질소화합물의 대사

질소화합물의 대사

생명과학의 기초 생화학

Chapter 10

10장의 개요

10.1 아미노산의 분해 10.2 요소회로

10.3 아미노산의 생합성

10.4 핵산염기의 합성 및 분해

10.1 아미노산의 분해

- 오스본과 멘델(1914년):

음식물에 트립토판과 라이신이 반드시 필요하다는 연구결과 발표

- 로즈: 8개의 다른 아미노산이 쥐의 성장에 필수 - 동물에는 방향족고리합성 효소의 결핍

- 동물의 단백질 전환속도(반감기): 2~10일,

헤모글로빈 30일, 근육단백질 180일, 콜라젠 1000일 - 체내 합성 가능한 아미노산  비필수아미노산

아미노산의 일반적인 반응

- 아미노기 이동반응, 탈아미노화반응, 탈카복실화반응 - 질소의 공급원: 고등생물 NH₃

- 소화기장내에서 적은 펩타이드로 가수분해됨

 혈액  간으로 운송

- 간: 혈액 단백질, 혈청알부민, 글로뷸린,

파이브리노젠, 프로트롬빈의 합성하는 장소 제공 - 높은 비율로 단백질합성과 파괴  평형을 유지

- 아미노산의 분해: 글루코스의 전구체로 분해 글루코제닉 (α-케토글루탈산, 석시닐CoA, 퓨말산, 옥살아세트산,

아세틸CoA, 아세토아세트산) - 지방산이나 케톤체합성의 전구체

 케토제닉(아세틸CoA, 아세토아세트산)

1. 아미노그룹이동반응

- 아미노그룹 공여체

 케토산(아미노산 형성)

- 글루탐산아미노그룹이동효소

 글루탐산, α-케토글루탈산 기질쌍 중의 하나

- 글루탐산-알라닌아미노그룹 이동효소 - 피리독살인산 조효소  쉬프염기 형성

 전자의 재배치  수용체 케토산과 반응

 새로운 아미노산

- 아미노그룹 이동효소  반응은 세포질

- 글루탐산은 내부마이토콘드리아 막으로 침투

 마이토콘드리아의 간질로 들어가게 됨

2. 탈아미노화반응

- 글루탐산탈수소효소:

L-글루탐산의 NAD⁺에 의한 산화성 탈아미노화

 α-케토글루탈산, NH₃와 NADH 생성

- 앞의 반응10-3과 글루탐산 아미노그룹이동과의 연결은 모든 다른 아미노산들의

탈아미노화메커니즘을 뒷받침해 줌

- 얻어진 NH₃ 독성  배설,

동물에서는 해독작용의 메커니즘 필요  요소회로 - 식물: NH₃는 비독성 아마이드인 글루타민,

아스파라진으로 전환

· 예: 루핀 씨앗의 발아 시 건조한 무게의 20%의 아스파라진이 쌓이게 됨

- 글루탐산  프롤린, 오르니틴 전구체로 기능, 간접적으로는 하이드록시프롤린,사이트룰린, 아르지닌의 전구체가 되기도 함

- 글루탐산탈수소효소  다른자리입체성 조절을 받는 것 ATP, NADH  방해제 / ADP, NADP  활성제

3. 아미노산산화효소에 의한 반응

- 산화성 탈아미노화반응  플라빈효소

- 위 반응은 실제로 두 단계를 거침:

아미노산의 산화반응

- 자발적인 가수분해반응

- 반응에서 환원된 플라빈

 O₂에 의해서 H₂O₂를 생성

4. 암모니아분해효소

- α-탈아미노화효소에 의해서  아스파테이스

- 글루탐산탈수소효소와 함께 유기체에서

아미노산의 α-위치에 NH₃ 형태의 무기질소를 유입시키는 반응 촉매

- 히스티딘, 페닐알라닌,

타이로신의 탈아미노화반응 촉매  비가역적

5. 특수 탈아미노화효소

- 간의 세린탈수소효소  탈아미노화 반응 - 세린에 특이적  NH₃상실

- 원자의 재배치로 피류브산을 만들게 됨

- 조효소: 피리독살인산 - 중간체: 쉬프염기

- 트레오닌탈수소효소  탈아미노화

 α-케토글루탈산 - 시스테인 탈아미노화

 시스테인디설퍼하이드레이스

6. 탈아마이드화효소

- 글루타민과 아스파라진

 아마이드그룹의 질소제거

- 탈아마이드화효소

 NH₃생성 - 글루타민:

