식품, 화학 관련 전공 및 시험대비 생화학 핵심 요점 요약 정리 7. 탄수화물 대사

7. 탄수화물 대사

 

※ 들어가기
• 우리 몸에서는 경로(pathway)라고 불리는 화학반응들이 연속된 형태로 일어남
• 탄수화물 섭취 → 글루코오스 농도 ↑ → 에너지 공급(해당과정, 구연산 회로 및 전자전달계)
• 탄수화물 섭취 부족 → 전구물질로부터 글루코오스를 합성(당신생경로)

1) 해당과정의 중요성과 글루코오스의 세포 내 유입

(1) 해당과정의 중요성
• 해당과정(glycolysis)은 일련의 반응을 통해, 육탄당인 글루코오스가 두 개의 삼탄소 분자로 분해되면서 글루
코오스의 자유에너지가 ATP와 NADH형태로 전환되는 과정임
- 식품으로 섭취되거나 체내에 저장된 탄수화물은 모두 글루코오스로 전환될 수 있음
- 해당과정은 가장 오래된 대사 경로로서, 산소가 필요하지 않음
- 해당과정은 모든 조직에서 일어남
- 에너지뿐 아니라, 다른 대사경로에서 필요한 중간 대사물을 생성하여 공급함
(2) 호기적 해당과정과 혐기적 해당과정

• 산소 공급 여부에 따른 분류
① 호기적 해당과정
• 미토콘드리아가 있는 세포에서 산소가 충분히 공급되는 경우 최종산물은 ‘피루브산’
• 해당과정에서 생성된 NADH는 미토콘드리아에서 NAD+로 재산화되는데, 이 때 산소가 소모되기 때문에 호기
적 해당과정이라 불림
② 혐기적 해당과정
• 미토콘드리아가 없는 세포(적혈구, 뇌세포 등)에서, 산소 공급이 충분하지 않을 때, 해당과정에서 생성된
NADH : 피루브산 → 젖산 환원에 사용
• 즉, 글루코오스가 젖산으로 전환되는 과정임
③ 알코올 발효
• 사람에서는 일어나지 않지만 효모, 일부 박테리아에서 해당과정의 결과로 생긴 피루브산의 알코올 발효가
일어남
(예) 포도, 보리 및 밀의 글루코오스 → 포도주, 맥주 및 빵의 알코올로 발효되는 과정
(3) 글루코오스의 세포 내 유입
• 해당과정이 시작되기 위해서는 글루코오스가 혈액으로부터 세포 내 유입되어야 함
• 글루코오스는 촉진확산이나 능동수송의 두 가지 방법 중 하나로 세포막을 통과함
• 모든 글루코오스의 세포막 통과는 수송체(transporter)를 필요로 함
① 촉진확산
• 조직에 따라 글루코오스 수송체(glucose transporter, GLUT)는 14종류(GLUT 1~14)가 있음
• 대부분의 글루코오스 수송체는 혈액 → 조직방향
- 간, 신장 : 고혈당 시 → 글루코오스를 세포 내로 유입
- 간, 신장 : 저혈당 시 → 세포에서 혈액방향으로 유출시킴
- 뉴런 : 매우 높은 친화력 → 저혈당 시에도 다른 조직보다 우선적으로 유입
- 골격근이나 지방세포 : GLUT 4 → 평소 소포에 저장 → 인슐린 → 세포 내 유입
② 능동수송

• 저농도 → 고농도로 이동

• 소장의 흡수, 신장의 재흡수과정에서 일어남, Na+ 세포 내 유입에 이용
• 소모된 Na+ 구배를 회복시키기 위해 ATP를 소모해야 함 → 2차 능동 수송

 

2) 해당과정의 반응
• 해당과정(10단계 반응) 참여 효소 : 모두 세포질에 존재
• 중간대사물 : 인산화된 육탄소 분자 혹은 삼탄소 분자
• 해당과정은 ATP 투자단계(전반부)와 ATP 수확단계(후반부)로 나뉨, 각 5개의 반응으로 구성됨
• ATP 합성은 후반부에 속하는 첫 반응의 생성물인 글리세린산 1,3-이인산과 포스포엔올피루브산에 보유된
고에너지인산기로부터 유리되어짐
(1) 반응 1 : 헥소키나아제에 의한 글루코오스의 인산화

