에너지의 생화학
- 세포에서 합성 anabolic - 세포에서 붕괴 catabolic
1. 자유에너지의 측정
2. 고에너지화합물
(1) 이인산화합물
- pH 2~3 일차수소 / p
K
a 6.5 이차수소 이온화- ATP ADP
- G-6-P G의 가수분해 비교
- 반응물보다 생성물 현저하게 안정
에너지 큰 감소
- 안정성에 영향을 주는 원인
(1) 정전기적인 반발 긴장된 결합 (2) 이온화로 인한 생성물의 안정화 (3) 이성화를 통한 생성물의 안정화 (4) 공명에 의한 생성물의 안정화
- ATP의 경우: pH 7.0에서 이인산 부분이 완전히 이온화 고에너지화합물
- P=O 에 결합된 전자들
전기음성적인 산소에 끌려 원자에 부분적으로 음하전을 갖게 만듦
- 인-산소결합이 극성화로 인해 인원자의 부분에 양하전을 띠게 됨
- ATP의 이인산구조에서 근처의 인원자가 갖는 양하전의 존재 때문에, 이때 분자에는 근처의 하전들 사이의 정전기적인 반발을 이기려는
충분한 내부에너지를 포함하게 됨
- 가수분해에 의해서 이인산 구조가 파괴되면 에너지발산 -ΔG값이 증가하는 원인
- 글루코스-6-인산 하전의 반발이 없음
- AMP에서 아데노신으로 가수분해는 반발이 없음 - ΔG’ = -2200(pH,7.0)
- ATP ADP AMP + Pi ΔG’=-8600cal
- 생물체에서 ATP-ADP에너지체계는 매우 중요한 기능 (1) 이인산가수분해효소 2몰의 무기인산생성
(2) ATP + AMP
2몰의 ADP
(2) 아실인산
- 1,3-이인산글리셀산
아실인산의 좋은 예
표준자유에너지값은 11,8kcal/mol
- 아실인산그룹의 C=O결합
이중결합에서 전자를 전기음성인 산소에 가깝게 보내려는 경향
상당히 극성 성질
- 탄소와 인원자 사이의 부분적인 양하전 간의 반발을 이기려는 에너지 필요
- pH 7.0에서 일,이차 수소이온이 이온화되고 무기인산에서 삼차수소는 이온화되지 않음
(3) 에놀인산
- ADP ATP로 재생반응에
인산에놀피류브산(PEP) 필요로 함
고에너지 에놀인산 가수분해로 얻어지는
자유에너지변화 pH 7에서 14,800cal/mol
- 불안정한 에놀형 피류브산 에놀형
인산에스터 결합에 의해서 PEP로 안정화
에놀형은 곧 이성화
더욱 안정한 케토구조
토토머화(PEP 생물체에서 가장 높은 에너지)
(4) 싸이올에스터
- ADP로부터 ATP를 만드는 데 사용되는 화합물은 싸이올에스터인 아세틸CoA ΔG’ = -7500cal/mol
(5) 구아니듐인산 - 포유동물
인산크레아틴과 인산아르지닌
- 포스파젠(phosphagen)
- 효소 ATP에 의해서 인산화로 얻어짐 - 인산아르지닌
가수분해 공명 안정한 구아니듐 그룹 생성
- ATP ADP가 표의 중간위치 그래서 ATP가 에너지 이동에 관여하는 많은 다른 반응에 관여하는 독특한 특성
다른 뉴클레오타이드의 활용 - UTP: 다당체의 생합성에만 사용
- GTP: 단백질의 합성 - CTP: 지질의 합성
- UTP, GTP, CTP는 ATP와 함께 RNA 합성에 관여 - 고리형 AMP(cAMP)
고에너지이나 알려진 기능 없음
이차신호전달체
3. 반응의 연결
- 세포내의 발열반응의 에너지
관련되는 흡열반응의 진행에 사용
공통적인 중간체를 갖는 연결반응을 통하여(글루코스 젓산의 전환과정)
- D-글리셀알데하이드-3-인산은 산화되어 3-인산글리셀산을 얻게 됨
- 이 반응은 수화된 형태의 알데하이드
두 개의 수소원자 제거로 발생
- 이 반응 11,800cal을 소비하는 아실인산인 1,3-이인산글리셀산의 중간체를 참여시킴 - 실제 1,3-이인산글리셀산 형성반응
산화 환원반응과 인산화 반응이 연결됨
