Transcript 7장 탄수화물 대사(1.해당과정)

생화학
탄수화물 - 해당과정
탄수화물과 대사(해당과정 : glycolysis)
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
해당작용(glycolysis) : 산소가 없는 상태에서 세포 내 에너지 저장량이 낮아지면
글루코오스가 분해 → 두 분자의 피루브산(pyruvate)와 에너지

글리코겐 합성(glycogenesis) : 글루코오스 농도가 높을 때
간과 근육에서 글리코겐으로 저장

글리코겐 분해(glycogenolysis) : 글루코오스 농도가 낮을 때
글루코오스로 분해

글루코오스 신생(gluconeogenesis, 당신생) :
비탄수화물 전구체로부터 글루코오스 합성
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<해당 과정 - 개요>
 육탄당인 글루코오스가 두 개의 삼탄당 분자로 분해되면서 ATP와 NADH가
생성되는 과정
 호기적 해당과정 - 미토콘드리아가 있는 세포에서 산소가 충분한 경우
- 생성된 피루브산이 아세틸 CoA가 됨
- 생성된 NADH가 NAD로 산화(완전 산화) 됨
 혐기적 해당과정 - 미토콘드리아가 없는 세포(적혈구/뇌세포 등),
산소 공급이 충분치 않을 때(과도한 운동시),
구연산회로가 활성화되기 전(운동 개시 직후)
- 생성된 NADH가 피루브산을 젖산으로 환원시킴
 대사 장소 : 조직 세포의 시토졸(cytosol, cytoplasm, 세포질)
 시작 물질 : glucose, galactose, mannose, fructose, glycerol, glycogen
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<글루코오스의 세포내 유입>
 글루코오스는 촉진확산(facilitated diffusion) 혹은 능동수송(active transport)
중에서 한가지 방법으로 세포막을 통과함
 세포막 통과는 수송체를 필요로 함
 글루코오스 수송체(glucose transporter, GLUT)는 14종이 있음
- GLUT1, GLUT3, GLUT4 = 혈액에서 조직으로만 글루코오스 유입 시킴
- GLUT2 = 고혈당시 : 조직으로 유입, 저혈당시 : 혈액으로 유출 시킴
= 간, 신장에 존재
 능동수송은 소장에서의 흡수나 신장의 요생성 중의 재흡수에서 일어남
- 글루코오스는 소장관이나 세뇨관보다 농도가 높은 세포쪽으로 이동 함
- Na+ 농도 구배에 의한 2차 능동수송
- ATP가 소모됨
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1) 해당작용 - 당 분해
EMP 회로(Embden-Meyerhof-Parnas pathway,
엠덴-마이어호프-파르나스 회로)
 한 분자 글루코오스(C6) → 두 분자 피루브산(C3)
 2개의 ATP와 2개의 NADH에 일시적으로 저장
 모든 조직의 세포질에서 일어남(산소 필요 없음)
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2) 에너지의 생성
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예) hexose인 경우
hexokinase 단계 = 1 ATP 소비
phosphofructokinase 단계 = 1 ATP 소비
phosphoglycerate kinase 단계 = 2 ATP 생성
pyruvate kinase 단계 = 2 ATP 생성
glyceraldehyde-3-인산 dehydrogenase 단계 = 2 NADH 생성
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해당과정 회로
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3) 해당회로의 반응
① 글루코오스-6-인산 합성
 글루코오스의 인산화 : 헥소키나아제(hexokinase)에 의해 촉매
 세포로부터 글루코오스의 운반을 방지,
인산 에스테르의 산소 반응성(oxygen reactivity) 증가
 ATP는 Mg2+와 ATP-Mg2+ 복합체 형성
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③ 프록토오스-6-인산의 인산화
 포스포프룩토키나아제-1(phosphofructokinase, PFK-1)가 관여
 ATP 소모
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⑥ 글리세르알데히드-3-인산의 산화
 글리세르알데히드-3-인산 탈수소효소(GAPDH)
 NAD+, Pi 관여 → NADH, H+ 생성
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⑦ 인산기 전이
 글리세린산인산 키나아제(phosphoglycerate kinase)
 ATP 합성 : 기질수준 인산화(substrate-level phosphorylation) 반응
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⑨ 글리세린산-2-인산의 탈수 반응
 엔올라아제(enolase)가 촉매 : 포스포엔올피루브산(PEP) 생성
 토토머화 반응(tautomerization)
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⑩ 피루브산의 합성
 피루브산키나아제(pyruvate kinase)
 한 분자의 글루코오스로부터 2분자 ATP 생성
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4) 피부르산의 운명