질소대사과정에서

아미노그룹의 전구체로 역할

 비독성형태

 암모니아 이동 저장에 사용

7. 탈카복실화반응

- 아미노산들이 탈카복실화되는 반응

- 히스티딘탈카복실화효소  히스타민 생성

- 3,4-다이하이드록시페닐알라닌

 도파민(혈관수축제)

- 뇌에서 탈카복실화효소: 5-하이드록시트립토판

 세로토닌(혈관수축제, 신경전달물질)

 장수말벌, 두꺼비독액

- γ-아미노뷰틸산(GABA) 생성

피류브산으로 분해되는 아미노산들

- 알라닌, 시스테인, 글리신, 트레오닌

- 알라닌: 아미노그룹이동효소  피류브산 - 세린: 세린탈수소효소  피류브산

 α-수소제거, PLP효소

- 아미노아크릴산은 효소의 도움 없이 이민으로 토토머화 됨

- 글리신: 세린하이드록시메틸전달효소

 세린 C_α-C_β결합의 절단

- 글리신 분해: 유전적 효소결핍

 비케토성 고혈압

 많은 글리신의 축적: 정신장애

- 트레오닌분해: α-아미노-β-케토뷰틸산

 아세틸CoA와 글리신이 만들어짐

석시닐CoA로 분해되는 아미노산

- 아이소루신, 메싸이오닌, 발린

 프로피오닐CoA가 되며 석시닐CoA가 얻어짐 - 메싸이오닌의 분해경로:

S-아데노실메싸이오닌(SAM)과 시스테인 합성관여 - SAM  메틸기를 수용체에 주고

S-아데노실호모시스테인이 되며

 호모시스테인  세린과 결합  시스타티온

 시스테인

- α-케토뷰틸산의 탈카복실화

 프로피오닐CoA  석시닐CoA

아이소루신, 루신, 발린

- α-케토산으로 만들어지고, 아미노기의 교환, 해당되는 아실CoA로 산화적 탈카복실화반응 그리고 FAD에 의한 탈수소화반응을 거쳐

석시닐CoA가 얻어짐

 아미노 교환반응 해당의 아실CoA

- 유전병: 가지사슬 α-케토산탈수소효소 결함

 연속적인 α-케토산 배출

 단풍나무시럽소변병

아세틸CoA 및 아세토아세트산으로 분해되는 아미노산

- 라이신의 분해  β-크로토닐CoA가 얻어짐

 케톤체인 아세틸CoA와 아세토아세트산으로 전환 - 동물의 간에서 일어남  사카로핀이 얻어짐

 아세토아세트산 + 2CO₂ 얻어짐 - 라이신  사카로핀 효소 결함

 혈액 및 소변에 라이신의 함량이 많아져

과다라이신 혈증과 과다라이신뇨증에 걸림

 정신적 육체적 장애

옥살아세트산으로 분해되는 아미노산

- 아스파트산, 아스파라진이 분해되어 옥살아세트산이 얻어짐

- 아스파트산:

아미노기를 글루타민에 주고 옥살아세트산이 만들어짐

- 아스파라진:

L-아스파라지네이스

 옥살아세트산 생성 - 급성림프백혈병:

혈액에 충분한 아스파라진

 아스파라지네이스 혈액에 주입

 암세포를 파괴시킴

α-케토글루탈산으로 분해되는 아미노산

- 아르지닌, 글루탐산, 글루타민, 히스티딘, 프롤린 분해되어 글루탐산이 되며,

α-케토글루탈산(글루탐산탈수소효소 촉매)으로 산화 - 글루타미네이스: 글루타민  글루탐산

- 신장에서 글루타미네이스에 의해서 만들어진

암모니아는 양성자와 결합, NH₄⁺을 만들고, 배설 - 히스티딘: 비산화적 탈아미노화, 물이 첨가되어

 이미다졸고리 절단

 N⁵-포름이미노-THF를 만드는 THF에 전달 - 아르지닌, 프롤린: 글루탐산-5-세미알데하이드

 글루탐산

퓨말산 및 아세토아세트산으로 분해되는 아미노산

- 페닐알라닌

 타이로신(페닐알라닌하이드록실화효소, 바이오테린 조효소)

