1. 에너지, 효소, 대사조절 1-1 대사와에너지 1) 생태계에서의에너지흐름 Light energy Chemical energy Photolithoautotroph Chemolithoautotroph CO 2 CH 2 O Chemoorganoheterotroph (energy, biosynthesis) * Energy carrier molecule : ATP, NADH
ATP 구조
2) 전자전달과자유에너지 자유에너지 : 일정온도, 압력하에서유용한일에사용할수있는에너지 - 에너지의흐름은산화- 환원반응 (redox reaction) 을수반함 Redox reaction 2H + + 2e - H 2 -> Reduction: 전자를받음 -> reducing agent: 전자공여체 -> H 2 -> Oxidation: 전자를잃음 -> oxidizing agent: 전자수용체 -> H + - 반응의평형상수를표준환원전위라함 -> E 0 로표시 - E 0 <0 이면 -> 전자를잃어버리기쉬움 -E 0 > 0 이면 -> 전자를받아들이기쉬움 - 전자의흐름 -> 큰음의 E 0 를갖는redoxcouple에서큰양의E 0 를갖는 redox couple 로흐름 -> 이때자유에너지가방출됨 -> ATP에보관 - 세포내대표적인전자공여체 : NAD(P)H, FADH 2
전자이동과환원전위
1-2 대사와효소 (enzyme) * 효소반응기작 - 효소 : 반응에작용하는분자에대한특이성을가진단백질촉매 - 촉매 (catalyst): 화학반응자체는변화시키지않고반응속도를증가시키는물질 - 효소 -> 세포반응을가속화시킴 - 기질 (substrate): 반응하는분자 A + B -> AB-> C + D - 생성물 (product): 형성되는물질 - 전이상태복합체 (transition state complex): * 효소의역할 : 활성화에너지를낮춤
효소의반응기작 S + E -> SE -> P + E S : substrate t E : enzyme P : product SE : substrate-enzyme complex
F-1,6-BP aldolase Gly-3-P + DHAP
효소 - 기질복합체 S + E -> SE -> P + E S : substrate E : enzyme P : product SE : substrate-enzyme complex
효소의 kinetics * 효소와기질농도 S+E -> SE -> P + E S + E > SE > P + E fast slow
효소활성변화 (ph, 온도효과 )
1-3 대사와조절 1) 효소의억제 - 물질대사의조절은관여하고있는효소의활성을억제함으로일어남 -> competitive inhibition( 경쟁적저해 ): 효소의활성부위에기질과경쟁적으로결합 -> noncompetitive inhibition( 비경쟁적저해 ): 효소의활성부위와다른부위에결합효소의형태를변화 -> 기질의결합을억제
Kinetics of enzyme inhibition * 효소와기질농도 S + E -> SE -> P + E M-M plot L-B plot
2) 효소의다른자리입체성조절 - 다른자리입체성효소 (allosteric enzyme) -> 물질대사과정중에는하나이상의조절효소가존재 -> 대부분의조절효소는 allosteric enzyme 임 -> catalytic site 와 regulatory site를가짐 -> modulator or effector( 조절인자 ) 가 regulatory site에결합효소의형태를바꿈 -> positive effector or negative effector
효소의 allosteric regulation
3) 효소의되먹임억제 (feedback inhibition) - 대사과정중의속도조절효소가대사과정의최종산물에의해조절됨 - 최종산물의균형있는합성을보장 -> 너무많이합성되면 -> 조절효소억제 -> 생성물농도감소 -> 조절효소활성화 -> 생성물증가
2. 에너지생성 2-1 물질대사개요 1) 물질대사 (metabolism) - catabolism( 이화작용 ): 크고복잡한분자 -> 작고단순한분자 => 에너지생산 - anabolism( 동화작용 ): 단순한분자 -> 복잡한분자로재구성 => 에너지이용 2) 미생물의에너지원 - 광영양생물 - 화학유기영양 - 화학무기영양
