대사생화학 (1)-Week 3 Chapter 15: 대사 : 기본개념과설계 * 대사의일반원리들 ( 요소들 ) 나뉨 1. 대사경로는연료분자들의분해경로인이화대사와, 생체분자들의생합성경로인동화경로로 2. 생체에너지의현금주화 ( 유통매체 ) 는 ATP 이며이를매개로에너지생성경로 ( 이화경로, 분해경로, catabolism) 와에너지요구 ( 소비 ) 경로 ( 동화경로, anabolism) 가연결됨 3. 탄소연료 ( 유기화합물 ) 는산하되면서 ATP 를생성하는동력 ( 에너지원 ) 이된다 4. 대사경로의반응의수는엄청나게많지만 ( 대장균에서도 1000 종류이상의화학반응이일 어남 ) 반응유형의수는몇개되지않으며, 또한몇안되는특정중간체들이여기저기서반복적 으로이용된다 5. 대사경로는고도로조절되는데이조절의방법또한몇가지공통적인방법들이쓰임 15.1 대사는짝지어지고상호연결되는많은반응 (coupled reactions) 들로구성된다 * 생물체의에너지주사용처 : 1. 근육수축이나세포운동과같은기계적인일의수행 2. 분자 들과이온들의능동수송 3. 간단한전구체들로부터세포내분자 ( 거대분자 ) 들의생합성 * 광영양생물들 (phototrophs) 은광합성을통하여태양빛에서에너지를획득하고화학영양생 물들 (chemotrophs) 은음식물들 ( 유기혹은무기화학물들 ) 의산화에서에너지획득 * 지속적인자유에너지의투입이생물체들을평형에서멀리떨어진, 즉엔트로피가감소되는 질서정연한상태로유지시켜준다 대사는에너지생성반응과에너지요구 ( 소비 ) 반응으로구성된다 * 생체에너지는이화 ( 분해 ) 대사경로에서생성되고동화 ( 생합성 ) 대사경로들에서사용된다 * 일부의중요대사경로 ( 회로 ) 들은세포의에너지상태에따라이화경로로작동할수도있고동 화경로로작동할수도이는데이들을양쪽성대사경로 (amphibolic pathway) 라한다 ( 해당, TCA cycle 등 ) * 대사의중요한원리중하나는 어떤생체분자의생합성경로와분해경로는거의언제나명확 히구분되는별개의것 이라는것이다. 비록두경로가많은곳에서동일한효소에의해촉매되 는가역반응들로이루어지는경우가있지만이경우에도반드시 1 곳이상은서로다른효소에
의해매개되는다른반응들로이루어진다는것이다. 그이유는 1. 양쪽경로가모두열역학적 으로호의적이기위하여 2. 두경로를독립적으로조절하기위하여이다 열역학적으로불리한반응들이유리한반응들에의해서추진될수있다 * 하나의대사경로는 1. 각각의반응특이성을갖는개개의반응들이서로연결 ( 연계, coupld) 되어한벌의 ( 한셋트의 ) 반응으로되어있고 2. 경로전체 ( 한벌 ) 의자유에너지의변화 ( 합 ), 즉, ΔG 는음이다 (negative). 그래서전체경로는자발적으로진행한다. * A + B C + D의반응에서 ΔG = ΔG o + RTln[C][D]/[A][B] 이다. 여기에서 ΔG는반응의자유에너지변화, ΔG o 은수소이온을제외한 ( 의의미, 일반적으로 ph=7 ) 모든반응물과생성물의농도가 1 M ( 표준상태 ) 로반응이출발했을때의자유에너지변화 ( 즉 ph가 0 이아닌조건에서의표준자유에너지변화 ), R은기체상수, T는절대온도로표시한온도이다. 그런데 ΔG o = -RT lnk eq 이므로 ΔG o 은반응의성질 ( 혹은반응물과생성물의성질 ) 에만달려있고이들의 ( 시작점에서의 ) 농도에는무관하다. 그러나반응의진정한실제자유에너지변화, 즉 ΔG는반응의성질 ( 특성 ) 과함께반응시점에서의반응물과생성물의농도에도영향을받는것을볼수있다. 