- 아미노그룹의 전달효소에 의해 탈아미노화



β

 호모젠티스산 (바이타민C가 탈수소반응의 수소수용체로)

 4-말레일아세토아세트산

 퓨말산, 아세토아세트산

- 트립토판

 트립토판 2,3-탈수소효소에 의해서 인돌고리 절단

 N-포밀키뉴레닌(키뉴레닌-3-인산화효소)

 3-OH-키뉴레닌(가수분해)

 알라닌 + 3-OH-안트라닐산

 α-케토아디프산

 아세토아세트산

알라닌 및 아세토아세트산으로 분해되는 아미노산

10.2 요소회로

요소회로반응

- 유기질소화합물의 합성에서 남은 여분의 암모니아는 동물에서 다른 방법으로 배출

- 포유류는 NH₃의 질소원자를 요소로 변환시켜 소변으로 배출

- 크렙스, 헨스라이트: 쥐 간세포에서  CO₂와 NH₃ 로부터 요소가 만들어지려면 에너지 필요

 젓산과 글루코스 에너지

- 요소회로 = 오르니틴회로: 4개의 효소촉매반응

 2개는 마이토콘드리아, 2개는 세포질 - 오르니틴, 사이트룰린

 단백질에 포함되지 못하는 α-아미노산

1단계: 오르니틴트렌스카바모일레이스

- 카바모일인산  오르니틴  사이트룰린합성

2단계:

아르지니노석신산합성효소 - 사이트룰린  아르지닌 - 에놀릭형의 사이트룰린이

아스파트산과 반응

 아르지니노석신산

- 아르지니노석신산합성효소: ATP, Mg²⁺ 필요 - 사이트룰린의 유레이도기

 아스파트산의 아미노기와 축합

- ATP는 중간체형성의 유레이도 산소원자를 활성화 - 요소의 두 질소원자 중

 한 개는 아스파트산

 다른 한개는 카바모일인산에서 오게 됨

- 아르지니노석시네이스

 아르지닌  퓨말산  옥살아세트산

아르지네이스

- L-아르지닌의 비가역적 가수분해

 오르니틴과 요소 생성

- 오르니틴은 다른 회로를 위하여 마이토콘드리아로 되돌아감

- 요소회로:

요소  NH₃, CO₂, 아스파트산의 아미노그룹으로부터 형성

- 요소는 NH₃보다 독성이 적고 물에 잘 녹음

요소회로의 조절

- 카바모일인산합성효소

 N-아세틸글루탐산

(다른자리입체성 활성화) - 아미노산의 분해 활성화

 N-아세틸글루탐산의 증가 - 증가된 글루탐산

 N-아세틸글루탐산의 합성의 증가 - 요소회로: 기질의 농도에 의해 조절 - 손상된 요소회로: 기질농도의 증가

 암모니아로 되돌리려는 모든 방법 가동

 고암모니아증(혼수상태, 정신지체)

질소고정

- 공생하는 고등식물: 박테리아, 비공생 미생물

- 다이아조트롭 세균  질소가 유용한 형태로 변환 - 다이어조트롭: 토양호기성유기체,

토양혐기성박테리아, 광합성박테리아, 엘지 - 공생체계: 콩과식물, 클로버, 자운영, 콩

- 190여종의 관목, 나무, 오리나무속과 식물

 높은 산 호수의 비옥한 정도

 입구근처의 나무의 수로 결정

- 뿌리혹: 리조비아박테리아에 의해서 형성되는 특별한 종양  실뿌리

- 박테리아가 가진 질소고정효소를 합성하도록

 박테리아의 mRNA에 의해 숙주에 전달됨 - 박테리오이드  리조비아의 감염

 생화학적으로 완벽한 질소고정체계의 보유 - 레그헤모글로빈: 질소고정효소복합체계

- 산소화된 레그헤모글로빈

 낮은 유리상태의 산소를 ATP를 발생하는 데 사용하는 박테리오이드의 산화적

인산화지역으로 운반

- 1906년 케나한: 클로스트리듐 파슈튜리아넘의 수용성 추출물을 사용하여 실험관에서 질소기체를 환원시켜 암모니아를 만드는 실험을 처음으로 수행

- 많은 양의 피류브산을 추출물에 첨가

 케토산이 인산화적인 붕괴로 아세틸인산, CO₂, H₂를 만들도록 한 것 발견

- 추출물을 두 부분으로 분리:

