제 13 주차 : 21 장 Chapter 21: 글리코겐대사 * 포도당은중요연료이고수많은생체분자들의생합성전구체들의선구물질이지만높은농도로저장할수없는데그이유는세포의삼투발란스를깨트려세포손상이나죽음을유발하기때문이다. 따라서동물세포는비삼투성의포도당의 α-1,4 및 α-1,6 중합체인글리코겐 (glycogen) 의형태로포도당을 ( 에너지를 ) 저장한다 * 글리코겐보다지방산이 ( 중성지방이 ) 훨씬효율적인에너지저장물질인데도동물세포들이모 든연료를지방으로저장하지않고 ( 동물에서는지질 탄수화물의순수변환이불가함을상기하시 오 ) 일부를글리코겐으로저장하는이유는 : 1. 장기간의기아시외에는포도당연료만요구하는 뇌나적혈구세포를위한적절농도의혈당을유지하기가용이 2. 갑작스럽고폭발적인근육운동 시에필요한좋은에너지원인포도당을쉽게유리 3. 또한지방과는달리무산소환경에서도포 도당은에너지공급가능 ( 발효를통하여 ) * 글리코겐은간과근육에다량존재하는데간은주로혈당유지를위해, 근육은자신의에너 지수요에맞춰사용하고조절된다 글리코겐대사는조절된포도당의방출과저장이다 * 간에서의글리코겐분해및이용은 Glycogen G-1-P (by glycogen phosphorylase) G-1-P G-6-P (by phosphoglucose isomerase) G-6-P Glucose (by G6Pase. 이효소가근육에는없기때문에근육은글리코겐을혈당조절에 사용못하고 gluconeogenesis 도못함 ) G-6-P Ribose + NADPH (by Pentose phosphate pathway) * 글리코겐이생합성될때단위체인포도당은 UDP-glucose 라는활성형으로반응에참여한다 * 글리코겐의분해및합성의조절은 : 1. 개개세포의필요 ( 상황 ) 에부응하기위해서는 allosteric regulation 으로 2. 개체전체의필요 ( 상황 ) 에대처하기위해서는호르몬들의신호전달 작용에의한관련효소들의인산화 / 탈인산화에의한활성조절 ( 혹은효소단백질들유전자들의발 현조절에따른단백질들의양조절 ) 로조절된다. 21.1 글리코겐분해는몇가지효소들의상호작용을필요로한다
( 글리코겐 ) 가인산분해효소 (glycogen phosphorylase) 는글리코겐의가인산분해반응 ( 무기인산의 첨가에의한분해반응 ) 을촉매하여 Glu-1-P 을유리시킨다 * 글리코겐 n + Pi G-1-P + 글리코겐 n-1 (by glycogen phosphorylase) * 이효소는글리코겐의비환원성말단 (anomeric carbon=c 1 이 glycosidic bond 에사용된말 단, 즉 C 4 가자유 OH 를가지는말단 ) 에서부터차례로작용 * 이반응의 ΔG o 은거의 0에가까운평형반응에가깝지만세포에서이반응은가인산분해방향쪽으로잘일어나는데그이유는세포내의 Pi/G-1-P의비율이 100보다클정도로 Pi가상대적으로과량존재하기때문이다 ( 즉실제의 ΔG는음의값이라는의미. ΔG o = ΔG o + RTln [P]/[R] 임을상기하시오 ) * 가인산분해반응에의해글리코겐이분해되어 G-1-P로되는것은단순한가수분해에의해글리코겐이분해되는것보다에너지측면에서이익이다. 왜냐하면가수분해후에는또다시 ATP를사용하여 G-6-P로만들어야하기때문이다. 근육에서는가인산분해반응으로글리코겐이분해되는것이또하나의잇점을주는데그것은 G-1-P의운반체가없고음이온으로인해근육세포밖으로빠져나갈수없기때문이다 효소작용기작 : 피리독살인산이글리코겐의가인산분해에관여한다 * 이반응이 retention of configuration (configuration 유지 ), 즉반응전말단포도당의 C1에서의 α configuration이반응후유리포도당에서도그대로 α로유지되었다는것은친핵제 (nucleophile, 여기서는 Pi) 의 backside attack에의하여 5가의 trasnsition state를수반하는 SN2 반응 ( 이반응은 inversion of configuration 을야기함 ) 으로진행되지않고 carbonium ion (carbocation, C + ) 의중간체생성을수반하는 SN1 반응으로진행될것으로예측된다. * 이효소는비타민 B6의조효소형태중하나인 pyridoxal phosphate (PLP) 를조효소로사용하는데이는조금뜻밖이다. 왜냐하면 PLP는주로아미노기전이효소들 (transaminases =aminotransferases) 의조효소로작용하기때문이다. 이효소반응에서 PLP는 general acid-base 로작용함으로써 carbocation의생성에기여한다. 이역할을물이할수있지만활성부위에물이있으면글리코겐이단순한가수분해반응이일어날수있기때문에물은효소의활성부위에서배제되어야하고물의역할을 PLP가대신한다고볼수있다 글리코겐분해에는가지를제거하는효소도필요하다 * 가인산분해효소는 α-1,4 결합만가수분해하고가지가난지역의 α-1,6 결합에는작용할수 없기때문에이들가지난지역을분해하기위해서이동효소 (transferase) 와 α-1,6- 글루코시드 가수분해효소 (α-1,6-glucosidase=debranching enzyme) 들의추가적인작용이필요하다