그러니반응의자발성을알려면 ΔG의부호와값을알아야하지만일일이세포내에서의물질들의농도를확인하기어렵기때문에대사반응들에서는대부분의경우 ΔG o 의부호와값으로그자발성을갈음한다. * 한반응의생성물이다른반응의반응물로이용될때두반응은짝지은반응들 (coupled reactions) 이라하는데 coupled reaction 들의전체반응의자유에너지변화는개개반응의자유 에너지변화의합과같다 * 열역학적으로비호의적인 ( 즉 ΔG 가양의부호인 ) 어떤반응이호의적인 ( 즉 ΔG<0 인 ) 반응과 짝지어지고전체반응의자유에너지가음이되면열역학적으로불리한반응도진행될수있다 15.2 ATP 는생체들에서자유에너지의보편적유통매체이다 ATP 가수분해는자유에너지가감소하는반응이다 *ATP (adenosine triphosphate) 는 RNA 생합성 ( 전사 ) 과정에도사용되는일종의뉴클레오티드 로서에너지요구반응에참여할때의실제활성형은 Mg 2+ 나 Mn 2+ 와의복합체이다. *ATP의 3개의인산기결합가운데바깥쪽 2개는인산무수물결합인데이결합은쉽게인산기를다른화합물에이전하는능력이있기때문에고에너지인산결합이라하고이결합을가지는 ATP는고에너지 ( 인산 ) 화합물이다. 인산화합물들의인산기전이능력은이들의가수분해반응 ( 물분자에로의인산기전이반응으로볼수있음 ) 의 ΔG o 값으로가늠할수있다. ATP와 ADP는이값이 -7.3 kcal mol -1 로서상당히음의값이다 ( 즉인산기전이능력이강한고에너지인산화합물이다 )
*NMP ( 뉴클레오시드일인산 ) + ATP NDP + ADP by NMP kinases NDP + ATP NTP + ADP by NDP kinases ATP 가수분해는짝지은반응들의평형을이동시킴으로써대사경로를진행시킨다 * 세포에서 ATP 한분자의가수분해는짝지은반응의반응물에대한생성물의평형비를 10 8 만큼이나변화시킬수있다. 따라서어떤반응 A B 가열역학적으로비호의적인반응일지라도그것을충분한수의 ATP 분자의가수분해반응과짝짓는새로운반응으로만들면호의적인반응으로바꿀수있다. * 이때반응물 (A) 와생성물 (B) 는매우일반적으로해석될수있다. 즉단순한일반적인화학종일수도있고, 동일한단백질의활성화된형태와비활성형태를나타낼수도있고 ( 인산화된단백질과탈인산화된단백질등 ), 또한세포의안과밖에존재하는동일한화학종을의미할수도있다 ATP 가높은인산기이동포텐셜을갖는것은 ATP 와 ATP 가수분해물들사이의구조적차이에 서오는결과이다 *ATP 의높은인산기이동포텐셜 (phosphoryl transfer potential) 은다음 3 가지요인에기인 : 1. 공명안정화 : 무기인산 (inorganic phosphate or orthophosphate, Pi) 의공명구조가 ATP 의 γ-phosphryl group 으로존재할때의공명구조보다더많다 2. 정전기적반발 : 생리적인 ph=7 에서 ATP 에는 4 개의음전하가, ADP 에는 3 개의음전하가 존재하므로척력으로인해 ATP 가더불안 3. 수화로인한안정화 : ATP 의인산무수물부분에결합하는것보다더많은물이 ADP 와 Pi 에 효과적으로결합할수있다 * 일반적으로고에너지결합은 ~ 로표시한다. 즉 AMP~P~P (ATP), AMP~P (ADP) 인산기이동포텐셜은세포의에너지변환의중요한형태이다 * 몇몇인산화합물들의가수분해반응의표준자유에너지변화 (ΔG o ) 는 ATP 보다더음의값으로크므로인산기이동포텐셜이 ATP보다더크다. 이런화합물들은 ATP로부터인산기를받는것이아니라오히려 ADP에인산기를이전하여 ATP를만들수있다. 이런인산기이동반응에의해 ATP가생성되는반응 ( 과정 ) 을 ( 기질수준의인산화라한다. 근육세포에많이존재하는크레아틴인산은이와같은고에너지인산화합물로서 ADP에인산기를전이함으로써 100m 경주시처음약 4초동안의 ATP 공급원으로기능
