4 세포생화학반응 4.1 개요세포안에서일어나는모든생화학반응을일컬어대사작용 (metabolism 이라한다. 세포는대사작용을통해에너지와환원력을만들고세포를구성하는고분자물질을합성하게된다. 세포대사는물질을분해하는이화작용 (catabolism 과새로운물질을합성하는동화작용 (anabolism 으로구분된다. 이화작용은에너지와환원력을얻기위해서기질을분해하고동시에산화시키는과정이고, 동화작용은이화작용에의해얻어진에너지와환원력을이용하여단순한화합물을거쳐보다복잡한물질을생합성하는과정을말한다. 에너지의저장과방출을담당하는핵심적인물질은 (adenosine triphosphate 이고, 환원력은 H (nicotinamide adenine dinucleotide 와 PH (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate 에저장된다. 그러나대부분의생화학반응들에서 PH와 H 사이에는근본적인차이가있다. H는전자전달체인에의하여산화되면서 를생성하지만, PH는환원적인생합성 ( 예, 광합성의암반응단계 에서전자를주는역할을한다. 에너지를만들어내는중요한세개의대사경로가있다. 그첫번째로세포내로들어온분자들을작은단위분자들로분해하는과정이다. 대표적인예로포도당을피루브산으로분해하는해당과정 (glycolysis 이있다. 두번째로해당과정에서만들어진피루브산을 acetyl CoA를거쳐 C 2 와 H 2 로산화시키는 TCA (tricarboxylic acid 회로, 그리고세번째는생합성반응에필요한탄소계골격물질과동화작용을지탱해나가기위한환원력을공급하는산화적인산화반응이라고하는 HMP 경로 (hexose-monophosphate pathway 이다. HMP 경로는 pentose phosphate pathway라고도부른다. 포도당대사란포도당이해당과정과 TCA 회로를거쳐 C 2 로산화되는과정을말하며 - 1 -
2 4 장세포생화학반응 이때포도당 1몰이산화되면 6몰의 C 2 가생성되며전자전달계의과정을거치면서 38몰의 가생성되는데이만한양의 는반응의전체자유에너지변화량의약 40 % 에해당한다. 산화되는물질은전자를잃어버리게되는데이전자는여러단계를거쳐전달되면서궁극적으로산소와결합하여물을형성한다. 즉, 산소는포도당을산화하는과정에서생긴전자 ( 환원력 를받아들이는최종전자수용체 (terminal electron acceptor 의역할을한다. 세포는포도당대사에서얻은 acetyl-coa 등주요대사중간체및에너지를이용하여아미노산, 핵산, 지질, 다당류등새로운물질을합성한다. 세포가필요로하는물질중그중요성이포도당에버금가는것이단백질합성에필요한각종아미노산인데, 아미노산은포도당대사과정중의몇가지물질을기초로하여합성된다. 이상의대사를 1차대사 (primary metabolism 라하며이때생성되는 1차대사산물은그합성이세포의생장과연관되어있어지수생장 (exponential growth 을하는기간동안에생성되는물질이다. 반면에생장기가지난후에생성되는물질을 2차대사산물 (secondary metabolites 이라하며식물에서얻어지는의약용물질등이이에속한다. 미생물의대사경로를살펴보면호기성대사 (aerobic metabolism, 그리고혐기성대사 (anaerobic metabolism 의두그룹으로나누어진다. 환원력은전자전달체인을통하여 의생성에사용될수도있다. 이때산소가최종전자수용체로사용되는경우를호기성호흡이라하고, 산소이외의전자수용체가사용되는경우를무산소호흡이라한다. 그리고에너지를얻기위해전자전달체인을이용하지않는세포는발효 (fermentation 를이용하게된다. 발효대사의최종산물들 ( 예 : 에탄올, 젖산 은상업적으로중요한데이산물들은세포가환원력의생성과소비간의균형을맞추기위해서생성한다. 4.2 생체에너지론 (bioenergetics 살아있는세포는생합성, 영양물질의수송, 운동, 기초대사등을수행하기위한에너지를필요로한다. 이러한에너지는탄소화합물 ( 주로탄수화물 을분해하는이화작용으로얻으며, 이화작용에사용되는탄소화합물 ( 예 : 포도당 은세포외부로부터세포내부로들어오며식물세포의경우에는 C 2 와 H 2로부터광합성에의해합성된다. 대사반응은생물체마다다르고복잡하지만크게 3부류로나눌수있으며, 이반응들은세포내에서동시에일어난다. 첫째부류 : 영양물질의분해 둘째부류 : 아미노산, 뉴클레오티드등저분자물질의생합성 셋째부류 : 거대분자물질의생합성