① 글루코오스의 인산화의 중요성(첫번째 조절점)
• 해당과정의 10개의 반응 중 육탄당을 인산화시킴으로써 ATP를 생성할 준비를 하는 과정
• 세포 내로 유입된 글루코오스가 글루코오스 6-인산(G6P)으로 전환되어 유리 글루코오스로 돌아갈 수 없도
록 함
• 글루코오스의 인산화는 열역학적으로 자유에너지 감소가 커서 비가역적이기 때문에 글루코오스로 돌아갈 수
없음
• 글루코오스 6-인산은 친수성이기 때문에(인산기 음전하), 소수성인 세포막을 건너 옮겨줄 운반체가 없기 때
문
② 헥소키나아제와 글루코키나아제
• 동물세포에는 헥소키나아제의 네 가지 동위효소가 있음
※ 동위효소 : 동일한 반응을 촉매하지만 아미노산 서열, Km 및 조절 기전이 약간 다른 효소. 특정 조직이
나 발달과정 중에서 필요한 대사적 요구를 정교하게 맞출 수 있게 함
• I, II 및 III형 : 글루코오스, 프락토오스 및 만노오스 등의 육탄당에 두루 작용
• 헥소키나아제 I ~ III : 글루코오스를 에너지원으로 사용하는 대표적인 세포인 골격근에 존재하는 헥소키나
아제 I~III형은 Km이 낮음
• 글루코오스 농도가 높아도 최대 반응속도(Vmax) ↓
• 저혈당 시 에너지를 얻을 수는 있지만, 필요한 양만큼의 ATP만 생성하도록 해당과정의 속도를 조절함
• 글루코오스 농도가 낮아도 인산화가 가능함 → 글루코오스 6-인산에 되먹임 저해 → 필요한 양만큼의 ATP
만 생성
• IV형 : 글루코오스에 대해 기질 특이적 → 글루코키나아제(GK)로 불림
• 글루코키나아제는 Km이 높아 혈당이 높을 때만 작용하고, Vmax가 매우 큼
• 고당질식 직후 신속한 인산화 → 해당과정에서 빠른 소모가 가능
• 간에 존재 → 간이 혈당의 항상성을 유지하는데 큰 역할을 함
(2) 반응 2 : 포스포글루코오스 이성화질화효소에 의한 글루코오스 6-인산의 이성질화
• 프락토오스 6-인산(F6P)을 생성 → 반응 3과 4을 위한 필수적인 반응
- 반응 3 : 1번 탄소에 인산기 결합 → 1번 탄소 알코올기 필요
- 반응 4 : 3, 4번 사이 결합 해제 → 2번 탄소 카르보닐기 필요
(3) 반응 3 : 포스포프락토키나아제에 의한 프락토오스 6-인산의 인산화
• 프락토오스 1,6-이인산(F1, 6BP) 생성
• 포스포프락토키나아제-1(PFK-1) : PFK-2에 의해 조절됨
• 해당과정의 두 번째 조절점이자 경로전체의 속도를 정하는 속도조절 단계임 → 생성물인 F1, 6BP는 피루브
산까지 진행

(4) 반응 4 : 알돌라아제에 의한 F1, 6BP의 분열
• F1, 6BP는 알데히드인 글리세르알데히드 3-인산(GA3P), 케톤인 다이하이드록시아세톤인산(DHAP)으로 분
할
• 이 반응은 생성물이 신속히 제거되므로 실제 세포질 농도 조건에서는 가역적임
(5) 반응 5 : 삼탄당 인산 이성질화효소에 의한 DHAP의 GA3P로의 전환
• GA3P만이 해당과정의 다음 반응물이 됨 → DHAP는 가역적 이성질화에 의해 GA3P로 전환됨
• 결과적으로 전반부 반응 1~5를 거쳐 2개의 GA3P가 생성
• 후반부에서 ATP를 수확할 준비가 된 것으로 볼 수 있음
(6) 반응 6 : GA3P 탈수소효소에 의한 GA3P의 산화
• 글리세르알데히드 3-인산 탈수소효소에 의해 GA3P의 1번 위치의 알데히드기가 카르복실기로 산화 → 카르
복실기에 무기인산(Pi) 결합 → 글리세린산 1,3-이인산 생성(1,3-BPG)
• 이 단계에서 생성된 NADH는 세포의 산소공급 여부에 따라 다른 경로에 의해 재산화됨
(7) 반응 7 : 글리세린산인산 키나아제에 의한 1,3-BPG로부터 ATP의 생성
• 글리세린산인산 키나아제가 고에너지화합물인 1,3-BPG 분해로 생성된 에너지 이용
• 1번 탄소의 인산기를 ADP에 이동 → 글리세린산 3-인산(3PG)과 ATP를 생성하는 반응임
• 각 글루코오스 분자에 대해 두 분자의 GA3P가 생성 → 두 분자의 ATP가 생성됨
(8) 반응 8 : 글리세린산인산 뮤타아제에 의한 글리세린산 3-인산에서 인산기의 위치 이동
• 글리세린산 3-인산은 글리세린산인산 뮤타아제에 의해 인산기의 첨가 & 제거의 두 단계를 거쳐, 글리세린
산 2-인산(2PG)으로 가역적으로 전환됨
(9) 반응 9 : 엔올라제에 의한 글리세린산 2-인산의 탈수
• 엔올라제(enolase)에 의해 에너지 수준이 낮은 글리세린산 2-인산을 탈수시켜 에너지 수준이 높은 포스포엔
올피루브산(PEP)으로 전환시키는 반응
(10) 반응 10 : 피루브산 키나아제에 의한 PEP에서 ATP 생성
• 피루브산 키나아제에 의해 촉매되며, 세 번째 조절점
• PEP의 인산기가 ADP에 이동 → 생성물 : 피루브산의 엔올형 → 더 안정한 케토형으로 전환됨
• 글루코오스 한 분자당 2 ATP가 생성됨(두 번째 ATP 생성)