3) 전자수용체 (electron acceptor) 에따른미생물대사 (1) 발효 (fermentation): 유기분자가전자공여체와전자수용체로작용하는에너지생성과정 - 한정된량의에너지만생산 - 일반적으로혐기성조건에서일어남 -> 예외 ) 산소가있어도일어날수있음 (2) 유기호흡 (aerobic respiration): O 2 를전자수용체로이용하는에너지생성과정 - 전자전달계를포함 - 수용체는기질에비해큰양의환원성전위를가짐 -> 다량의에너지생성가능 (3) 무기호흡 (anaerobic respiration): 무기분자를전자수용체로이용 - 전자전달계포함 - 수용체무기분자 : NO 3-, SO 2-4, CO 2, Fe 3+, SeO 2-4 fumarate 등
이화작용의 3 단계 - 1 단계 : 큰영양분자의가수분해 - 2단계 : 1단계분해산물의세부적분해 -> 호기성, 혐기성조건에서모두가능 -> NADH, FADH2, ATP 일부생성 - 3 단계 : 에너지원의완전이용 -> TCA cycle, 전자전달계포함 -> 다량의에너지생성 -> 호기성반응
4) Amphibolic pathway ( 양방향과정 ) - 종속영양생물의물질대사 -> 에너지생산을위한분해 -> 세포구성물합성을위한구성블럭제공 물질대사과정공용으로대사유연성확보 (amphibolic pathway) - 공유반응은가역적이며분해, 합성에이용 - 비가역적효소에의해독립적으로조절
2-22 포도당분해 - 3가지과정을통해분해이용 : 1) 해당과정 (glycolysis), 2) 5탄당인산경로 (pentose phosphate pathway), 3) Entner-Doudoroff pathway 1) glycolysis ( 해당과정 ) - 미생물에서가장일반적으로발견되는대사과정 - 산소의유무에상관없이진행 - 원핵생물, 진핵생물의세포질모두에서발견 - 두부분으로구분 : -> 1 단계 : glucose -> 2 회인산화 -> fructose1,6-bisphosphate -2ATP 소비 - 당의말단에인산기를가하여대사의추진력을만듬 -> 2단계 : fructose1,6-bisphosphate의분해 -> pyruvate 생성 - 2회의기질수준인산화 (substrate-level phosphorylation) 에의해 4ATP 생산 -> 말단의인산기가 ADP에전달 - 2NADH 생산 -> 1,2단계종합 : - 1분자 glucose -> 2분자 pyruvate로분해 -2ATP, 2NADH 생산 Glucose + 2ADP + 2Pi + 2NAD + 2pyruvate + 2ATP + 2NADH + 2H +
Glycolysis 의 2 단계 -> 1 단계 : - glucose -> 2회인산화 -> fructose1,6-bisphosphate -2ATP 소비 - 당의말단에인산기를가하여대사의추진력을만듬 -> 2 단계 : - fructose1,6-bisphosphate 의분해 -> pyruvate 생성 - 2 회의 substrate-level-phosphorylation 에의해 4ATP 생산 -> 말단의인산기가 ADP 에전달 -2NADH 생산
Pentose phosphate pathway - Hexose monophosphate pathway 로도불림 - 호기성, 혐기성으로작용 - 다른두경로와함께동시에이용 - 생합성과정에도중요 - NADPH 생성 -> 생합성과정의환원력제공 - 4탄당, 5탄당생성 - ribose-5-phosphate -> 핵산주요성분 - Ribulose-1,5-bisphosphate -> 광합성에이용 - glyceraldehyde-3-p -> ATP 합성에이용
Entner-Doudoroff pathway - 해당과정의일부변형된상태로대치 - Glucose -> glucose-6-p를거쳐 KDPG 생성 - 1개의포도당에서 1ATP, 1NADH, 1NADPH 생성 - Pseudomonas, Azotobacterium 등에서발견
2-3 발효 - 유기, 무기호흡이없는경우 -> 해당과정중생성된 NADH 축적 -> 반응중단 -> pyruvate 나유도체를전자수용체로이용 NADH를재산화시킴 -> 반응계속 - 기질수준인산화만으로 ATP 생성 - 미생물에따라다양한종류의발효과정존재
다양한형태의발효과정 * 공통특징 : -NADH는NAD + 로산화 - Pyruvate나그유도체가전자수용체 1: lactate 발효 - homolactic: 모든 pyruvate를 lactate로 - heterolactic: lactate 이외의산물생산 2: alcohol l 발효 3: propionate 발효 4: butanediol 발효 5: formic acid 발효 6: acetate 발효
2-4 TCA 회로 (Krebs cycle, citric acid cycle) - pyruvate -> acetyl CoA 분해후 TCA cycle 에서분해 - acetyl CoA 가 1회전통과후 2 CO 2 로분해 -> 분해과정중 3 NADH, 1 FADH 2, 1 GTP 생성 - 대부분의미생물에존재