4.2 생체에너지론 3 P4 3- 첫째부류둘째부류셋째부류 영양물분해반응 저분자물질합성반응 거대분자물질합성반응 포도당 포도당 -P P4 3- 탄소골격물질 뉴클레오티드 헥소사민 아미노산 DNA RNA 펩티도글리칸 단백질 염색체 리보솜 세포막 C2 NH4 지방산 지질 영양분저장 2- 당 글리코겐 S4 NH4 S4 2- 그림 4.1 박테리아세포에서일어나는반응의분류 그림 4.1은박테리아세포내에서영양물질의분해, 저분자물질합성, 거대분자물질의합성을전체적으로나타낸그림이다. 위그림 4.1에표시된여러반응에대해우선알아야할사항은모든반응에효소가작용한다는점이다. 첫째부류의반응은포도당이세포내부로들어와분해되어탄소골격물질을만드는반응이다. 이반응은포도당을여러단계에걸쳐산화시켜 C 2 로만드는반응이다. 이때발생한에너지인 는둘째부류의반응에서저분자물질의생합성반응시사용되게된다. 둘째부류의반응에서는탄소골격물질을바탕으로저분자물질을합성하게되는데이것에는뉴클레오티드 (nucleotide, 헥소사민 (hexosamine, 아미노산, 지방산, 당등이있다. 셋째부류의반응은저분자물질을거대분자물질로합성하는것으로거대분자물질에는뉴클레오티드에서합성된 DNA, RNA, 헥소사민에서합성된펩티도글리칸 (peptidoglycan, 아미노산에서합성된단백질, 지방산에서합성된지질 (lipid, 당에서합성된글리코겐 (glycogen 등이있다. DNA는염색체 (chromosome 를만들고, RNA는리보솜 (ribosome 을만들며, 글리코겐은영양분을저장하게된다. 생체내에너지는고에너지인산결합 (high energy phosphate bond 을갖는 adenosine adenosine P P 그림 4.2 의분자구조
4 4 장세포생화학반응 triphosphate ( 에의해저장되어전달된다. 는아데닌, 리보오스, 삼인산단위로이루어진뉴클레오티드이다. 는삼인산단위내에두개의인산무수물질을함유하고있기때문에고에너지분자가된다. 가 ADP(adenosin diphosphate 와오르토인산 (ortho Pi 으로가수분해될때, 또는 ADP가 AMP와오르토인산으로전환될때 1몰당각각 7.3 kcal의에너지가방출된다. H 2 ADP Pi H, G =-7.3 kcal/mol ADP H 2 AMP Pi H, G = -7.3 kcal/mol 와유사한분자인 GTP(guanosin triphosphate, UTP(uridine triphosphate, CTP(cytidine triphosphate 역시고에너지인산결합을저장또는전달한다. 예를들어, 해당과정에서분자내에고에너지인산결합 (~P 이들어있는 phosphoenol pyruvate(pep 와 1, 3-diphosphoglycerate는그에너지를 ADP 분자에전달하여 분자를생성한다. 또한, ADP, AMP 들은 와 AMP가반응하여 2개의 ADP로전환되는등의상호전환이가능하다. 고에너지인산결합이라하는것은그들이가수분해될때다량의에너지를방출한다는의미인데 의가수분해에서방출되는다량의에너지는근육의수축운동이나생합성등에이용된다. 생체내에서에너지와더불어중요한작용을하는것이환원력 (reducing power 이다. 환원력을발생시키는수소원자들은주로뉴클레오티드유도체들에의해운반되는데그것에는 (nicotinamide adenine dinucleotide 와 P (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate 가있다. 수소와결합된형태인 H는생체내에서환원력공급과 생성의두가지의역할을한다. 즉, H는독립영양생물 ( 식물과광합성박테리아 에의한 C 2 고정화와같은생합성반응에수소를공급한다. H에의해운반되는전자 ( 또는수소원자 는전자전달계내의몇개의중간화합물들을차례로거쳐최종적으로산소에전달된다. 이러한전자전달로방출되는에너지에의해최고 3개의 분자가생성된다. 만약예를들어산소대신 N - 3 와같은다른전자수용체 (eletron acceptor 가있을경우, 산소가없더라도 H에저장된환원력으로부터 가만들어질수있다. CNH2 - H : H CNH2 H H CNH2 H - H : CNH2 N R N R N R 또는 N R A 형그림 4.3 와 H의구조 H B 형