Phosphoglucomutase 가 G-1-P 를 G-6-P 로전환시킨다 * 활성화된 phosphoglucomutase 는활성부위의 serine 잔기가인산화되어있어기질과인산기를 교환한다 G-1-P + E-Ser-P E-Ser + G-1,6-BP G-6-P + Enz-Ser-P 간은근육에는없는 G-6-Pase 를함유하고있다 * 간은 G-6-P + H 2 O Glucose + Pi 의반응을촉매하는 G6Pase 를가지고있어서글리코겐에 서유리시킨포도당을혈액으로내보낸다. 근육은이효소가없어서유리시킨포도당을자기 혼자만사용한다 21.2 가인산분해효소는다른자리입체적상호작용들과가역적인산화 ( 인산화 / 탈인산화 ) 로조절된다 근육의 ( 글리코겐 ) 가인산분해효소 (glycogen phosphorylase) 는호르몬 ( 에피네프린 = 아드레날 린 ) 에의한가역적인산화 / 탈인산화뿐만아니라근육세포의에너지상태에의해서도조절된다 *Glycogen phosphorylase는불활성형인 T conformation으로지배적으로존재하는인산화안된 ( 탈인산화된 ) glycogen phosphorylase b와, 활성형인 R conformation으로지배적으로존재하는인산화된 a형이있는데 a b 둘사이의전환은 protein kinase/phosphatase의일종들인 glycogen phosphorylase kinase와 glycogen phosphorylase phosphatase에의한다. 그리고이들 protein kinase/phosphatase 효소들은궁극적으로는인슐린, 글루카곤, 에피네프린과같은호르몬들에의해활성이조절된다. 근육에서가인산분해효소는또한세포내의에너지상태에의해서도조절된다. 즉, 근육에서의 default 상태인 b형도 R conformation이되면활성화되는데이는 b형에 AMP가붙음으로써가능하다 ( 근육세포의에너지상태가낮을때 ). 반면에 ATP는 b형의 R conformation에 allosterically binding하여 T conformation으로 conformation change를야기함으로써 glycogen phosphorylase를불활성화시킨다 간의글리코겐가인산분해효소는다른조직들이사용할글루코스를생산한다 * 간에서의글리코겐가인산분해효소의 default 상태는활성형인 a형의 R conformation이다. 간에서도호르몬의 ( 주로 glucagon) 작용에따른인산화 / 탈인산화에기인하는가인산분해효소의조절은동일하나주된 allosteric regulator는근육에서의 AMP/ATP가아니고포도당이다. 혈당이높아간세포의포도당농도가높아지면포도당이 a형의 R conformation에붙어불할성형인 a형의 T conformation으로변환시킨다. 즉혈당이충분히높을때간은글리코겐을분해하지않는다 Glycogen phosphorylase kinase 는인산화와칼슘이온에의해활성화된다
*Glycogen phosphorylase kinase 는 (protein kinase 의일종 ) 단백질키나제 A (PKA, 이것도 protein kinase 의일종 ) 에의한인산화와 calcium ion 에의해활성화된다. 실제로이효소의 δ subunit 는 calmodulin 으로써이는칼슘과결합하는세포의칼슘센서이다. 21.3 에피네프린과 glucagon 은글리코겐분해가필요하다는신호이다 G 단백질들 (G proteins) 이글리코겐분해의개시에필요한신호를전달한다 * 에피네프린 (= 아드레날린 -tyrosine 으로부터부신수질에서합성되는카테콜아민류의호르몬 ) 은운동이나공포시에주로근육에서, 글루카곤 ( 췌장의 α 세포에서분비되는단백질성호르몬 ) 은기아시에주로간에서글리코겐의분해를자극하는호르몬들이다 *Epinephrine or glucagon to 7TM receptors in muscle or liver GTP-bound G protein from GDP-bound G protein GTP-G α, moves and binds to adenylate cyclase camp production from ATP camp-dependent protein kinase (PKA) phosphorylates glycogen phosphorylase kinase phosphorylates glycogen phosphorylase (b a) glucose (due to glycogen phosphorolysis) 글리코겐분해는필요할때빠르게정지되어야한다 * 호르몬들의효과가충분히나타난후에는신호전달이멈춰야하는데이를위해서는 G protein 