1. 수소를 제공하는 체계  피류브산으로부터 페레독신을 거쳐 질소고정체계로 흐르도록 함

2. 질소고정체계  질소가 암모니아로 전환되는 과정 수행  피류브산은 직접 질소고정에 참여하지

않으나 전자와 ATP의 공급원으로 기능

질소고정효소 복합체계의 성분 - 전자공여체

- 전자수용체(예: 질소기체) - Mg²⁺(2가 양이온)- ATP - 두 단백질의 성분

 분자량이 170,000 비힘철단백질

 분자량이 55,000 비힘철단백질 - 전자수용체로 질소가 결핍될 때

 ATP는 ADP와 무기인산으로 가수분해 (ATPase의 활성)

- 몰리브데늄페레독신과 아조페레독신이 필요

질소고정효소복합체의 기능 - 질소고정효소복합체

 환원되고 전자의 연속확산에 의해서 활성화 - 아조페레독신, 몰리브데늄페레독신의 활성화된

복합체  전자들의 수용체인 질소분자(N₂)에 이동 - 질소분자 결핍 시

 프로톤은 환원되고 수소기체 배출

- 질소 고정의 측정: 표준 조건하에서 토양이나 물 시료에 의해서 아세틸렌이 환원되어 에틸렌으로 되는 속도를 측정

 N₂고정에서 다른 환경적 인자의 영향 평가 자료

1. 암모니아의 동화

- 질소원자가 NH₃형태로 유기화합물에 유입되는 과정

(1) 글루탐산탈수소효소 (2) 글루타민합성효소 (3) 카바모일합성효소

- 글루탐산탈수소효소에 의해 촉매되는 NH₃가 글루탐산의 α-아미노그룹으로 전환되는 과정

 암모니아의 동화의 주된 메커니즘

- 대장균의 새로운 효소인 글루탐산합성효소

 L-글루타민을 간접적인 NH₃의 공급원으로 활용 - 글루타민은

아미노질소원자의 운반체로 기능

- 10-22와 10-24연결, 유기체는 한 분자 글루탐산을 생성하기 위하여

한 분자의 ATP, 한 분자의 NADPH 사용 - 비가역적 반응

- 글루타민합성효소를 갖는 유기체

 유기질소화합물의 합성을 위해

낮고 비독성 수준의 암모니아 활용

- 고등식물  글루탐산합성효소  NADPH대신 글루타민과 환원된 페레독신 사용

2. 질소고정효소의 활성조절

- 과잉의 암모니아 축적  질소고정효소 합성의 방해

 성장하는 세포에 의해 암모니아 활용 - ATP

 질소고정효소를 정밀하게 조절하는 경쟁적 방해제 - ADP/ATP=0.2  53% 효소기능 방해

- ADP 농도의 증가  질소고정효소의 활성이 정지 - 단백질마다 다른 아미노산의 분포:

콩  메싸이오닌 부족.

밀  메싸이오닌 풍부, 라이신 부족

- 우유: 필수아미노산 골고루 들어있음(비타민 포함)

10.3 아미노산의 생합성

비필수아미노산의 생합성

- 케토산들은 아미노그룹의 이동에 의해

· 피류브산  알라닌

· 옥살아세트산  아스파트산

· α-케토글루탈산  글루탐산

- 글루탐산족: 글루탐산의 탄소골격이 여러

아미노산이 여러 아미노산들을 만들 수 있음

- 글루탐산은 프롤린이나 오르니틴으로 변환될 수 있음

1. 세린, 글리신 및 시스테인의 합성

- 세린  3-인산세린

 3-인산하이드록시피류브산  3-인산글리셀산 - 글리신

 세린을 하이드록시메틸전달효소에 의해서 N⁵,N¹⁰-메틸렌-THF를 축합시켜 얻음

- 시스테인(동물)  호모시스테인

 메싸이오닌 분해(그림10-5, 반응 5와 6)