4.3 포도당대사 5 4.3 포도당대사 포도당과같은유기물의호기성조건하에서의분해는그림 4.4에서처럼다음의세가지단계로생각될수있다. 1 해당과정 : 포도당이피루브산으로분해되는 EMP(Embden-Meyerhof-Parnas 경로 2 TCA(tricarboxylic acid 회로 : 피루브산을 C 2 와 H 2 및 FADH 2 로전환하는과정 3 전자전달체인 : H 2 로부터전자를수용체에전달함으로써 를생성시키는호흡과정포도당대사는위의과정들을거치며 C 2 로산화되는과정을말하며이때포도당 1몰이산화되면 6몰의 C 2 가생성되며전자전달계의과정을거치면서 38몰의 가생성된다. 진핵생물의경우해당과정은원형질 (cytoplasm 내에서일어나지만 TCA회로와전자전달계는미트콘드리아내의메트릭스에서일어난다. 원핵생물의경우위반응들은막에부착되어있는효소들에의해진행된다. 1 해당과정 2 2 citrate(c 6 2 C 2 포도당 (C 6 2 피루브산 (C 3 2 acetyl CoA (C 2 2 TCA 회로 2 oxaloacetate(c 4 2 C 2 2 FADH 2 2 GTP 2 C 2 H 2 34 H 2 H 2 3 전자전달계 1 H2 = 3 1 FADH2 = 2 1 GTP = 1 그림 4.4 포도당대사의 3 단계와 의생성
6 4 장세포생화학반응 4.3.1 해당과정 (glycolysis 포도당은많은생물들이필요로하는주요탄소원 (carbon source 이다. 세포내에서포도당의분해대사는해당과정으로시작된다. 해당과정은다른말로 EMP(Embden-Meyerhof- Parnas 경로라고한다. 해당과정은포도당을피루브산으로전환하는연속적인일련의반응으로서부수적으로포도당 1몰당 2몰의 와 2몰의 H 2 를생성한다 ( 그림 4.5. 해당과정의전체적인윤곽은 6개의탄소고리로이루어진글루코오스가두분자의 로부터얻은에너지로인하여불안정해져서일단두분자의삼탄당 (C 3 으로분해된다. 그후삼탄당 (C 3 은에너지를방출하며안정화되어피루브산이형성된다. 해당과정은세포액에서일어나는데그초기단계는 를하나사용하며헥소오스키나아제를촉매로하여포도당의인산화를통해글루코오스 6-인산 (glucose 6-phosphate 이생성되는것이다. 이글루코오스 6-인산은포스포글루코오스이성질화효소 (phosphoglucose isomerase 에의해프룩토오스 6-인산 (frutose 6-phosphate 으로전환되며, 이는다시 를하나더사용하며포스포프룩토키나아제 (phosphofructokinase 에의해프룩토오스 1,6-비스인산 (fructose 1,6-diphosphate 으로변한다. 프룩토오스 1,6 -비스인산은알돌라아제 (aldolase 에의해디히드록시아세톤인산 (dihydroxyacetone phosphate, DHAP 과글리세르알데히드-3-인산 (glyceraldehyde-3-phosphate, GA-3P 으로분해되는데이반응은해당과정중중요한반응의하나로서이때육탄당 (C 6 한분자가삼탄당 (C 3 두분자로분해된다. DHAP와 GA-3P는평형을이룬다. GA-3P가소모됨에따라 DHAP가계속해서 GA-3P로전환된다. GA-3P는글리세르알데히드 3-인산탈수소효소 (glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase 에의해무기인산 (P i 이첨가되어 1,3-비스포포글리세르산 (1,3-diphosphoglycerate 으로되고, 1,3-diphosphoglycerate 는포스포글리세르산키나아제 (phosphoglycerate kinase 에의해한개의인산기를방출하면서 3-포스포글리세르산 (3-phosphoglycerate 이되며이과정에서 ADP로부터 가생성된다. 3-포스포글리세르산은포스포글리세르산자리옮김효소 (phosphoglycero mutase 에의해 2-포스포글리세르산 (2-phosphoglycerate 이되고, 에놀레이스 (enolase 에의해탈수소화되어포스포엔올피르브산 (phosphoenolpyruvate, PEP 을생성한다. PEP는피루브산키나아제 (pyruvate kinase 에의해탈인산반응을거처 를생성시키며최종피루브산 (pyruvate 을생성한다. 이상의반응을종합하여보면포도당한분자가두분자의피루브산으로전환될때두분자의 와두분자의 H 2 가생성된다. 이것을반응식으로표시하면다음과같다. glucose 2ADP 2 2P i 2 pyruvate 2 2(H H
4.3 포도당대사 7 Glucose Hexokinase ADP Glucose 6-phosphate Phosphoglucose isomerase Phosphofructo kinase Fructose 6-phosphate ADP Fructose 1,6-diphosphate Aldotase Triose phosphate isomerase Dihydroxyacetone phosphate Glyceraldehyde 3-phosphate Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase P i H H 1,3-Diphosphoglycerate Phosphoglycerate kinase ADP 3-Phosphoglycerate Phosphoglyceromutase 2-Phosphoglycerate Enolase H 2 Phosphoenolpyruvate Pyruvate kinase ADP Pyruvate 그림 4.5 해당과정 (glycolytic pathway