- 아실인산은 ATP합성에 사용
- 반응 6-19의 ΔG’ 는 반응 6-17의 ΔG’ 에 반응 6-18의 ΔG’ 를 더하여 계산됨
해당작용
1. 소개
- 탄수화물은 살아 있는 유기체가 필요한 주된 에너지원
- 동물에서 탄수화물은 주로 간(2~8%)이나 근육(0.5~1%)에 글라이코젠으로 저장
- 근육에 저장된 글라이코젠은 한정된 시간에 수축작용의 중요한 에너지원으로 사용
- 대사과정을 통하여 전분이나 글라이코젠으로부터 얻어지는 최종화합물 글루코스
2. 해당작용의 정의
- 글루코스가 혐기성으로 붕괴되는 반응들의 순서
해당반응과정
- 이 경우에는 어떤 과정의 반응을 거쳐
해당작용(glycolysis)의 중간체로 얻어지고, 순서의 해당작용을 거치게 됨
3. 알콜의 발효
- 1몰의 글루코스에서 2몰의 탄산가스와 에탄올이 생성
- 주로 효모나 몇 개의 다른 미생물에서 일어나는
알콜발효과정은 해당작용반응의 순서에서 마지막 두 반응만을 제외하고는 해당작용의 여러 반응과 동일
해당과정의 반응들
- 글루코스가 혐기적으로 붕괴되는 반응들의 순서
1mol의 글루코스가 2mol의 젓산이 되는 과정 - 글루코스 젓산 10개 반응이 관여
- 첫 네 개의 반응:
글루코스 D-글리셀알데하이드-3-인산 - 준비단계의 4반응:
글루코스분자가 인산화되는
글리셀알데하이드-3-인산이 형성되기 이전의 반응
1. 1단계
- 반응 1:
· 글루코스 글루코스-6-인산
· 헥소스인산화효소 광범위한 기질특이성
· 생성물에 의해서 효소활성이 방해
- 반응 2:
· 글루코스-6-인산 프럭토스-6-인산
· 인산헥소스이성화효소
· 글루코스-6-인산의 이성화반응 촉매
· 골격근육에 광범위하게 정제됨
· 실제 당의 열린사슬형태가 관여
엔다이올 중간체
- 반응 3:
· 프럭토스-6-인산 프럭토스-1,6-이인산
· 인산프럭토스인산화효소
· 대사조절에 중요 효소
· 다른자리입체성 효소
· ATP, 시트르산은 프럭토스-6-인산의 합성 방해
· AMP, ADP, 프럭토스-6-인산은 효소를 활성화
- 반응 4:
· 프럭토스-1,6-이인산
글리셀알데하이드-3-인산 + 다이하이드록시아세톤인산
· 알돌레이스: 와브륵에 의해서 광범위하게 정제
· 케토스의 일인산이나 이인산의 붕괴반응을 촉매
· 반응에 두 개의 생성물 왼쪽 오른쪽
· 역반응 알돌축합반응
2. 2단계
- 반응 5:
· 글리셀알데하이드-3-인산
다이하이드록시아세톤인산
· 트리오스인산 이성화효소
· 글리셀알데하이드-3-인산의 산화
· 케토스인산
진화시 트리오스인산이성화 효소 발생
- 반응 6:
· 글리셀알데하이드-3-인산
1,3-이인산글리셀산
· 글리셀알데하이드-3-인산탈수소효소
· 산화환원 관여 에너지 발생단계
· 고에너지 인산화합물의 생성
· 아실인산의 형성
· 산화제로 조효소인 NAD+가 관여
· 트리오스인산탈수소효소
환원된 상태의 –SH그룹
· 아이오도아세트아마이드
비가역적으로 -SH그룹에 부착
· 글리셀알데하이드-3-인산탈수소효소
· NAD+효소 존재하에 알데하이드의 산화
싸이오에스터
· 아실-효소화합물의 NADH가 NAD+로 교환
· 효소아실그룹 무기인산
- 반응 7:
· 1,3-이인산글리셀산
3-인산글리셀산
· 1,3-이인산글리셀산인산화효소
· ATP생성
- 반응 8:
· 3-인산글리셀산 2-인산글리셀산
· 인산글리셀산전환효소
· 인산글리셀산전환효소
활성의 보조인자로
2,3-이인산글리셀산을 필요로 함
· 메커니즘:
효소는 2,3-이인산글리셀산
이인사화된 효소
해리되어 일인산화된 효소와
3-인산글리셀산과 2-이성체를 만듦
- 반응 9:
· 2-인산글리셀산 인산에놀피류브산
· 에놀레이스
