Chapter 6 탄수화물및글루코스의분해 생명과학의기초생화학
6 장의개요 6.1 탄수화물의구조 6.2 에너지대사및해당작용 6.3 트라이카복실산회로 (TCA회로) 6.4 TCA회로의반응들 6.5 글라이옥실산회로
6.1 탄수화물의구조 소개 - 폴리하이드록시알데하이드와케톤또는가수분해에의해서하나를배출하는물질실험식은 (CH 2 O)n - 단당체 : 가장간단한당은트리오스. 알도스형태 글리셀알데하이드, 케토스형태 다이하이드록시아세톤 - 올리고당 : 가수분해하여두개에서여섯개의단당체를포함하는화합물, 물에잘녹고, 단맛을가짐 - 헤테로다당체 : 두개이상의서로다른단당체가중합된화합물
입체이성체의화학 - 구조이성체 분자식은같으나구조식이다른화합물 - 입체이성체 : 분자식과같은구조, 원자의배열이서로다른분자 (1) 광학이성질체 (2) 기하이성질체 시스 (cis), 트렌스 (trans)
1. 광학이성체 - 탄수화물의분자가한개나그이상의비대칭 (chiral) 또는대칭탄소원자를가질때나타남 삼각추의중심 - 비대칭탄소 : 네개의그룹이공간에서두개의다른방법 포개지지않고거울상대칭 - 거울이성질체 (enantiomer) 의쌍 비점, 융점, 용해도동일 - 광학활성편광의면 : 시계방향 우선성시계반대방향 좌선성
2. D- 글리셀알데하이드를기준화합물
- 반트호프 : 비대칭탄소원자의수 n 이라할때가능한광학이성체의수 2 n 개 - 알도헥소스네개 2 4 =16 개프럭토스세개 2 3 = 8 개 - 부분입체이성체 (diastereomer): 두광학이성체가서로거울이성체가아닌것 - 한개의비대칭탄소에서구조가다른부분입체이성체 에피머 (epimer) - D(+) 글루코스 D(+) 만노스의에피머 D(+) 갈락토스의에피머
글루코스의구조 - 피숴 : 네개의대칭탄소원자의구조를갖는알도헥소스와 D(+) 글리셀알데하이드관계구조확립
- 알데하이드와알코올사이의특징적인반응 헤미아세탈 - 여섯원소고리 : 피란 피라노스다섯원소고리 : 퓨란 퓨라노스
- 하워드 (Howard) 식 α-d(+) 글루코스와 β-d(+) 글루코스로비교 헤미아세탈고리 (110 o ) C-O-C 의결합각 사이클로헥세인고리 (109 o ) C-C-C 의각도와서로비슷 평면보다뒤틀림 구조적인긴장
- 의자형구조 비틀림긴장의최소화 - 실제로 β-d-(+) 글루코피라노스 63% - α-d-(+) 글루코피라노스 36%
다른단당체의구조 - 펜토스인핵산의성분 D- 라이보스는퓨라노스, 2- 데옥시라이보핵산의성분인 2- 데옥시 -D- 라이보스역시퓨라노스당
- 광합성탄수화물 : D- 에리뜨로스, D- 자일루로스, D- 리뷸로스, D- 세도헵튤로스 - 세포막성분 : L- 람노스, L- 퓨코스
- 두개의아미노당 : D- 글루코사민 곤충, 갑각류에서발견되는카이틴의성분 D- 갈락토사민 관절의다당류의주된성분
단당체의성질 1. 상호회전 - 글루코스가약알칼리에노출되면얻어지는혼합물은프럭토스, 만노스들모두갖게됨 - 단당체 : 강한산 탈수되어하이드록시메틸풀프랄 - 풀푸랄 + 알파나프톨 = 당을정성적으로확인하는방법
2. 환원당 - 자유로운알데하이드, 케톨그룹 환원제로알칼리용액에서구리나은은금속이온으로환원되는능력을가짐 - 베네딕트시약에서 Cu +2 가환원되면 Cu + 이온은덜녹고알칼리용액에서 Cu 2 O 의침전의형성으로노란색또는붉은색고체가나타남 - 알도헥소스의알데하이드그룹은중성 ph 에서약한산화제나효소에의해서카복실산으로쉽게산화 - 단일카복실산 알돈산 - 다이카복실산 알달산