 

3) NADH의 재산화 : 젖산 탈수소효소
• 세포질 내 NAD+ 농도가 낮음
→ 해당과정이 계속 진행되려면 생성된 NADH는 재산화되어야 함
→ 산소 공급 상태에 따라 서로 다른 방법
• 산소공급 원할 시 : NADH의 재산화는 전자전달계가 있는 미토콘드리아에서 일어남
• 미토콘드리아가 없는 세포나 저 산소 상태 : 최종산물인 피루브산이 젖산으로 전환될 때 NADH가 산화됨
→ 최종산물은 젖산
(예) 수정체, 각막, 신장 수질, 정소, 백혈구, 적혈구
※ 젖산 축적과 근육통
- 격렬한 운동 중에는 근육세포의 NADH 생성(해당과정 및 TCA 회로에서) 과도하여 미토콘드리아에서의
산화속도를 초과한다. 이 경우 NADH/NAD+ 비율이 증가되고, 그에 따라 피루브산에서 전환되는 젖산이
증가한다. 따라서 갑자기 강한 운동을 하는 경우, 세포내 pH가 낮아짐에 따라 근육통이 초래될 수 있음

 

4) 해당과정의 ATP 계산 해당과정
• 해당과정의 결과 생성되는 피루브산(호기적) 혹은 젖산(혐기적)은 완전히 산화된 것이 아니기 때문에 비효율
적인 에너지 생성 경로임

 

• 혐기적 해당작용에서는

• 호기적 해당과정에서는

• 호기적 해당과정에서는 산화적 인산화를 통해 1.5 혹은 2.5 분자의 ATP를 추가적으로 생성할 수 있음
• 산화적 인산화에 의핸 3~5 ATP, 기질적 인산화에 의한 2 ATP
→ 총 5~7분자의 ATP를 생산할 수 있음

 

5) 해당과정의 조절

• 해당과정에서 글루코오스가 분해되는 속도는 매우 정교하게 조절되는데, 이 것은 두 가지의 목적이 있음
→ ATP농도를 일정하게 유지 & 생합성에 필요한 중간대사물을 적절하게 공급하기 위함
• 속도와 여러 인자들이 상호작용한 결과로서의 각 인자들
- 다른자리입체성 조절인자의 농도
- 효소의 인산화 혹은 탈인산화
- 효소 단백질의 합성 수준

 

(1) 자유에너지 변화와 해당과정의 조절
• 실제 내 조건에서 자유에너지 변화(∆G)가 반응의 방향성을 알려줌
• 반응 1, 3, 10이 현저한 비가역적인 반응
• PFK-1이 촉매하는 반응은 전체 해당과정의 속도 조절단계
• 그 외 반응은 가역적 반응 → 반응물과 생성물의 상대적 농도에 따라 반응의 방향이 수시로 변화 → 효소
작용을 조절하기에 적당하지 않음

 

(2) 다른자리입체성 조절
① ATP/AMP 비율의 다른자리입체성 조절
• 고농도 AMP는 PFK-1과 피루브산 키나아제를 촉진
• 고농도 ATP는 헥소키나아제, PFK-1 및 피루브산 키나아제를 억제
• 에너지가 소진된 시점에서는 촉진, 에너지가 충만한 시점에서 해당과정을 저해
② 구연산의 다른자리입체성 조절

