. 2) Energy from ATP ATP에서 group-transfer reaction에서 절단되는 결합 : phosphoanhydride bond ATP의 가수분해에 의해 방출되는 자유에너지의 변화 : -36kJ/mol → 생성물(ADP와 Pi)은 반응물(ATP) 보다 에너지가 낮으므로 에너지 방출됨

12 Carbohydrate Metabolism
모든 생명체는 탄수화물을 산화적으로 분해하여 에너지를 얻음. 몇몇 세포와 생물체 (뇌와 적혈구 세포 및 다수의 세균)에서는 탄수화물이 유일한 에너지원으로 사용. The Energy Metabolism of Glucose Glycolysis (해당과정) - 모든 생물체에서 탄수화물로 부터 에너지를 얻는 보편적인 경로 - 반응 경로에서 산소가 필요하지 않으며, 약간의 에너지가 ATP와 NADH의 형태로 생성 - 해당과정에 관여하는 효소들은 세포질에 존재

13 1) The First Five Reactions of Glycolysis - Investing Energy
해당과정 : 기질인 6 탄당(hexose)을 2분자의 pyruvate로 분해하는 과정 해당과정의 전반부는 glucose를 활성화시키는 투자 단계로서 ATP를 사용함. → Glucose의 위치에너지에너지 증가되어 다음 반응을 쉽게 유도됨. - 6개의 탄소를 가진 기질이 3개의 탄소를 가진 대사산물로 분해하기 위하여 2개의 ATP 분자가 활성화

14 2) The Second Half of Glycolysis – Obtaining Dividends
Glyceraldehyde-3-phosphate가 pyruvate로 전환되는 과정. 이 과정에서 에너지가 추출되어 2개의 ATP와 1개의 NADH가 생성됨. 2Glyceraldehyde-3-phosphate + 2Pi + 4ADP + 2NAD+ → 2Pyruvate + 4ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O - Aerobic metabolism : 두 분자의 pyruvate는 계속 산화되어 더 많은 ATP와 NADH를 생성하고, CO2와 H2O로 분해됨. - Anaerobic metabolism : 두 분자의 pyruvate는 fermentation(발효) 과정으로 진행됨. 해당과정의 전체적인 순반응 Glucose + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ → 2Pyruvate + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O

15 15.2. Entry of Other Carbohydrates into Glycolysis
Glucose는 에너지 대사의 가장 중요한 탄수화물임. 다른 탄수화물들은 해당과정에 들어가기 위해서는 부가적인 반응을 거쳐야 함. 1) Dietary Carbohydrates 음식물로 섭취하는 탄수화물의 화학적 형태 : polysaccharide, disaccharide, monosaccaharide - Polysaccharide : starch (녹말: amylose와 amylopectin)과 glycogen → 가수분해의 주요 산물 : glucose (amylase) - Disaccharide : maltose, sucrose, lactose → 가수분해의 주요 산물 : maltose의 경우 2 glucose (maltase) sucrose의 경우 fructose + glucose (sucrase) lactose의 경우 glucose + galactose (lactase) - Monosaccharide : glucose와 fructose

16 Fructose + 2ATP → 2Glyceraldehyde-3-phosphate + 2ADP
2) Fructose, Galactose, and Glycerol Fructose : 두 가지 경로로 해당과정으로 진입 - Hexokinase에 의한 fructose-6-phosphate 생성 (phosphoryl transfer step) - Fructokinase에 의한 phosphoryl transfer 반응과 aldolase에 의한 분리와 한번의 부가적인 인산화 Fructose + 2ATP → 2Glyceraldehyde-3-phosphate + 2ADP

17 (Glucose)n + H2O ↔ Glucose ↔ Glucose-6-phosphate
Galactose - 다섯 단계의 과정을 거쳐 glucose-6-phophate로 전환되어 해당과정에 진입 Glycerol - Triacylglycerol과 glycerophospholipid의 분해에 의해서 방출 - Phosphoryl transfer와 oxidation에 의해 dihydroxyacetone phosphate로 변환되어 해당과정으로 진입. 3) Glucose from Intracellular Glycogen and Starch 세포 내 다당류로 부터 glucose의 방출은 amylase에 의한 가수분해가 아니라 phosphorolytic cleavage(가인산 분해)에 의해 이루어짐. - 동물: glycogen phosphorylase - 식물: starch phosphorylase Amylase에 의한 가수분해 (Glucose)n + H2O ↔ Glucose ↔ Glucose-6-phosphate ATP