- 유론산 : 일차알콜의산화로해당하는단일카복실산 - 갈락유론산, 글룩유론산은많은다당체의성분으로중요 - 알데하이드나케톤기 수소나 NaBH 4 환원 - 알콜 : D- 솔비톨 들장미열매 D- 만니톨 엘지나균류
3. 글라이코사이드의형성 - 글라이코사이드나아세탈형성 메탄올 + HCl - 메틸글라이코사이드 : 알데하이드 알코올 - 당분자의알콜성하이드록시그룹 다른당의헤미아세탈그룹 글라이코사이드는이탄당이됨
올리고당 ( 이당체 ) - 이당체 : 말토스 (α-1,4 결합 ) - 셀로바이오스 (β-1,4- 글라이코사이드결합 ) 환원당, 상호회전
- 아이소말토스 (α-1,6- 글라이코사이드결합 ) - 락토스 (β-1,4)
- 수크로스 (α-1,2) 글루코스 + 프럭토스 - 트리할로스 : 글루코스 (α-1-1-α) 곤충의액체성분
다당체 - 동종다당체 : 가수분해시한가지형태의단당체분자를만드는다당체 - 이종다당체 : 다당체의가수분해로여러다른단당체성분의혼합된형태의생성물이얻어질때
1. 에너지보존형다당체 - 아밀로스 : 분자량수천에서 150,000 정도 - 비환원성말단과환원성말단동시에가짐 - 아이오딘처리 청색 나선형코일내부아이오딘차지
- 아밀로펙틴 가지사슬을가짐, 분자량 500,000 정도 - α- 아밀레이스 α-1,4 연결의절단 - β- 아밀레이스 아밀로스비환원성말단공격 지속적인말토스단위배출 - α-1,4 글루코시데이스를사용하여가지지점에서의결합을가수분해시킴
- 동물의에너지보존형다당체글라이코젠 - 가지사슬점에서 8~10 개의글루코스단위 - α 와 β- 아밀레이스처리시 제한된덱스트린생성 - 이뉼린 : 달리아, 뚱단지뿌리 프럭토스단위 β-2,1- 글라이코사이드결합
2. 구조다당체 - 셀룰로스 : D- 글루코피라노스단위가 β-1,4 로결합된동종다당체 - 나무의목재 셀룰로스와리그닌으로구성됨 - 부분적인가수분해 이당체, 셀로바이오스 - 흰개미, 달팽이 셀룰레이스
- 식물의다른구조적인다당체 펙틴 (D- 갈락토스 ), 헤미셀룰로스 (β-1,4 D- 자일로스 ) - 갑각류의껍질이나곤충의비늘을구성 카이틴 (N- 아세틸 D- 글루코사민의동종중합체 )
- 뮤코다당체 : 높은분자량을갖는젤라틴같은물질 - 일반적인뮤코다당체인하이얄유론산은 D- 글룩유론산과 N- 아세틸 D- 글루코사민 이당체단위가교대로들어있는이종다당체 - 콘드로이틴 (β-1,3) N- 아세틸 D- 갈락토사민 - 콘드로이틴의황산에스터 관절, 힘줄, 뼈성분
- 당지질, 당단백, 뮤코다당체 - 박테리아세포벽 : 아미노산에연결된다당체 펩티도글라이칸 - 단위 : N- 아세틸 D- 글루코사민과 N- 아세틸뮤람산이 β-1,4- 글루코사이드결합으로구성된이당체 - 면역감응, 세포성장, 분화
6.2 에너지대사및해당작용 에너지의생화학 - 세포에서합성 anabolic - 세포에서붕괴 catabolic 1. 자유에너지의측정
2. 고에너지화합물 (1) 이인산화합물 - ph 2~3 일차수소 / pk a 6.5 이차수소이온화
- ATP ADP - G-6-P G 의가수분해비교 - 반응물보다생성물현저하게안정 에너지큰감소 - 안정성에영향을주는원인 (1) 정전기적인반발 긴장된결합 (2) 이온화로인한생성물의안정화 (3) 이성화를통한생성물의안정화 (4) 공명에의한생성물의안정화
- ATP 의경우 : ph 7.0 에서이인산부분이완전히이온화 고에너지화합물 - P=O 에결합된전자들 전기음성적인산소에끌려원자에부분적으로음하전을갖게만듦 - 인 - 산소결합이극성화로인해인원자의부분에양하전을띠게됨