• 호기적 대사들 모두에서 주요 중간대사물인 구연산은 PFK-1의 음성 다른자리입체성 조절인자
• 구연산 농도 ↑ → PFK-1 저해작용 증폭 → 해당과정 저해
③ F1, 6BP에 의한 다른자리입체성 조절
• 해당과정에서 6단계 이전 반응의 생성물인 F1, 6BP은 피루브산 키나아제의 기질인 PEP를 증가
• PFK-1의 활성 증가 → 피루브산 키나아제 활성 증가로 연결
④ F2, 6BP의 다른자리 입체성 조절
• F2, 6BP는 해당과정의 가장 중요한 조절점을 촉매하는 PFK-1의 가장 중요한 활성제
• PFK-2/FBPase-2는 이중기능효소로 F2, 6BP를 생성 및 분해 → 인산/탈인산화에 따라 활성부위가 다름
• 인산화 상태 : FBPase-2가 활성, 탈인산화 형태 : PFK-2가 활성

 

(3) 호르몬에 의한 효소 단백질의 인산화

① PFK-2/FBPase-2의 인산화
• PFK-1의 가장 강력한 활성제인 F2, 6BP의 농도를 결정하는 PFK-2/FBPase-2 단백질은 호르몬에 의해 인산화와 탈인산화가 조절됨
• 글루카곤 : 단백질 키나아제 → 인산화를 촉진
• 인슐린 : 인산단백질 인산분해효소 → 탈인산화를 촉진
• 따라서, 인슐린에 의해 증가되고 글루카곤에 의해 감소
② 피루브산 키나아제의 인산화
• 공복 시 해당과정 저해 : 글루카곤 분비 → cAMP 증가 → 단백질 키나아제 활성화
• 단백질 키나아제(단백질의 인산화 촉매) : 인산화된 피루브산 키나아제는 불활성 형태
• 글루카곤에 의한 피루브산 키나아제의 활성억제는 간에서만 일어남
• 혈당이 낮은 경우 : 글루카곤이 간에서 해당과정을 억제 → 간 외 조직으로 글루코오스를 공급하게 함
(4) 호르몬에 의한 효소 단백질의 합성
• 해당 유전자의 전사를 통해 조절하는 효소 단백질이ㅡ 합성 수준
(예) 인슐린의 경우, 헥소키나아제 II와 IV, PFK-1 및 피루브산 키나아제의 합성을 증가 → 해당과정을 촉진
시킴

 

2. 당신생경로(glyconeogenesis)
• 당질 이외에 물질로부터 글루코오스를 합성하는 것을 말함
• 주로 간에서 일어나지만 신장과 소장에서도 소량 일어남
• 당신생경로의 대부분 효소들은 세포질에 존재함
1) 당신생경로의 중요성과 역할
• 사람의 뇌, 신경계, 적혈구, 정소, 신장 수질, 눈의 망막, 렌즈 및 태아조직에서는 혈액을 통해 공급되는 글
루코오스가 유일한 에너지원이거나 주된 에너지원임
• 격렬한 운동 후, 장기간 금식 및 아침 식전 → 글루코겐 고갈 → 혈당 유지하기 위해 당신생경로가 사용됨
2) 당신생경로의 비가역 반응
• 반응물과 생성물만 보면 당신생경로는 해당과정의 역반응
• 당신생경로와 해당과정은 가역적인 7개의 반응을 공유함
• 해당과정에서의 3가지 비가역적 반응을 당신생경로에서는 우회반응이 필요함
• 피루브산의 인산화는 두 단계 반응을 거쳐 우회하므로 당신생경로에서는 4가지 효소가 추가로 필요함
- 피루브산 → PEP (피루브산의 인산화)
- F1, 6BP → F6P (F1, 6BP의 탈인산화)
- G6P → 글루코오스 (G6P의 탈인산화)
(1) 피루브산 → PEP
• 당신생경로의 첫 걸림돌은 해당과정에서 마지막 반응인 피루브산 → PEP로 전환되는 반응임
• 피루브산 인산화는 두 반응에 걸쳐 일어남
① 피루브산 카르복실화효소에 의해 피루브산에 카르복실기가 부착되어 옥살로 아세트산(OAA)이 됨 : 피루브
산 인산화에 첫 단계
• 미토콘드리아 효소로서 비오틴(비타민 B의 일종)을 함유
• ATP가 분해하면서 공급하면서 에너지는 비오틴이 CO2와 결합하는데 쓰이므로 결국 피루브산의 카르복실화
에 이용됨
• 글루코오스 합성 외에도 구연산회로의 중간대사물을 재충전하는 등의 다른 용도에도 이용
② PEP 카르복시키나아제에 의해 OAA가 PEP로 전환
• OAA는 탈탄산과 가인산분해를 거쳐 PEP로 전환되는데, 이 반응이 일어나기 위해 GTP의 분해가 수반됨
• PEP 카르복시키나아제는 미토콘드리아와 세포질에 모두 존재 → 미토콘드리아 OAA가 세포질로 이동이 필요
• OAA+미토콘드리아 말산 탈수소효소 → 말산으로 환원 → 세포질로 운반 + 세포질 말산 탈수소효소 → 재
산화 → OAA를 재생