· 2-인산글리셀산의 탈수로 고에너지의 인산에놀피류브산의 형성
· 탈수로 전자의 재배치
· Mg2+필요, F- 방해제
- 반응 10:
· 인산에놀피류브산 피류브산
· 피류브산인산화효소
· 활성에 Mg2+, K+ 이 필요
3. 피류브산에서 젖산의 생성반응(젖산탈수소효소) - NADH에 의한 환원 L(+)-젖산 생성
- NADH는 NADPH보다 170배 빠르게 반응에 기여
- 젖산탈수소효소 동위효소 - 심장 H4형, 골격근육 M4형
- H4형: 낮은 수준의 피류브산의 농도에서 활성, 10-3M이상에서 방해
- 심장 지속적인 에너지 공급, 글루코스 피류브산 전환
- 피류브산 TCA회로를 통하여 CO2, H2O를 만듦
알콜의 발효 - 효모와 근육
피류브산 이후의 대사가 다름 - 효모에는 피류브산탈카복실화효소
(피류브산 아세트알데하이드 + CO2)
- 동물의 피류브산탈카복실화효소는 타이민이인산(TPP)과 Mg2+ 를
조효소로 필요
- 아세트알데하이드
알콜탈수소효소
알콜, NADH관여
ATP의 생성
- 글루코스 G-6-P -ATP - F-6-P F-1,6-P
-ATP - 1,3-BPG 3-PG
+2ATP - PEP 피류브산
+2ATP
1. 다른 탄수화물의 활용
(1) 갈락토스의 활용
- 갈락토스 Gal-1-인산
- 간의 UDP
갈락토스이인산가인산분해 효소
UDP-갈락토스
- UDP-Gal UDP-G
- UDP-글루코스에피머화효소
- 갓난아기
인산갈락토스유리딜이동효소
- 유전병: 갈락토시미아(galctosemia)
유아 갈락토스 대사 불가능 - 백내장으로 발전, 정신지체아
(2) 글리세롤의 활용 - 글리세롤
글리세롤-3-인산
- 글리세롤인산 탈수소효소
다이하이드록시-아세톤-인산으로 NAD+ 산화제
- 전분, 글라이코젠에서 얻어짐 - 인산글루코스전환효소(mutase) (3) 글루코스-1-인산의 활용
(4) 다당체의 활용
- 다당체: 덱스트린
말토스, 아이소말토스, 글루코스 - 이당체: 말테이스와 아이소말테이스
글루코스로 쪼개짐 - α-아밀레이스
직선의 다당체 글루코스와 말토스
- 아밀로펙틴 α-1,6,결합 β-아밀레이스
비환원성말단으로부터 말토스 생성 - 가인산분해효소 사슬의 절단
2. 해당과정의 조절
- 근육에서 해당과정의 조절 효소
가인산분해효소
헥소스인산화효소
인산프럭토스인산화효소
피류브산인산화효소
글루코스신생합성의 조절
피류브산카복실화효소
프럭토스-1,6-이인산가수분해효소
글루코스-6-인산가수분해효소
글라이코젠합성효소3. 글라이코젠대사의 조절
- 동물조직에서
가인산분해효소, 글라이코젠합성효소
연쇄확장(cascade)
- 가인산분해효소 b 가인산분해효소 a
가인산분해효소인산화효소에 의해서 촉매
- (골격근육)단백질인산화효소 R2C2
cAMP가 R소단위체에 부착
촉진제 홀몬
- 에피네프린 증가되는 글라이코젠의 붕괴
글라이코젠 합성의 감소 - 췌장의 렝거헨섬
α-세포 글루카곤(에피네프린가 같은 작용) - β-세포 인슐린:
1. 글라이코젠합성효소인산화효소-3(G나-3)방해 2. 단백질인산화효소의 활성화
글라이코젠 붕괴의 억제
- 글루코스가 글라이코젠으로 합성 유도
혈액의 글루코스 농도 저하
탄수화물 대사관련 질병 (1) 대사조절에 관련된 질병: 당뇨병
- 인슐린 부족: 혈액의 글루코스 농도 증가 - 소변에 글루코스 배출, 40 ~ 60대
- 초기증상 다뇨, 갈증, 나른함
- 글라이코젠합성효소인산화효소 억제
- 인슐린 민감한 단백질인산화효소 활성의 증가
단백질가인산분해효소(PP1) 활성화 - 가인산분해효소인산화효소의 활성 방해
글라이코젠가인산분해효소 활성을 억제 - 결과: 글라이코젠 파괴의 억제
혈중 글루코스농도 감소