<피루브산의 대사>
 혐기성 생물(anaerobic organism) :
에너지 생성을 위해 산소를 이용하지 않음,
에탄올, 젖산, 아세트산 등으로 전환
 호기성 생물(aerobic organism) :
산소를 마지막 전자수용체(terminal electron aceptor)로
이용 호기성 호흡(aerobic respiration)을 통해 CO2와 H2O로 산화
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① 산소 존재 : 구연산 회로(citric acid cycle)의 기질인 아세틸 CoA 생성
 전자전달계(electron transport system)
 CO2, H2O, ATP 생성
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② 혐기성 조건 : 발효(fermentation), 젖산(lactate)
 호모젖산 발효생물(homolactic fermenter)
- 젖산만을 생성
- 우유를 시큼하게 만듬
- 산성으로 근육에 축척되면 피로 유발
- 젖산을 혈액으로 보내고 산소 공급이 잘되는 간에서 피루빈산으로 산화
(코리 회로)
 헤테로젖산 발효(heterolactic fermenter)
- 여러 유기산(organic acid)을 생성, 가스(메탄, 이산화탄소)도 방출
- 소의 반추위(rumen) : 셀룰로오스를 분해하는 공생생물들은 젖산, 아세트산,
프로피온산, 부티르산 등을 생성 → 반추위에 흡수 영양물질로 이용
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<젖산 산독증(lactose acidosis)>
 혈장 젖산 농도의 증가로 인한 산독증
 심근경색, 폐색전, 과다 출혈 및 쇼크와 같은 순환계 붕괴에서 발생
 산소 공급이 결핍되면 혐기적 해당과정을 통해서만 ATP가 생성되므로
젖산 생성을 수반함
 따라서 혈액의 젖산 농도는 환자의 쇼크 유무나 회복 정도를 판단하는
임상진단 도구로 사용 됨
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5) NADH의 재산화
 글리세린산-3-인산 탈수소효소의 작용은 NAD+의 공급이 필요
 세포질에서 NAD+ 농도는 낮으므로 해당과정이 계속 진행되려면 NADH가 재산화
되어야 함
 산소공급이 원활하면 NADH의 산화는 전자전달계가 있는 미토콘드리아에서 진행 됨
 미토콘드리아가 없는 세포나 저산소상태에서는 프루브산이 젖산으로 전환될 때
NADH가 산화 됨
 수정체, 각막, 신장 수질, 정소, 백혈구 및 적혈구는 미토콘드리아가 없거나 혈액 공급이
원활치 않는 조직으로 해당과정의 최종산물은 젖산
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6) 해당작용의 조절
 헥소키나아제는 간과 근육에 모두 있으나
- 글루코키나아제는 간에만 있으며 유도효소이다.
(혈당이 증가하면 글루코키나아제 작용은 증가하지만, 헥소키나아제는 변화 없음)
- 헥소키나아제는 6-인산포도당에 의해서 억제된다(Feedback)
 포스포프록토키나아제는 해당작용을 조절하는 제한 효소이다.
(ATP와 citrate에 의해서 그 작용이 억제, AMP와 Pi, 1,6-이인산과당에 의해서 촉진)
 피루브산키나아제
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<헥소키나아제>
 헥소키나아제는 네 가지 동위효소가 있음(I ~ IV)
 IV형은 글루코오스에 대한 기질 특이적이므로 글루코키나아제(GK, glucokinase)라 함
 골격근에 있는 세포의 헥소키나아제 I~III형 :
- Km이 낮아서 글루코오스 농도가 낮을 때에도 글루코오스를 인산화 시킬 수 있음
- 글루코오스 농도가 아주 높아도 최대반응속도(Vmax)가 낮고,
생성물인 글루코소스 6-인산에 의해 되먹임저해(feedback inhibition)를 받아서
글루코오스가 소비되는 속도 이상으로 작용 할 수 없음
 글루코키나아제 :
- Km이 커서 글루코오스 농도가 높을 때만 작용
- 글루코키나아제는 간에만 있으며 유도효소임(혈당의 항상성을 유지하는데 큰 역할)
(혈당이 증가하면 글루코키나아제 작용은 증가하지만, 헥소키나아제는 변화 없음)
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<포스포프락토키나아제>
 두 번째 인산화는 PFK-1에 의해 조절되는 반응
 전체 해당과정의 속도조절에서 가장 중요한 조절점
 PFK-1은 다른자리입체성 조절과 효소단백질 공유결합에 의한 인산화-탈인산화에
의해 조절
 PFK-1은 고농도의 ATP에 의해 저해되고, 고농도의 AMP에 의해 촉진됨
 구연산의 농도가 높으면 해당과정으로 글루코오스가 흘러가는 것을 저해
 PFK-1의 가장 중요한 활성제는 F2,6BP 이다.
(F2,6BP는 인슐린에 의해 증가, 글루카곤에 의해 감소)
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<피루브산 키나아제>
 PEP가 피루브산으로 탈인산화 되는 반응을 촉매
 F1,6BP에 의한 다른 자리입체성 조절로 촉매
 공유결합에 의해서도 활성이 조절됨
- 공복시 해당과정이 저해됨
- 글루카곤에 의한 피루브산 키나아제 활성 억제
 피루브산 키나아제 결핍되면 용혈성 빈혈이 생김
- 적혈구는 미토콘드리아가 없으므로 해당과정이 유일한 ATP 생산경로 임
- 피루브산 키나아제의 유전적 결핍은 해당과정에 의한 ATP 공급 부족 야기
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