- 시스테인(박테리아, 고등식물)  시스테인 황의 공급원 - 포유류 호모시스테인 + 세린

 시스타싸이오닌합성효소II

 시스테인, α-케토뷰틸산, NH₃

2. 알라닌, 아스파라진, 아스파트산, 글루탐산과 글루타민의 합성

- 알라닌, 아스파트산, 글루탐산

 해당하는 α-케토산의 탄소골격인

피류브산, 옥살아세트산, α-케토글루탈산의 아미노그룹이동효소에 의해서 합성

- 아스파라진  아스파라진합성효소

 아스파트산의 아마이드화

- 글루타민  ATP의존성 글루타민합성효소

 γ-글루타밀인산의 중간체

- 프롤린, 오르니틴, 아르지닌  글루탐산

- 글루탐산  프롤린, γ-카복실기를 알데하이드로 환원, 쉬프염기 형성, γ-글루탐산인산화효소

 글루탐산-5-인산

- 글루탐산은 오르니틴-δ-아미노전달효소에 의해 오르니틴 생성

- 요소회로의 반응에 의해서 아르지닌으로부터 얻게 됨

필수아미노산의 생합성

- 루신, 아이소루신, 발린  피류브산족으로 분류 - 피류브산 + TPP

 하이드록시에틸TPP(HE-TPP)로 탈카복실화

 아세토아세트산  발린

- 발린, 루신, 아이소루신 합성의 최종단계

 PLP의존성, 글루탐산의 아미노기전달효소에 의해서 아미노기 획득

- 주로 미생물과 식물에 존재하는 합성경로를 따라 만들어짐

1. 루신, 아이소루신, 발린의 합성

2. 라이신, 메싸이오닌과 트레오닌의 합성

- 탄소골격  아스파트산에서 유래 - 아스파트산  아스파트-β-인산

 β-아스파트산 세미알데하이드  라이신 - β-아스파트산세미알데하이드  호모세린

 메틸그룹을 호모시스테인에 이동  보조효소 B₁₂

 호모시스테인의 메틸화  SAM의 생성

 아데노실그룹의 첨가

- 심장질환  높은 농도의 호모시스테인

 혈관내벽의 손상, B₆의 처치로 호모시스테인의 대사를 활성화시켜 농도 낮춤

3. 페닐알라닌, 타이로신 및 트립토판의 합성

- PEP + 에리뜨로스-4-인산  2-케토-3-데옥시-D- 아라비노헵튤로소네이트-7-인산

 고리화  코리슴산 안트라닐산  트립토판 - 프레펜산  타이로신, 페닐알라닌

- 트립토판의 아미노기

 인돌에 첨가된 세린분자에서 유래

- 안트라닐산 + PRPP  N(5’-인산라이보실)-

안트라닐산  OH그룹과 CO₂의 제거  인돌 고리 얻어짐

- PRPP  히스티딘합성의 중간체, 뉴클레오타이드의 합성에도 탄소골격 제공

4. 히스티딘의 합성

- 히스티딘의 탄소골격은 6개의 탄소 중 5개를 PRPP로부터 얻게 됨

- 나머지 1개 탄소  ATP

- PRPP + ATP  N’-5’-인산라이보실ATP

 아데닐고리 파괴, 글루타민 제거 - 이미다졸 글리세롤인산

 아미노그룹이동, 카복실  히스티딘

아미노산의 대사산물-힘의 합성

1. 힘(heme)의 합성

- 엽록소, 헤모글로빈, 사이토크롬  폴피린

- 폴핀  4개의 피롤 고리의 메틸 다리(-C-CH=) 공액성

- 프로토폴피린 IX  60개의 가능한 구조 중의 하나 - 테트라피롤  마그네슘이 엽록소에, 철이 힘,

사이토크롬, 퍼옥시데이스, 케털레이스에, 코발트가 코발아민이나 변형된 테트라피롤에 존재

- 쉐민과 그레닉:

폴피린구조

 글리신과 석신산에서 유래됨을 확인 - 폴피린의 합성 4단계

· 1단계: 글리신 + 석시닐CoA

 δ-아미노레뷰린산합성효소를 사용하여 δ-아미노레뷰린산을 만들게 됨

 속도조절단계

 힘과 히민인 최종산물에 의해 방해됨

· 2단계: ALA(아미노레뷸린산)