 

(2) F1, 6BP의 탈인산화(F1, 6BP → F6P)
• 해당과정에서 F6P의 인산화는 ATP를 소모하지만, 그 역반응인 당신생경로에서 F1, 6BP의 탈인산화는 무기
인산(Pi)을 방출할 뿐 ATP를 생성하지 못함

 

(3) G6P의 탈인산화(G6P → 글루코오스)
• 이 반응은 헥소키나아제가 촉매하는 글루코오스 인산화 반응의 우회 반응
• 간과 신장에만 존재하는 글루코오스 6-인산 가수분해효소에 의해 촉매 → 생성된 글루코오스 혈액으로 방
출
• 근육에는 이효소가 존재하지 않으므로 근육 글리코겐은 분해되어도 혈당을 공급하지 못함

 

3) 당신생경로에 소요되는 ATP
• 1 ATP : 해당과정 → PEP 탈인산화, 글리세린산 1,3-이인산의 탈인산화, 글리세린산 3-인산의 인산화
• 2 ATP : 피루브산 → PEP로 전환
• 피루브산 한 분자당 3 ATP 소모
• 글루코오스 한 분자당 6 ATP 소모
• 헥소키나아제와 PFK-1의 반응은 당신생경로에서 우회하는 탈인산화 시에는 ATP없이 무기인산이 방출됨

 

4) 당신생경로의 기질
• 탄수화물, 지방 및 단백질이 대사되는 과정에서 해당과정의 중간대사물이나 구연산회로를 통해 옥살로아세
트산을 공급할 수 있는 다음과 같은 물질들은 당신생경로의 기질이 될 수 있음
- 중성지방의 분해로 생성되는 글리세롤
- 대부분의 아미노산
- 코리회로에서의 젖산
- 알라닌회로에서의 알라닌

 

(1) 중성지방의 분해로 생성되는 글리세롤
• 글리세롤 인산(글리세롤 키나아제의 작용) → 다이하이드록시아세톤인산(DHAP)을 생성 → 당신생경로의 기
질이 됨
• 중성지방의 지방산 부분은 β-산화로 인해 생성되는 아세틸 CoA가 피루브산으로 전환될 수 없으므로, 당신
생경로의 기질이 되지 못함

 

(2) 대부분의 아미노산
• 해당과정이나 구연산회로에서 탄소 수가 3개 이상인 중간대사물을 공급할 수 있는 아미노산들은 당신생경로
의 기질이 되고 혈당 유지에 사용됨
• 당신생경로의 기질이 될 수 없는 아미노산은 리신과 루신, 단 두 가지 뿐이므로 전체적으로 단백질은 혈당
유지에 사용됨

 

(3) 코리회로에서의 젖산
• 미토콘드리아가 없는 적혈구, 운동개시 직후, 고강도 운동을 하는 근육에서 산소가 부족한 경우 → 해당과
정에서 생성되는 젖산을 혈액으로 방출
• 젖산은 간으로 이동 → 당신생경로의 주요 기질+근육노폐물 제거 → 골격근의 해당과정과 간의 당신생경로
를 연결하는 회로 = 코리회로(Cori-cycle)라고 함
(4) 알라닌회로에서의 알라닌
• 골격근에서 글리코겐뿐 아니라 단백질의 분해산물도 간으로 옮겨 처리함
• 단백질은 지구력을 요하는 격심한 운동 시에 곁가지 아미노산(발린, 루신, 이소루신)을 분해 → 탄소 골격을
구연산회로로 유입 → 에너지 생산 → 이 때, 생성된 글리코겐 분해, 아미노기는 피루브산에 결합하여 알라
닌을 형성 → 혈액을 통해 간으로 이동
- 간은 노폐물을 이용하여 글루코오스를 재생 & 아미노가 배설 → 혈액의 항상성을 유지시킴