- ATP 의이인산구조에서근처의인원자가갖는양하전의존재때문에, 이때분자에는근처의하전들사이의정전기적인반발을이기려는 충분한내부에너지를포함하게됨 - 가수분해에의해서이인산구조가파괴되면에너지발산 -ΔG 값이증가하는원인
- 글루코스 -6- 인산 하전의반발이없음 - AMP 에서아데노신으로가수분해는반발이없음 - ΔG = -2200(pH,7.0)
- ATP ADP AMP + Pi ΔG =-8600cal
- 생물체에서 ATP-ADP 에너지체계는매우중요한기능 (1) 이인산가수분해효소 2 몰의무기인산생성 (2) ATP + AMP 2 몰의 ADP
(2) 아실인산 - 1,3- 이인산글리셀산 아실인산의좋은예표준자유에너지값은 11,8kcal/mol
- 아실인산그룹의 C=O결합 이중결합에서전자를전기음성인산소에보내려는경향 상당히극성성질 - 탄소와인원자사이의부분적인양하전간의반발을이기려는에너지필요 - ph 7.0에서일, 이차수소이온이이온화되고무기인산에서삼차수소는이온화되지않음 가깝게
(3) 에놀인산 - ADP ATP 로재생반응에 인산에놀피류브산 (PEP) 필요로함 고에너지에놀인산가수분해로얻어지는자유에너지변화 ph 7 에서 14,800cal/mol
- 불안정한에놀형 피류브산에놀형 인산에스터결합에의해서 PEP 로안정화 에놀형은곧이성화 더욱안정한케토구조 토토머화 (PEP 생물체에서가장높은에너지 )
(4) 싸이올에스터 - ADP 로부터 ATP 를만드는데사용되는화합물은싸이올에스터인아세틸 CoA ΔG = -7500cal/mol
(5) 구아니듐인산 - 포유동물 인산크레아틴과인산아르지닌
- 포스파젠 (phosphagen) - 효소 ATP 에의해서인산화로얻어짐 - 인산아르지닌 가수분해공명안정한구아니듐그룹생성
- ATP ADP 가표의중간위치 그래서 ATP 가에너지이동에관여하는많은다른반응에관여하는독특한특성
다른뉴클레오타이드의활용 - UTP: 다당체의생합성에만사용 - GTP: 단백질의합성 - CTP: 지질의합성 - UTP, GTP, CTP 는 ATP 와함께 RNA 합성에관여 - 고리형 AMP(cAMP) 고에너지이나알려진기능없음 이차신호전달체
3. 반응의연결 - 세포내의발열반응의에너지 관련되는흡열반응의진행에사용 공통적인중간체를갖는연결반응을통하여 ( 글루코스 젓산의전환과정 ) - D- 글리셀알데하이드 -3- 인산은산화되어 3- 인산글리셀산을얻게됨 - 이반응은수화된형태의알데하이드 두개의수소원자제거로발생
- 이반응 11,800cal 을소비하는아실인산인 1,3- 이인산글리셀산의중간체를참여시킴 - 실제 1,3- 이인산글리셀산형성반응 산화환원반응과인산화반응이연결됨
- 아실인산은 ATP 합성에사용
- 반응 6-19 의 ΔG 는반응 6-17 의 ΔG 에반응 6-18 의 ΔG 를더하여계산됨
해당작용 1. 소개 - 탄수화물은살아있는유기체가필요한주된에너지원 - 동물에서탄수화물은주로간 (2~8%) 이나근육 (0.5~1%) 에글라이코젠으로저장 - 근육에저장된글라이코젠은한정된시간에수축작용의중요한에너지원으로사용 - 대사과정을통하여전분이나글라이코젠으로부터얻어지는최종화합물 글루코스
2. 해당작용의정의 - 글루코스가혐기성으로붕괴되는반응들의순서 해당반응과정 - 이경우에는어떤과정의반응을거쳐해당작용 (glycolysis) 의중간체로얻어지고, 순서의해당작용을거치게됨
