제 4 주차 : 15 장계속 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 NADPH와핵산구성에필요한 ribose가생성됨 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 : 알데히드기 전이반응의조효소. 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
*Vitamin C (ascorbic acid): 콜라겐생성반응및항산화기능. 부족하면콜라겐미숙으로괴혈 병 *Vitamin D (ergocalciferol, cholecalciferol): 칼슘및인의대사에관여. 부족하면구루병 *Vitamin E (tocopherol): superoxide radical 이나 hydroxyl radical 등의할성산소종 (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 ) 두분자의화합 물을공유결합으로연결시키는반응 (C-C, C-N, C-S 등의공유결합생성 ). Carboxylase, DNA ligase 등 3. 이성질화반응들 (isomerization reactions): 분자내원자들의재배열로이성질체를만드는 반응들. Isomerases, mutases (isomerase 의일종 ) 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 ) 대사반응들은세포내의에너지상태에의해서조절되는데이것또한궁극적으로는다른자리입체적조절이나공유결합적변형에의한조절로귀결된다. 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?