2-5 전자전달과산화적인산화 1) 전자전달계 : 전자공여체 (NADH, FADH 2 ) 로부터전자수용체 (O 2, 무기산화물 ) 에전자를전달하기위한전자전달체의복합체 - 전자공여체 : 큰음의환원전위를가짐 - 전자수용체 : 큰양의환원전위를가짐 - 전자전달계 -> 큰에너지방출을여러번의작은단계로나누어이용 - 미토콘드리아내막 - 세균의원형질막에존재 Coenzyme Q
Mitochondria 의화학적삼투설 - Generation of H + gradient : 전자전달과정중 H + 가막을통과하여수소이온기울기형성 - 에너지기울기를이용하여수소이온을능동수송 -> 3 곳에서 (complex I, II, III)
2) 세균의전자전달계 : mitochondria 와비슷하나전자전달자가일부다를수있음 Ex) E. Coli 의전자전달계 - 산소농도에따라전달자가다름 - 가지로나뉘어있음 - 낮은산소농도 -> 산소친화력이높은것사용 - 높은산소농도 -> 산소친화력이낮은가지이용
3) 산화적인산화 (oxidative phosphorylation) - 전자전달과정중의에너지 (H + gradient) 를 ATP 합성에이용 - 한쌍의전자가 NADH -> O 2 이동시 -> 3 ATP 생성 -ATP synthase 관여
2-6 무기호흡 - 산소대신외인성전자수용체를사용하는전자전달계 - 많은세균들에서발견 -ATP 생산효율낮음-> O 2 에비해낮은환원전위를갖기때문 -> 전위차가작다 - 산소결핍된토양, 축적물에서널리이용 * 무기호흡의전자수용체들
무기호흡의예 * 질산염이용 (dissimilatory nitrate reduction, 이화적질산염환원 ) NO 3- + 2e - + 2H + NO 2- + H 2 O NO - 3 NO - 2 NO N 2 O N 2 (gas) -> 탈질소화반응 (denitrification) - 그람음성토양세균 Paracoccus denitrificans * 황산염이용 SO 4 2- + 8e - + 8H + S 2- + 4H 2 O - Desulfovibrio * Methanobacterium -> CO 2 와탄산염이용메탄생성
2-7 탄수화물분해 - 미생물 -> 포도당이외의탄수화물이용 - 가수분해혹은 phospholysis( 가인산분해 ) 과정을통해다당류및이당류이용
2-8 지질이화 - 미생물 : lipase 에의해지질분해 -> 글리세롤과지방산으로분해 - 지방산 -> β-oxidation pathway 를이용acetyl CoA 로분해 -> TCA cycle 지방산산화
2-9 단백질과아미노산이화 - 단백질분해효소 (protease) 이용단백질과 polypeptide 분해 -> 아미노산 - 아미노산 : 탈아미노기반응 (deamination) 에의해아미노기제거후유기산으로.. - 유기산 : pyruvate, acetyl CoA, TCA 회로중간물질로전환 -> TCA 회로에서최종이용 아미노기전이반응 (transamination)
2-10 무기분자산화 - 화학무기영양생물 (chemolithotroph) 이이용 - 무기분자의산화로에너지유도 -> 전자전달계에필요한전자확보 - 특정의전자공여체와수용체에대한선호도가짐 - 일반적인전자수용체는산소이용 ex) H 2 2H + + 2e - * 화학무기영양생물에의해생성되는에너지의양
2-11 광합성 - 광합성미생물 (phototroph) - 빛에너지를이용 ATP, NADPH 공급 - 명반응 : 빛에너지를화학에너지로 - 암반응 : CO 2 고정 - 빛을흡수하기위한엽록소 (chlorophyll)-> 붉은빛과푸른빛사이를흡수 * 다양한광합성생물들
3. 에너지이용 1) 생합성 - low biological order -> high biological order로변환 : 에너지필요 - 세포의생장을위해세포구성물질과효소의합성필수적 생합성의원리 - monomer 로부터 macromolecule 합성 -> monomer의공유로효율성상승 ex) 20 amino acid -> uncountable protein - 이화작용과동화작용의효소공유 -> 원료와에너지절약 - 이화작용과동화작용의독립적조절부위존재 - eucaryotes -> 구획화된세포기관내에서이화작용과분리 ex) 지방산산화 -> mitochondria 지방산합성 -> 세포질 동시성과독립성유지 - 다른보조인자사용 ex) 이화적산화 -> NADH 생산생합성의환원제 -> NADPH 이용
Gluconeogenesis ( 포도당신생합성 )
아미노산합성
Nucleotide base 합성 (purine)
Nucleotide base 합성 (pyrimidine)
지방산합성
대사체계와조절