* 인산기이동포텐셜에서의 ATP 의이러한중간적위치는 ATP 가인산기운반체로써의효과적 인기능을발휘할수있게한다 15.3 탄소연료의산화는세포에너지의중요한원천이다 *ATP 는저장에너지형태가아니라끊임없이생성과소멸을반복하는에너지의현금형태이다 * 호기성생물들에서탄소산화의마지막전자받게는산소분자이고최종산화생성물은이산화 탄소이다. 더많이환원된탄소화합물 ( 유기화합물 ) 일수록더많은전자를내놓을수있어서더 많은자유에너지를방출하고따라서더좋은땔감 ( 에너지원, fuel) 이다. 지방 ( 중성지방 ) 이탄수 화물보다더효율적인에너지저장물질인이유는 1. 더많이환원된상태이고 2. 무수물로존 재하기때문 높은인산기이동포펜셜의화합물들은탄소연료들의산화를 ATP 합성에짝지을수있다 * 글리세르알데히드 3-인산 (G-3-P) 의알데히드기를카르복실산기 (COOH) 로산화하면서에너지가방출되고생물들은이방출되는산화에너지를유용한 ATP로획득하는데이는 G-3-P의 1 번탄소에무기인산을붙여이를고에너지인산화합물로만든후 ADP에이전시켜기질수준인산화에의한 ATP가생성되기때문. G-3-P + NAD + +Pi 1,3-BPG + NADH + H + 1,3-BPG + ADP 3-PG + ATP (16 장에서상세히 ) 막을가로지르는이온기울기들은 ATP 합성에짝지어질수있는중요한하나의세포에너지형 태이다 * 막을가로지르는이온들의기울기는전기화학적포텐셜을가지는중요한 (universal 한 ) 세포 의에너지형태의하나이다 * 막을가로지르는양성자기울기 (proton gradient) 가바로산화적인산화과정에서 ADP 로부 터 ATP 생성에필요한에너지를제공하는원동력이다 * 양성자농도기울기에의해생성된 ATP 는또다시다른이온들의농도기울기를만드는데사 용될수있고이렇게생성된이온들의기울기에의한전기화확적포텐셜은당이나아미노산, 혹 은다른이온들의능동수송에필요한에너지원이된다 에너지는음식물로부터세단계로추출된다 * 음식물들의에너지추출단계 : 1. 소화효소들에의한소화과정 : 단백질들은각종 proteases 들에의해아미노산으로, 다당류 는 α-amylase 등에의해단당류로, 그리고지방은 lipases 들에의해글리세롤과지방산들로분
해 ( 소화 ) 2. 단당류, 아미노산, 지방산들은공통적으로 acetyl CoA 로변환 ( 해당과정, 아미노산분해 과정, β 산화과정을통해서 ) 3. 생성된아세틸 CoA는 TCA cycle로들어가산화되면서이때빠져나오는전자들이 NADH, FADH 2 등을생성시키고, 이들속에들어있는고에너지전자 ( 다른산화제에잘전달되는전자 ) 들은미토콘드리아내막에박혀있는전자전달체들을경유하여산소분자에전달되는데이전달과정에서미토콘드리아내막의안팎에수소이온농도경사가발생하고, 퍼내어진수소이온이막에박혀있는 ATP 합성효소 (ATP synthase) 를통해다시물밀듯이안쪽으로 ( 기질로 ) 들어오게되는데이힘이에너지원동력이되어 ATP 합성반응 (ADP + Pi ATP + H 2 O) 에필요한에너지를공급함으로써 ATP 가합성 이것이산화적인산화반응에의한 ATP 합성 산화적인산화과정을이렇게수소이온의농도경사의존재로설명하는이론을화학삼투가설이라함 (by Peter Mitchel) 15.4 대사경로들은되풀이해서일어나는많은요소들을가지고있다 * 대사들은통합적 ( 공통적 ) 주제들로이루어져있기때문에보기보다복잡하지않다. 대사의통 합적주제들에는 1. 공통의활성화된운반체들의사용 2. 공통대사반응들의사용 3. 공 통조절체계들의사용이있다 활성화된운반체들의구조들을보면대사는단위 (module) 들로설계되어있으며또경제적으로 일어나는것을알수있다 * 몇안되는활성화된운반체들 (activated carriers) 이다양한생화학반응에서반복해서사용됨. 많은경우이들은보조효소들로기능함 1. 