들이본질적으로지니고있는 GTPase 역가, camp를 AMP로가수분해하는 phosphodiesterase, 그리고인산화된 glycogen phosphorylase 및 glycogen phosphorylase kinase들의인산기를가수분해하는 protein phosphatase 1 (PP1) 등이작용하여결국신호전달경로가 turn-off 된다 21.4 글리코겐은서로다른경로들로합성되고분해된다 * 글리코겐생합성은분해와는전혀다른효소에의해촉매되는다른반응에의해이루어진다 글리코겐 n + UDP-glucose 글리코겐 n+1 + UDP (by glycogen synthase) UDP-glucose 는글루코스의활성화된형태이다 * 글리코겐합성시실제반응에참여하는포도당의형태는활성화된 UDP-glucose 인데이는 G-1-P + UTP UDP-glucose + PPi의반응에서생성된다. 이반응자체는거의가역적으로일어나는평형반응에가깝지만 PPi의가수분해반응이뒤이어연계되어일어나고이반응이거의비가역적으로 ( 큰음의자유에너지변화로 ) 일어나기때문에결국위의반응도 UDP-glucose 생성쪽으로잘일어난다. 이외에도많은생합성반응들이이처럼피로인산 (pyrophosphate, PPi) 의가수분해반응과연계됨으로써 ( 짝지어짐으로써, coupled) 추진된다
글리코겐합성효소 (glycogen synthase) 는 UDP-glucose 로부터성장하고있는글리코겐사슬로글 글루코스를이동하는것을촉매한다 가지치는효소 (branching enzyme) 가 α-1,6 결합을형성한다 * 완전한글리코겐의합성에는 glycogen synthase (α-1,4 결합만촉매 ) 뿐만아니라 α-1,6 글루코 시드결합을축매하는 branching enzyme 도필요하다. 글리코겐의구조에서가지들의존재는글 리코겐의수용성을높일뿐만아니라합성과분해속도모두를증가시키기때문에중요하다 글리코겐합성효소는글리코겐합성경로에서가장핵심이되는조절효소이다 * 글리코겐합성효소 (GS) 도 glycogen phosphorylase와마찬가지로공유결합성변형 ( 인산화 / 탈인산화 ) 에의해주로조절된다. 이효소의인산화는주로 PKA와 GSK (glycogen synthase kinase) 라는두 protein kinase에의해일어난다. 그런데가인산분해효소와는정반대로 GS가이들에의해인산화되면 GS는불활성화된다. 글리코겐은글루코스의효율적저장형이다 21.5 글리코겐의분해와합성은상반적으로조절된다 * 에피네프린과글루카곤은 PKA를활성화시켜 glycogen phosphorylase와 glycogen synthase 를동시에인산화시키면서결국글리코겐분해는촉진시키는반면에 ( 상반되게 ) 글리코겐합성은막아버린다. 이처럼대사의신호들은두반대경로들을동시에촉진혹은동시에억압하지는않고한쪽을활성화시키면반대쪽은막아버린다 ( 상반된조절 ) 단백질인산가수분해효소 1 (protein phosphatase 1, PP1) 은글리코겐대사에미치는 protein kinase 들의조절효과를역전시킨다 * 식사후나휴식시에는글리코겐이합성되어야하는데이것은주로인슐린의작용으로인한 (phospho)protein phosphatase 1 (PP1) 의활성화에기인한다. 인슐린 (protein kinase를통하여 PP1를인산화시켜 ) PP1 활성도를 up glycogen phosphorylase kinase를탈인산화시켜불활성화하고 glycogen phosphorylase a를탈인산화시켜 b로불화성화시킨다. 그리고 PP1은또한 glycogen synthase를탈인산화시켜활성화시키면서결국글리코겐분해는막히고합성모드로돌아선다. 또한인슐린은또다른 protein kinase를활성화시켜 glycogen synthase kinase를인산화시켜불활성화시킴으로써역시 glycogen synthase를활성화시킨다 인슐린은글리코겐합성효소키나제 (GS kinase, GSK) 를비활성화함으로써 GS ( 글리코겐합성효 소 ) 를활성화시켜그리코겐합성을자극한다 - 위에서얘기했음 간에서의글리코겐대사는혈당수준을조절한다
* 혈당이높아져간에서포도당수준이높아지면간의 glucose는 glycogen phosphorylase a 의 R 형에 allosterically binding하여불활성형인 T 형으로 conformation change를일으켜활성을떨어뜨릴뿐아니라 PP1에의한인산기가수분해반응의좋은기질이되게하여 b 형태로아예바뀌어지는것도촉진시킨다. 따라서가인산분해효소 a는간에서포도당센서기능도한다는것을알수있다. 글리코겐저장병들을생화학적으로이해하는것이가능하다 * 글리코겐대사에관여하는여러효소들의결함으로글리코겐생성이나분해과정에관여하는 효소들의이상으로인하여주로글리코겐이이상축적되는다양한글리코겐저장질병들 (glycogen-storage diseases) 이알려져있다 ( 폰기르케병, 폼프병, 맥가들병등 )