 ALA탈수소효소에 의해 축합

 폴포빌리노젠

· 3단계: 유로폴피리노젠의 합성

 4개의 이성체들 중에 유일하고 정확한 이성체

· 4단계: 코폴피리노젠III의 생성

 유로폴피리노젠 III의 고리 I, II, III, IV의 아세틸가지사슬이 코폴피리노젠 III의

메틸그룹형성

- 고리I, II의 프로피오닐잔기와 또 α, β, γ, δ 위치의 메탄 다리들이 특수 산화

페로킬라테이스에 의해 Fe²⁺를 테트라피롤에 삽입시켜 힘을 형성

- 프로토폴피린IX은 녹색식물에서 엽록소로 변환 - 사이토크롬 c 힘골격은 특수단백질의 시스테인

잔기에 싸이오에터 결합으로 연결

10.4 핵산염기의 합성 및 분해

퓨린라이보뉴클레오타이드의 생합성

1. 퓨린뉴클레오타이드의 합성

- PRPP로부터 시작

- 포유류, 새, 박테리아에서 모두 동일

- 퓨린생합성의 시작은

α-5-인산라이보실-1-이인산의 합성으로, ATP와 라이보스-5-인산으로부터 얻어짐

- 글리신아마이드라이보타이드 및

포밀글리신아마이드라이보뉴클레오타이드 합성

- N-포밀글리신아미딘라이보타이드 합성

- 5’아미노이미다졸 라이보타이드의 합성

- 5-아미노이미다졸-4-N-

석시노카복사마이드라이보타이드 합성

- 전체반응 요약

2. 뉴클레오타이드의 상호변환

- 뉴클레오타이드 AMP와 GMP는 퓨린경로의 초기생성물인 이노신산으로부터 만들어짐

 AMP의 경우, 6위치의 질소원자는 아스파트산에 의해서 제공

 그 다음 치환된 석신산은 아스파테이스에 의해서 절단되어 AMP와 퓨말슨을 만듦

- 면역기능에 관여하는 B-림프 또는 T-림프세포가 많이 증식되게 하기 위해 구아노신이 급격하게 공급되어야 함

 IMP탈수소효소의 활성이 증가 - 마이코페놀산  면역억제제

3. 퓨린뉴클레오타이드생합성의 조절

- 두 다른 수준에서 조절 가능

- 최종생성물인 AMP, ADP, ATP에 의해서

어떤 조절부위가 방해되며, 또 다른 조절부위는 GMP, GDP, GTP에 의해서

되먹임방해를 받게 됨

- 또 다른 조절은 서로 갈라지는 지점인, 이노신에서 이루어짐

피리미딘라이보뉴클레오타이드의 생합성

1. 피리미딘뉴클레오타이드의 합성

- 피리미딘의 핵에 포함된 원자들은 CO₂, NH₃, 아스파트산으로부터 유래

2. 피리미딘뉴클레오타이드의 합성의 조절

- 동물의 경우 카바모일합성효소II의 효소활성이 조절

 UDP와 UTP에 의해 억제, ATP와 PRPP에 의해서 활성화

 OMP탈카복실화효소에 의해서 조절, CMP는 경쟁적인 방해제

- 유전적으로 결손  빈혈증

치료방법  유리딘 또는 사이티딘 투여

 카바모일인산합성효소II의 활성을 억제

데옥시라이보뉴클레오타이드의 생합성 - 싸이오레독신

 산화환원 운반체로 기능하는 비교적 작은, 간단한 폴리펩타이드

 활성그룹은 두 개의 시스테인잔기로 산화되어 내부 이황화 그룹을 형성  NADPH에 의해 환원

- 타이민

 타이민합성효소와 사수소엽산에 의해서

데옥시유리딜산으로부터 만들어 짐

 엽산이 필요한 과정은

아미노테린과 아메도테린에 의해서 방해

뉴클레오타이드의 분해

1. 퓨린의 분해

- 통풍  물에 잘 녹지 않은 요산의 소듐염이 주로 관절에 축척되어 신경말단부를 자극하는 성인 남자에게 나타나는 질병

- 원인  하이포잔틴-구아닌인산 라이보실이동효소의 결핍으로 과다한 요산염이 만들어짐

- 치료제  N⁷과 C⁸의 위치가 변경된 하이포잔틴의 유도체  알로퓨리놀

2. 피리미딘의 분해