인산기의활성화된운반체 : ATP 2. 연료산화를위한활성화된전자운반체들 : NADH, FADH 2 이들은다양한탈수소효소들 (dehydrogenases) 의조효소들임. 이때 NAD + 속에들어가는 H 는두개의전자를가지고있는 hydride ion (H: or H - ) 임 SH 2 ( 기질 )+ NAD + S + NADH + H + by NAD + -specific dehydrogenases SH 2 ( 기질 )+ FAD S + FADH 2 by FAD-specific dehydrogenases 3. 환원적생합성을위한전자들의활성화된운반체는 NADPH인데이는 NADH와인산기하나의존재유무만다르지만기능은판이하게다르다. NADH속의전자는주로산화적인산화를통한 ATP ( 에너지 ) 생성용이고 NADPH속의전자 ( 즉 NADPH) 는에너지생성에는안쓰이고세포내의각종환원반응시에필요한전자를공급. 세포에서는 Pentose phosphate pathway에서대부분의
NADPH 와핵산구성에필요한 ribose 가생성됨 4. 아세틸기나아실그룹의활성화된운반체 : Coenzyme A (CoA) CoA 는 AMP + 판토텐산인산 + β- 머캅토에틸아민의구성성분들이공유결합된분자로써 아세틸기나 (acetyl CoA) 아실그룹의운반체로 (acyl CoA) 기능 ( 지방산생합성과지방산의베타산 화시에기능하는 fatty acyl CoA 등 ) *Acetyl CoA 나 acyl CoA 들은일종의 thioester 들인데 (R-C-S-CoA) 이들은공명구조의차이로 인해단순한 (oxygen)ester 들보다덜안정하므로 (= 불안하므로 =high energy compound) 아세틸기 나아실기를보다더쉽게이전 ( 전달 ) 한다 * 활성화된운반체들의사용의장점 : 1. 이들의이전 ( 운반 ) 반응은열역학적으로는매우호의적이나 (ΔG o <0) 효소들의개입없이는이들의운반과정이너무느리게, 실질적으로는거의일어나지않는다 ( 즉, 속도론적으로는매우비호의적, 즉안정적 ). 이런성질로인해반드시이들의운반과정에효소들이존재해야하는데세포는결국효소들의개입및이들의활성조절을통해운반과정의속도를조절할수있게된다. 2. 소수의공통된운반체들을많은대사회로에서공통적으로사용함으로써대사를단위들 (module) 로구성할수있고단순화시킬수있다 많은활성화된운반체들은비타민에서유도된다 * 비타민은생명유지에꼭필요한, 소량으로요구되는유기화합물들로써인간은이들을전혀 생성하지못하거나충분양생성하지못하기때문에음식을통해섭취. 현재 13 종류가알려져있음. 많은비타민들의유도체들 ( 특히비타민 B 류들 ) 은각종효소들의조효소들로기능함 *1. 수용성비타민 : B and C 2. 지용성비타민 : A, D, E, K *Vitamin B1 (thiamine, 티아민 ) thiamine pyrophosphate (TPP) 가조효소형태 : 알데히드기전 이반응의조효소. 부족하면각기병 염등 *Vitamin B2 (riboflavin) FAD 가조효소형태 : 산화 - 환원반응의조효소. 부족하면구순증. 피부 *Vitamin B3 (niacin, nicotinic acid, 니코틴산 ) NAD + 가조효소형태 : 산화 - 환원반응의조효소. 부족하면펠라그라병 ( 피부염, 우울증등 ) *Vitamin B5 (pantothenic acid, 판토텐산 ) CoA 가조효소형태 : 아실기전이반응의조효소