18 (Glucose)n + Pi ↔ Glucose-1-phosphate ↔ Glucose-6-phosphate
Phosphorylase에 의한 phosphorolytic cleavage (Glucose)n + Pi ↔ Glucose-1-phosphate ↔ Glucose-6-phosphate - ATP 형태의 에너지가 필요하지 않으므로 보다 효율적 glucose의 대사 조절에 주 역할을 담당 15.3. Pyruvate Metabolism Aerobic cell : pyruvate는 citric acid cycle을 걸쳐 산화적 인산화 반응을 거쳐 모든 탄소가 CO2로 산화되고 모든 잠재적 에너지가 ATP 형태로 전환되며, 기질부터 나온 전자들은 NADH와 FADH2로 모여 산소로 전달됨. Anaerobic cell : pyruvate는 산소 대신 다른 분자가 전자 수용체로 작용하여 NADH를 NAD로 산화시켜 대사를 지속시킴 (fermentation : 발효) 1) Lactate Fermentation (유산발효) Glucose를 lactate로 전환시키는 과정 Lactate dehydrogenase에 의해 촉매

19 Glucose + 2ADP + 2Pi → 2lactate + 2ATP + 2H2O
반응 Glucose + 2ADP + 2Pi → 2lactate + 2ATP + 2H2O 2) Ethanol Fermentation 경제적으로 중요한 발효 중 하나 Pyruvate decarboxylase와 alcohol dehydrogenase에 의해서 촉매

20 - Cytoplasmic alcohol dehydrogenase와 aldehyde dehydrogenase에 의해 촉매
Ethanol 분해 - Cytoplasmic alcohol dehydrogenase와 aldehyde dehydrogenase에 의해 촉매 CH3CH2OH + NAD+ ↔ CH3CHO + NADH + H+ (Ethanol) (Acetaldehyde) CH3CHO + NAD+ ↔ CH3COO - + NADH + H+ (Acetaldehyde) (Acetic acid)

21 15.4. Biosynthesis of Carbohydrates 세포들은 에너지 대사와 생합성을 위해 glucose를 사용
동물의 경우 적당량의 glucose를 유지하기 위하여 간에 저장된 glycogen이 방출 1) Synthesis of Glucose Glucose의 합성은 pyruvate, lactate, glycerol, 및 기타 amino acid로 부터 시작 → gluconeogensis 2Pyruvate + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H+ + 6H2O → Glucose + 2NAD+ + 4ADP + 2GDP + 6Pi

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23 2) Activation of Glucose and Galactose for Biosynthesis
이당류와 다당류의 합성에는 nucleoside diphosphate sugar (NDP sugar)가 사용 NTP + Glucose-1-phosphate ↔ NDP-glucose + PPi Pyrophosphorlase에 의해서 촉매 주요 NDP sugar : UDP-glucose, ADP-glucose, GDP-glucose, UDP-galactcose → glycogen, starch, lactose, sucrose 및 cellulose 합성에 사용 3) Synthesis of Polysaccaharides Glycogen UDP-glucose + (glucose)n ↔ UDP + (glucose)n+1 - Glycogen synthase에 의해 촉매 - Glucose-6-phosphate로 부터 glycogen으로 합성되는 반응 Glucose-6-phosphate + UDP + (glucose)n + H2O ↔ (glucose)n+1 + UDP + 2Pi Starch ADP-glucose + (glucose)n ↔ ADP + (glucose)n+1 Cellulose UDP or GDP-glucose + (glucose)n ↔ UDP or GDP + (glucose)n+1

24 4) Synthesis of Disaccaharides Lactose
UDP-galactose + glucose ↔ UDP + lactose - Lactose synthase에 의해 촉매 Sucrose UDP-glucose + fructose-6-phosphate ↔ UDP + sucrose-6-phosphate Sucrose-6-phosphate + H2O ↔ Sucrose + Pi - Sucrose-6-phosphate synthase와 phosphatase에 의해 촉매

25 15.5. Regulation of Carbohydrate Metabolism
대사조절은 free glucose와 stored glucose의 상대적인 조절에 의해 이뤄짐. Glycogen Phosphorylase and Glycogen Synthase - cyclic AMP-dependent protein kinase와 phosphoprotein phosphatase에 의해 효소의 활성이 조절 Hexokinase, Phosphofructokinase, Fructose-1,6-Bisphosphatase, Pyruvate kinase와 Pyruvate Carboxylase의 효소활성을 조절에 의해 탄수화물의 대사조절이 이루어짐.