 

5) 당신생경로의 조절
• 조절 효소 : 피루브산 카르복실화효소, PEP 카르복시키나아제, F1, 6BPase 및 G6Pase
(1) 기질농도에 의한 조절
• 젖산, 글리세롤 및 대부분의 아미노산의 농도가 높을 때
• 고지방식, 기아 및 장기간의 단식 시 → 인슐린 분비 감소 → 체지방, 골격근 분해 증가 → 당신생경로 촉
진
(2) 다른자리입체성 조절

① 아세틸 CoA에 의한 당신생경로의 촉진
• 공복 시에 아세틸 CoA에 의해 활성화, 식후에는 아세틸 CoA에 의해 불활성화됨
② AMP에 의한 당신생경로의 억제
• PFK-1과 F1, 6BPase에 의해 각각 조절되는 해당과정과 당신생경로가 매우 조화롭게 상반적으로 조절되는
것을 보여짐
(3) 효소단백질의 인산화에 의한 조절

• 글루카곤은 cAMP의 농도를 증가시켜 cAMP-의존형 단백질 키나아제 활성을 증가시키고, 인슐린은 반대 방
향으로 작용
• 효소의 활성에 미치는 인산화의 영향은 효소의 종류에 따라 각기 다름
① PFK-2/FBPase-2의 인산화
• 글루카곤에 의해 높아진 cAMP가 PFK-2/FBPase-2의 인산화를 초래 → F2, 6BP의 농도를 감소 또는 증가
• 따라서, 글루카곤은 당신생경로를 촉진하고, 인슐린은 해당과정을 촉진함
② 피루브산 키나아제의 인산화
• 글루카곤은 cAMP-의존형 키나아제의 활성 증가를 통해 또 다른 효소인 피루브산 키나아제를 인산화하여
불활성화시킴
• 그 결과 피루브산으로 전환되지 못한 PEP가 축적되어 당신생경로로 들어가게 됨
(4) 효소단백질의 합성 조절
• 위의 조절 기전은 시시각각 변하는 단기적(수 분 ~ 수 시간) 조절
• 글루카곤 : PEP 카르복시키나아제의 유전자 전사를 증가 → 효소 단백질 수를 늘림 → 당신생경로를 촉진
• 인슐린 : PEP 카르복시키나아제와 글루코오스 6-인산 가수분해효소의 합성 감소

 

3. 다른 단당류의 대사
• 글루코오스 외에 프락토오스와 갈락토오스는 해당과정이나 당신생경로에 합류하여 혈당을 공급하거나 분해
되어 에너지원이 됨
1) 프락토오스

• 프락토오스 급원은 설탕, 꿀, 과일 혹은 가공식품에 함유된 고과당 콘시럽 등
(1) 조직에 따른 프락토오스의 대사
• 인산화가 되기 위해, 프락토키나아제나 헥소키나아제의 작용이 이루어짐
① 간에서의 대사
• 주로 간에서 대사
• 프락토키나아제에 의해 ATP를 사용 → 프락토오스 1-인산으로 전환 → 알돌라제에 의해 DHAP와 글리세로
알데히드로 쪼개짐
② 프락토오스가 헥소키나아제에 의해 F6P로 전환되어 해당과정으로 합류

 

(2) 프락토오스 대사의 특징
• 인슐린이 필요하지 않음
• 혈당지수(GI)가 높지 않음
• 글루코오스와 달리 속도조절단계인 PFK-1의 반응을 거치지 않으므로 글루코오스보다 신속하게 대사됨
• 중성지방 합성에 보다 직접적으로 이용됨

 

2) 갈락토오스
• 갈락토오스의 급원은 우유 및 유제품에 함유되어 있는 유당
• 인슐린에 의존적이지 않고 해당과정에 합류하기 위해 몇 가지 반응이 필요함
(1) 갈락토오스 대사
• 인산화되기 위해 갈락토키나아제 효소가 필요하고, 인산기는 ATP에 의해 제공됨
• 갈락토오스 1-인산은 효소작용으로 UDP-갈락토오스, UDP-글루코오스 및 글루코오스 1-인산으로 전환되어
당합체나 글리코겐 합성에 이용되거나 해당과정에 합류됨
(2) 갈락토세미아(galactosemia)
• 갈락토오스 1-인산이 대사되지 못하고 혈중 갈락토오스가 높아지고, 갈락토오스 대사물인 갈락티톨이 수정
체에 축적되어 백내장의 원인이 됨
• 청소년기가 되면 갈락토오스 1-인산이 UDP-갈락토오스 가피로인산 분해효소와 UDP-육탄당 에피머화효소
에 의해 차례로 UDP-갈락토오스와 UDP-글루코오스로 전환되므로 갈락토세미아의 증상이 사라질 수 있음