*Vitamin B6 (pyridoxal, pyridoxamine, pyridoxine) pyridoxal phosphate 가조효소형태. 아미노 산들의아미노기전이반응의조효소 *Vitamin B7 (biotin) 효소단백질들의 lysine 에결합한 biotin 이조효소형태. 카르복실화반응 및카르복실기이동반응의조효소 *Vitamin B9 (folic acid, 엽산 ) tetrahydrofolate ( 텟트라히드로엽산 ) 이조효소형태. Onecarbon unit 들 ( 메틸기, 포르밀기등 ) 의이동에조효소기능. 부족하면빈혈증, 신경관결함 *Vitamin B12 (cyanocobalamin, 시아노코발아민 ) 5 -deoxycobalamin 이조효소형태. 메틸기의 이동, 분자내작용기의자리옮김반응의조효소. 부족하면악성빈혈증 *Vitamin A (retinol): 시각 ( 부족하면야맹증 ), 성장, 생식과정에중요한신호물질로기능 병 *Vitamin C (ascorbic acid): 콜라겐생성반응및항산화기능. 부족하면콜라겐미숙으로괴혈 *Vitamin D (ergocalciferol, cholecalciferol): 칼슘및인의대사에관여. 부족하면구루병 *Vitamin E (tocopherol): superoxide radical이나 hydroxyl radical등의할성산소종 (reactive oxygen species, ROS) 을제거하는항산화제. 신호분자로기능. 부족하면불임 ( 정자생산의억제 ) *Vitamin K: 혈액응고에필요 중요한반응들은대사전체에걸쳐서되풀이된다 * 되풀이되는주요대사반응의종류 1. 산화-환원반응들 : 이반응들을촉매하는부류에는 3부류가있는데 dehydrogenases, oxidases, oxygenases들이다. 수소원자와함께전자를빼내는산화반응들은탈수소반응들이라하는데 NAD + 나 FAD를조효소로사용하는탈수소효소들 (dehydrogenases) 에의해매개되고, 기질에서전자를빼내어산소분자에직접전달하는반응을촉매하는 oxidases, 그리고산소분자의두산소원자중하나를기질에투입시키는반응을축매하는 monooxygenase, 산소분자의산소원자두개모두를기질에이전시키는 dioxygenase들이있다 2. 연결반응들 (ligation reactions): ATP 가수분해반응과연계하여 ( 도움을받아 ) 두분자의화합물을공유결합으로연결시키는반응 (C-C, C-N, C-S등의공유결합생성 ). Carboxylase, DNA ligase 등 3. 이성질화반응들 (isomerization reactions): 분자내원자들의재배열로이성질체를만드는반응들. Isomerases, mutases (isomerase의일종 ) 등에의해촉매
4. 원자단이동반응들 (group-transfer reactions): 인산기같은작용기를한분자에서다른분자로이동. 각종 trasnferases들에의해촉진됨. 특히 ATP의가장바깥쪽인산기 (γ-phsphate) 를다른분자에이전시키는반응을촉매하는효소들을 kinases들이라하는데이들도 transferase의일종이라볼수있다. 5. 가수분해반응들 (hydrolytic reactions): 물의첨가에의해어떤분자가분해되는반응들이 며 hydrolases 들에의해촉매된다. 각종 proteases, lipases, nucleases 들도이런 hydrolase 의일종 이다. 6. Lyase 촉매반응들 : 가수분해와산화반응에의하지않는화학결합의제거반응들로써반응 의결과이중결합이생성되기도하고역으로 ( 역반응에서는 ) 이중결합에작용기가붙어 ( 첨가되어 ) 단일결합이생성되기도한다. Decarboxylases, dehydratases, aldolase 등이이부류에해당 대사과정들은세가지주요한방법들로조절된다 * 대사의주요한 3 가지조절방법 : 1. 