3. 알콜의발효 - 1 몰의글루코스에서 2 몰의탄산가스와에탄올이생성 - 주로효모나몇개의다른미생물에서일어나는알콜발효과정은해당작용반응의순서에서마지막두반응만을제외하고는해당작용의여러반응과동일
해당과정의반응들 - 글루코스가혐기적으로붕괴되는반응들의순서 1mol 의글루코스가 2mol 의젓산이되는과정 - 글루코스 젓산 10 개반응이관여 - 첫네개의반응 : 글루코스 D- 글리셀알데하이드 -3- 인산 - 준비단계의 4 반응 : 글루코스분자가인산화되는글리셀알데하이드 -3- 인산이형성되기이전의반응
1. 1 단계 - 반응 1: 글루코스 글루코스 -6- 인산 헥소스인산화효소 광범위한기질특이성 생성물에의해서효소활성이방해
- 반응 2: 글루코스 -6- 인산 프럭토스 -6- 인산 인산헥소스이성화효소 글루코스 -6- 인산의이성화반응촉매 골격근육에광범위하게정제됨 실제당의열린사슬형태가관여 엔다이올중간체
- 반응 3: 프럭토스 -6- 인산 프럭토스 -1,6- 이인산 인산프럭토스인산화효소 대사조절에중요효소 다른자리입체성효소 ATP, 시트르산은프럭토스 -6- 인산의합성방해 AMP, ADP, 프럭토스 -6- 인산은효소를활성화
- 반응 4: 프럭토스 -1,6- 이인산 글리셀알데하이드 -3- 인산 + 다이하이드록시아세톤인산 알돌레이스 : 와브륵에의해서광범위하게정제 케토스의일인산이나이인산의붕괴반응을촉매 반응에두개의생성물 왼쪽 오른쪽 역반응 알돌축합반응
2. 2 단계 - 반응 5: 글리셀알데하이드 -3- 인산 다이하이드록시아세톤인산 트리오스인산이성화효소 글리셀알데하이드 -3- 인산의산화 케토스인산 진화시트리오스인산이성화효소발생
- 반응 6: 글리셀알데하이드 -3- 인산 1,3- 이인산글리셀산 글리셀알데하이드 -3- 인산탈수소효소 산화환원관여에너지발생단계 고에너지인산화합물의생성 아실인산의형성
산화제로조효소인 NAD + 가관여 트리오스인산탈수소효소 환원된상태의 SH 그룹 아이오도아세트아마이드 비가역적으로 -SH 그룹에부착
글리셀알데하이드 -3- 인산탈수소효소 NAD + 효소존재하에알데하이드의산화 싸이오에스터 아실 - 효소화합물의 NADH 가 NAD + 로교환 효소아실그룹 무기인산
- 반응 7: 1,3- 이인산글리셀산 3- 인산글리셀산 1,3- 이인산글리셀산인산화효소 ATP 생성
- 반응 8: 3- 인산글리셀산 2- 인산글리셀산 인산글리셀산전환효소
인산글리셀산전환효소 활성의보조인자로 2,3- 이인산글리셀산을필요로함 메커니즘 : 효소는 2,3- 이인산글리셀산 이인사화된효소 해리되어일인산화된효소와 3- 인산글리셀산과 2- 이성체를만듦
- 반응 9: 2- 인산글리셀산 인산에놀피류브산 에놀레이스 2- 인산글리셀산의탈수로고에너지의인산에놀피류브산의형성 탈수로전자의재배치 Mg 2+ 필요, F - 방해제
- 반응 10: 인산에놀피류브산 피류브산 피류브산인산화효소 활성에 Mg 2+, K + 이필요
3. 피류브산에서젖산의생성반응 ( 젖산탈수소효소 ) - NADH 에의한환원 L(+)- 젖산생성 - NADH 는 NADPH 보다 170 배빠르게반응에기여 - 젖산탈수소효소 동위효소 - 심장 H4 형, 골격근육 M4 형 - H4 형 : 낮은수준의피류브산의농도에서활성, 10-3 M 이상에서방해 - 심장 지속적인에너지공급, 글루코스 피류브산전환 - 피류브산 TCA 회로를통하여 CO 2, H 2 O 를만듦
알콜의발효 - 효모와근육 피류브산이후의대사가다름 - 효모에는피류브산탈카복실화효소 ( 피류브산 아세트알데하이드 + CO 2 ) - 동물의피류브산탈카복실화효소는타이민이인산 (TPP) 과 Mg 2+ 를조효소로필요 - 아세트알데하이드 알콜탈수소효소 알콜, NADH 관여