 

4. 글리코겐 대사
• 글리코겐 합성 : 고당질 식사로 과량의 글루코오스가 흡수되었을 때, 간과 근육에 저장 → 고혈당 방지
• 글리코겐 분해 : 저혈당 시 글루카곤의 작용을 받아 간의 글리코겐이 신속하게 분해 → 혈당을 정상수준으
로 유지
1) 글리코겐 합성

(1) 글루코오스 잔기의 활성화
• 합성에 하나씩 첨가되는 글루코오스잔기는 UDP-글루코오스의 형태인데, 두 가지효소작용을 받음
① 포스포글루코뮤타아제 : 글루코오스 6-인산 → 글루코오스 1-인산으로 전환
② UDP-글루코오스 가피로인산분해효소 : 글루코오스 1-인산+UTP와 반응 → UDP-글루코오스 생성
(2) 글리코겐 합성의 시발점
• UDP-글루코오스 잔기끼리만으로는 합성이 시작되지 않음
• 글리코겐 조각이나 글리코제닌이라는 단백질이 글리코겐 합성에 프라이머(시작물질)로 작용
(3) 글리코겐의 선상 연장
• 글리코겐 합성효소 : 프라이머에 UDP-글루코오스 부착 → α(1→4)결합을 형성, 직선으로 길어지게 하는 효
소
(4) 글리코겐 가지 형성
• 글리코겐이 직선상으로 길어지면 α(1→4)글리코시드결합 분해 → 말단의 5~8개의 잔기를 분리 → α(1→6)
글리코시드 결합 → 새로운 가지 형성
• 작용하는 효소는 분지효소(branching enzyme) : 아밀로-α(1→4) → α(1→6)-글리코시드전이효도[α(1→4)
→ α(1→6)-transglycosidase
2) 글리코겐 분해
• 글리코겐 분해는 두 가지 효소에 의해 이루어짐
① 선상으로 연결된 글루코오스 잔기를 하나씩 제거하는 효소
② 글리코겐의 가지를 제거하는 효소
(1) 글리코겐 가인산분해효소

• 피리독살인산물 조효소로 사용
• 무기인산(Pi)을 이용 → 비환원당 말단으로부터 α(1→4)결합을 끊음 → 글루코오스 잔기를 하나씩 제거하면
서 인산기를 결합 → 글루코오스 1-인산을 방출
• 4개의 잔기에 도달할 때까지 진행, 더 이상 작용 받지 못하는 분자를 ‘한계 덱스트린(limit dextrin)'이라 부
름
• 방출된 글루코오스 1-인산은 포스포글루코뮤타아제에 의해 글루코오스 6-인산으로 전환
(2) 탈분지효소(debranching enzyme)
• 분해에 작용하는 두 번째 효소로서 두 가지 작용을 함
① 4:4 전이효소 작용: 4개의 잔기 중에서 3개 잔기를 떼어내기 위해 α(1→4)결합을 분해 → 인접한 비환원
말단에 부착시키기 위해 새로운 α(1→4)결합을 촉매
② α(1→6)글리코시다아제 작용 : α(1→6)글리코시드결합을 끊어서 곁가지에 하나 남은 마지막 잔기를 유리글
루코오스로 방출 → 가지 구조를 완전히 제거
3) 글리코겐 대사의 조절
• 글루카곤, 에피네프린 및 인슐린은 글리코겐 대사를 정밀하게 조절함으로써 에너지 소모를 방지
• 인슐린 증가 → 글리코겐 합성을 촉진+분해 억제
• 글루카곤, 에피네프린 증가 → 글리코겐 합성 억제+분해 촉진
(1) 글루카곤의 글리코겐 합성 억제와 분해 촉진
• 공복 시 전혈당은 췌장으로부터 글루카곤을 분비
• 세포막에서 해당 수용체와 결합 → 아데닐산 고리화를 활성화 → ATP를 cyclic AMP(cAMP)로 전환
• 세포 내 cAMP 농도의 증가는 일련의 반응을 통해, 글리코겐의 합성은 억제하고 분해를 촉진하여 혈당을 방
출하는 글루카곤의 효과를 증폭시킴
※ cAMP와 단백질 키나아제
호르몬의 작용을 증폭시키기위해 몇 가지 2차 전령시스템이 있는 그 중 하나가 cAMP이다. 글루카곤이나
에피네프린에 의해 증가되는 cAMP는, 일련의 qksddmdf 거쳐 여러 가지 단백질의 인산화를 초래한다. 인
산화가 단백질의 활성에 미치는 효과는 각 단백질마다 달라서 글리코겐 분해에 작용하는 글리코겐 가인산분
해효소는 불활성형에서 활성형으로 변하는 반면, 글리코겐 합성효소의 경우는 활성형에서 불활성형으로 변
한다. cAMP에 의해 활성화되어 결과적으로 효소단백질의 인산화를 촉매하는 단백질은 단백질 키나아제라
불리는 한 무리의 단백질을 일컫는다.
(2) 에피네프린의 글루코겐 합성 억제와 분해 촉진
• 운동 혹은 심리적 스트레스 상황에서 부신수질로부터 에피네프린이 분비
• 간과 근육에서 글리코겐 합성 억제, 분해 촉진 혈액에 다량의 글루코오스를 공급 에너지 제공
• 간과 근육에서 서로 다른 점은, 간은 해당과정을 억제 → 혈당증가, 근육에서는 해당과정을 촉진시킴
(3) 인슐린의 글리코겐 합성 촉진과 분해 억제
• 식후 고혈당에 의해 분비되는 인슐린 → 수용체와 결합 → 간과 근육에서 인산단백질 인산분해효소를 활성
화 → 글루카곤이나 에피네프린과는 반대방향으로 글리코겐의 대사를 조절
• 인슐린은 글루코오스가 표적세포 안으로 유입되는 속도를 증가시킴