8 4 장세포생화학반응 4.3.2 TCA 회로 (Kerbs 회로 해당작용에서생긴피루브산이탈탄산효소와탈수소효소의작용으로이산화탄소와수소로분해되는과정을 TCA 회로 (tricarboxylic acid cycle 라고한다. TCA 회로는크렙스 (Kerbs 에의해완전히밝혀졌기때문에크렙스회로라고도부른다. TCA 회로는해당과정을통해만들어진피루브산을미토콘드리아에서완전히산화하여환원력을 에전달하고 C 2 를최종적으로만드는단계이다. TCA회로의주요역할은 (1 생합성과전자전달계에필요한전자 (H 2 의생성, (2 아미노산합성을위한탄소계골격물질의공급, 그리고 (3 에너지의발생이다. 해당과정에서생성된피루브산은피루브산탈수소효소 (pyruvate dehydrogenase 에의해아세틸 CoA로전환되는데이아실화반응 (acylation 이해당과정과 TCA를연결하는고리이다. 피루브산 CoA acetyl-coa C 2 H H 이아세틸 CoA는미토콘드리아막을통해전달되며이에소요되는에너지는해당과정에서생성된 2개의 H가 2개의 FADH로전환되는것으로부터얻는다. 아세틸 CoA는아미노산대사와지방산대사에있어서의주요중간물질이다. TCA 회로는아미노산, 지방산, 탄수화물과같은연료분자들의산화를위한최종의공통경로이다. TCA 회로의순서를자세히살펴보면다음과같다 ( 그림 4.6. 아세틸 CoA (acetyl-coa, C 2 와옥살로아세트산 (oxaloacetate, C 4 의축합반응에의해시트르산 (citrate, C 6 이만들어지고, 시트르산은이소시트르산 (isocitrate, C 6 으로되고, 그다음으로 α-케토글루타르산 (α-ketoglutarate, C 5 이되는데, 이때한개의 C 2 가회로를떠나고 H 2 가 1개생성된다. α-케토글루타르산은탈카르복시화 (decarboxylation 와산화를거쳐숙신산 CoA (succinyl- CoA, C 4 가되고이때또하나의 C 2 가떠나고 H 2 1개가생성된다. 숙신산 CoA는숙신산이되고, 이때 GTP형태의고에너지인산결합을생성시키며숙신산 (succinate, C 4 이된다. 숙신산은다시푸마르산 (fumarate, C 4 으로산화되며 1분자의 FADH 2 가생성된다. TCA 회로의마지막두단계는푸마르산의수화 (hydration 에의한말산 (malate, C 4 의생성, 그리고말산의산화에의한옥살로아세트산 (oxaloacetate, C 4 의생성이다. TCA 회로에서일어나는네개의산화환원반응에서세쌍의전자들이 로전이되고, 한쌍이 FAD로전이된다. 이환원된전자운반체들은뒤에전자전달사슬에의하여산화되어서 9몰의 를생성시킨다. 이외에도하나의고에너지인산결합이숙시닐 CoA에서숙신산으로될때직접형성된다. 그러므로완전히 H 2 와 C 2 로산화되는한개의아세틸 CoA당모두 10몰의고에너지인산결합이생성된다. TCA 회로의전체반응은다음과같이나타낼수있다.
4.3 포도당대사 9 아세틸 CoA 3 FAD GDP P i 2H 2 CoA 3H 2 FADH 2 GTP 2C 2 피루브산을아세틸 CoA로만드는아실화반응과아세틸 CoA가두분자의 C 2 로분해되는 TCA를합친전체반응을다음식으로표시할수있다. 피루브산 4 FAD GDP P i 3C 2 4H 2 FADH 2 GTP GTP는 ADP와결합하여 를생성하며자신은 GDP 분자가된다. 4 H 2 와 FADH 2 는산화적인산화반응 (oxidative phosphorylation 에의해각각 12 와 2를생성한다 (1 H 2 = 3, 1 FADH 2 = 2. 따라서피루브산한분자가세분자의 C 2 로산화되면서 15분자의 가생성된다. Pyruvate C2 H2 Acetyl-CoA (C2 CoA H2 xaloacetate (C4 Citrate Malate (C4 Aconitate H2 FADH2 H2 Fumarate (C4 Isocitrate FAD Succinate (C4 CoA GDP P GTP i Succinyl-CoA (C4 C2 CoA H2 C2 α -Ketoglutarate H2 (C5 그림 4.6 TCA 회로