ATP 의생성 - 글루코스 G-6-P -ATP - F-6-P F-1,6-P -ATP - 1,3-BPG 3-PG +2ATP - PEP 피류브산 +2ATP
1. 다른탄수화물의활용 (1) 갈락토스의활용 - 갈락토스 Gal-1- 인산
- 간의 UDP 갈락토스이인산가인산분해효소 UDP- 갈락토스
- UDP-Gal UDP-G - UDP- 글루코스에피머화효소
- 갓난아기 인산갈락토스유리딜이동효소 - 유전병 : 갈락토시미아 (galctosemia) 유아갈락토스대사불가능 - 백내장으로발전, 정신지체아
(2) 글리세롤의활용 - 글리세롤 글리세롤 -3- 인산 - 글리세롤인산탈수소효소 다이하이드록시 - 아세톤 - 인산으로 NAD + 산화제
(3) 글루코스 -1- 인산의활용 - 전분, 글라이코젠에서얻어짐 - 인산글루코스전환효소 (mutase)
(4) 다당체의활용 - 다당체 : 덱스트린 말토스, 아이소말토스, 글루코스 - 이당체 : 말테이스와아이소말테이스 글루코스로쪼개짐 - α- 아밀레이스 직선의다당체 글루코스와말토스 - 아밀로펙틴 α-1,6, 결합 β- 아밀레이스 비환원성말단으로부터말토스생성 - 가인산분해효소 사슬의절단
2. 해당과정의조절 - 근육에서해당과정의조절효소 가인산분해효소 헥소스인산화효소 인산프럭토스인산화효소 피류브산인산화효소 글루코스신생합성의조절 피류브산카복실화효소 프럭토스 -1,6- 이인산가수분해효소 글루코스 -6- 인산가수분해효소 글라이코젠합성효소
3. 글라이코젠대사의조절 - 동물조직에서 가인산분해효소, 글라이코젠합성효소 연쇄확장 (cascade) - 가인산분해효소 b 가인산분해효소 a 가인산분해효소인산화효소에의해서촉매
- ( 골격근육 ) 단백질인산화효소 R 2 C 2 camp 가 R 소단위체에부착
촉진제홀몬 - 에피네프린 증가되는글라이코젠의붕괴 글라이코젠합성의감소 - 췌장의렝거헨섬 α- 세포글루카곤 ( 에피네프린가같은작용 ) - β- 세포 인슐린 : 1. 글라이코젠합성효소인산화효소 -3(G 나 -3) 방해 2. 단백질인산화효소의활성화 글라이코젠붕괴의억제 - 글루코스가글라이코젠으로합성유도 혈액의글루코스농도저하
탄수화물대사관련질병 (1) 대사조절에관련된질병 : 당뇨병 - 인슐린부족 : 혈액의글루코스농도증가 - 소변에글루코스배출, 40 ~ 60 대 - 초기증상 다뇨, 갈증, 나른함 - 글라이코젠합성효소인산화효소 억제 - 인슐린민감한단백질인산화효소활성의증가 단백질가인산분해효소 (PP1) 활성화 - 가인산분해효소인산화효소의활성방해 글라이코젠가인산분해효소활성을억제 - 결과 : 글라이코젠파괴의억제 혈중글루코스농도감소
(2) 선천성대사관련질병
4. 에너지충전도 - 해당과정 : ATP, ADP 에의한조절 아데닐산인산화효소 - 세포의반정도의 ADP 를 ATP 로되돌리는메커니즘 특정시간에 ATP, ADP, AMP 신진대사활동에따라좌우 - 에너지충전도 = 충전지와유사 - 세포내의모든 AMP ADP ATP 에너지충전도 1.0 - 모든아데노신이 ADP 로존재 0.5 - 모든 ADP ATP 0
6.3 트라이카복실산회로 (TCA 회로 ) 소개 - 트라이카복실산회로 (TCA) = 시트르산회로 = 크랩스 (Krebs) 회로 - 아세트산 ( 아세틸 CoA) CO 2 와물로산화 - 산화되면서 기질로부터제거된전자 산소분자에최종적으로이동 호기성과정 - 살아있는유기체 피류브산과젖산이더욱산화 에너지생성