효소의양조절 : 효소들은단백질들이니까결국단백질의양조절이고단백질들은유전자 들로부터전사와번역과정을통해서생성되니결국이방법은효소유전자들의발현조절에의함 2. 촉매활성 (enzyme activity) 조절 : 크게보아두가지방법이있음 2-1. 다른자리입체적조절 (allosteric regulation): 이방법에의해조절되는효소들은효소의기질결합부위인활성부위 (active site) 외에활성조절인자들이결합하는조절부위 (allosteric site) 가있어서여기에활성화인자 (allosteric activator) 들이결합하면효소의구조변화로 active site에기질의결합이촉진되어활성이증가하는반면에이부위에활성억제인자 (allosteric inhibitor) 들이결합하면효소의구조변화로활성이감소한다. 되먹임저해 (feedback inhibition) 란일련의대사경로의마지막단계들의생성물이초기단계들의효소의 allosteric site에붙어서활성을저해하는 allosteric inhibition의일종이다 2-2. 공유결합적변형에의한조절 (regulation by covalent modifications): 효소단백질들의특정아미노산에서공유결합이형성혹은제거되면서구조변화가야기되어효소들의활성이조절되는방법으로대표적인공유결합으로는인산화 / 탈인산화 (phosphorylation/dephosphorylation) 가있다. 이때 ATP의 γ-phosphate기를 ( 효소 ) 단백질들에이전시켜단백질들을인산화시키는효소들을통칭하여단백질인산화효소 (protein kinases) 들이라하고, 반대로단백질에붙어있는인산기를가수분해하는효소들을 ( 인산 ) 단백질탈인산화효소 (protein phosphatases) 들이라한다. 많은호르몬들은신호전달과정중 target 효소들의인산화 / 탈인산화를통해서대사를조절. 많은 ( 에너지 ) 대사반응들은세포내의에너지상태에의해서조절되는데이것또한궁극적으로는다른자리입체적
조절이나공유결합적변형에의한조절로귀결된다. 세포의에너지상태는주로 에너지부하지수 나 인산화포텐셜지수 로나타내는데둘모두세포내에너지가풍부하면 ( 즉 ATP 농도가높으면 ) 지수가커진다. 이지수가커지면에너지추출 ( 생성 ) 대사경로 ( 해당이나 TCA cycle 등 ) 들은억압되고 ( 속도가떨어지고 ) 이지수들이낮아지면이들경로들의속도는커진다. 3. 기질접근성의조절 : 진핵생물들은세포내에자체의막구조를가지는다양한소기관들의존재로인하여효소들의기질접근성이자연스럽게조절된다. 효소들은그활성이기질의유입량에비례하므로세포질과소기관들사이의기질의유입량의조절이중요한조절의한방법이다. 지방산산화는미토콘드리아, 지방산합성은세포질에서일어나므로어느곳에지방산이존재 ( 이동 ) 하느냐가조절의포인트가될수있다. 이와같은세포소기관들에의한칸의형성은같은장소에서일어나면혼동이올대사들을격리시킨다. 대사의양상은 RNA 세계에서진화되었을수있다 *RNA 세계 : RNA가현재의단백질과 DNA의역할까지모두했을것으로추정되는원시생물계를일컫는용어로몇가지남겨진진화의흔적들이이가설을뒷받침한다. 즉촉매 RNA (ribozyme, riboenzyme) 들의발견, DNA 구성단위인 deoxyribonucleotide들은 RNA 구성단위들인 ribonucleotide들이생성된후이들의환원이나메틸화반응에의해서후행적으로생성되는점, RNA genome을가진 virus들의존재등이아직도남아있는 RNA world의진화의흔적들이다. 그리고이장에서살펴본많은조효소들 (NAD +, FAD, CoA 등 ) 과 ATP는모두다그구조속에 RNA에사용되는 ATP의소단위, 즉 ADP나 AMP 성분요소를가지고있는것으로보아이들도그옛날에는모두독립적인촉매제였으나단백질의진화후에는조효소들로역할이바뀐것이아닐까?