- 글루코스가완전산화로 CO 2 와물로되는과정자유에너지변화 ΔG =-686,000cal - 글루코스에서젖산 ΔG =-47,000cal - 글루코스에서얻을수있는 7% 의에너지에해당 - -639,000cal 에너지는원래글루코스가완전히산화되어 2 몰의젖산이될때배출되도록남아있음 - 몰당산화된젖산의 ΔG =-319,000cal
피류브산의산화로아세틸 CoA - 반응 1: 피류브산 + CoASH 아세틸 CoA( 피류브산탈수소효소 ) - 조효소 : CoA, NAD +, 리포산, FAD, Mg 2+, TPP
- 반응메커니즘 : 피류브산 탈카복실화 피류브산탈수소효소에 TPP 부착 아세톨착염형성
- 아세톨그룹 : 다이하이드로리포일트렌스아세틸레이스에공유결합된산화된리포산으로이동 싸이오에스터결합형성
- 아세틸그룹 CoA 에이동 아세틸 CoA 형성
- 다이하이드로리포산탈수소효소의환원된리포산부분 FAD 포함플라보단백질, 다이하이드로리포산탈수소효소 재산화되어고리형리포형태
6.4 TCA 회로의반응들 - 반응 2: 아세틸 CoA + 옥살아세트산 시트르산 - 시트르산합성효소 높은농도의 NADH 와석시닐 CoA 에의해서방해
- 반응 3: 시트르산 아이소시트르산 ( 아코니데이스 ) - 트라이카복실산의카보늄이온 실제중간체, 이이온은아코니테이스에의해서상호전환, Fe 2+ 필요
- 반응 4: 아이소시트르산 α- 케토글루탈산 - 아이소시트르산탈수소효소 2 가양이온 (Mn 2+, Mg 2+ ) - 산화적인 β- 카복실화 CO 2 발생, NAD + 산화제 - 초기의산화 옥살석신산생성 β- 케토산 - 다른자리입체성조절 아이소시트르산, AMP 활성제로작용
- 반응 5: α- 케토글루탈산 석신산 CoA - α- 케토글루탈산탈수소효소 - α- 케토산 산화적인 α- 탈카복실화 석신산 CoA 보조효소 : TPP, Mg 2+, NAD +, FAD, 리포산, CoA - 반응메커니즘 : 피류브산탈수소효소와동일
- 반응 6: 석신산 CoA 석신산 - 석신산싸이오인산화효소 - 싸이오에스터소비 고에너지인산구조형성
- 반응 7: 석신산 퓨말산 - 석신산탈수소효소 - 석신산에서두개의수소제거 퓨말산 - 전자의수용체 플라빈보조효소 - 비힘철 - 말론산에의해서경쟁적으로방해
- 반응 8: 퓨말산 L- 말산 - 퓨마레이스 - H 2 O 더하여 L- 말산합성
- 반응 9: L- 말산 옥살아세트산 - 말산탈수소효소 - 말산의산화로옥살아세트산을만드는반응을수행함으로써완성 - 산화제 NAD +
트라이카복실산회로 (TCA) 의조절 - 말론산석신산탈수소효소의강력한방해제 - 플루오로시트르산 아코니테이스의방해제 - NAD + 의지속적인공급 TCA 회로의지속 - 피류브산탈수소효소 NADH 와아세틸 CoA 의증가로활성방해 - 시트르산합성효소와아이소시트르산탈수소효소 ATP, NADH 는방해 - 에너지충전도 TCA 운영속도에영향
- α-케토글루탈산 : 글루탐산, 글루타민, 오르니틴, 프롤린, 하이드록시프롤린의탄소골격기초 - 석신산 CoA: 헤모글로빈, 마이오글로빈, 폴피린합성의중간체
6.5 글라이옥실산회로 - 아세트산 글라이옥실산회로를통하여탄수화물로전환됨 - TCA 반응의우회로 CO 2 생성반응을제거
- 아이소시트르산파괴 석신산과글리옥살산 - 글라이옥살산 + 다른아세틸 CoA 생성 - 아이소시트르산 석신산 + 글라이옥살산 - 글라이옥살산 + 아세틸 CoA 말산생성