 

5. 오탄당인산경로
• 세포질 효소에 의해 촉매되는 글루코오스의 또 다른 분해과정이지만 해당과정과 달리 ATP를 생성하지 않음
※ 오탄당 인산경로가 활발한 조직
• 세포분열이 빈번한 조직 : 골수, 피부, 소장 점막 및 암조직
• 지방 합성이 왕성한 조직 : 간, 유선, 지방조직
• 콜레스테롤 및 스테로이드 호르몬의 합성이 왕성한 조직 : 간, 부신피질, 성선
• 산소에 의해 생성되는 유리라디칼의 손상에 매우 취약하며 NADPH/NADP1의 비율과 환원형 글루타티온의
농도가 높아야 하는 조직 : 적혈구, 수정체, 각막
(1) 오탄당인산경로의 역할
• 다양한 생분자 합성에 필요한 환원제인 NADPH와 뉴클레오티드의 구성요소인 오탄당을 공급하며 오탄당의
분해과정으로 이용됨
(2) 오탄당인산경로의 전반부 - 산화적 단계
• 산화적 단계는 총 3개 반응으로 구성
① 글루코오스 6-인산 탈수소효소 반응
③ 6-포스포글루콘산 탈수소효소 반응은 NADPH의 생성을 초래하는 두 개의 비가역 반응 → 산화적 탈카르
복실화 반응으로 오탄당인 리불로오스 5-인산을 생성
(3) 오탄당인산경로의 후반부 - 비산화적 단계
④ 리불로오스 5-인산을 리보오스 5-인산으로 전환시키는 이성질화효소의 작용
⑤ 크실룰로오스 5-인산으로 전환시키는 에피머화효소의 작용으로 시작
• 생성된 오탄당은 경로의 나머지 부분에서 'CH2OHC=O'형태로 이산화탄소(2C)를 운반하는 케톨전이효소와
삼탄소(3C)를 운반하는 알돌전이효소의 작용으로 3~7탄당들이 상호전환됨
• 케톨전이효소는 조효소로 티아민 피로인산(TPP)을 필요로하므로 적혈구 케톨전이효소는 티아민의 영양상태
측정에 사용되기도 함
(4) 오탄당인산경로와 해당과정의 중간대사물 공유

• 오탄당보다 NADPH의 요구량이 더 큰 세포에서는 오탄당 인산회로의 비산화적 단계 대사물질들이 해당과정
의 중간 대사물로 전환됨
• 반대로 NADPH 수요보다 오탄당의 수요가 클 때, 해당과정의 프락토오스 6-인산과 글리세로알데히드 3-인
산으로부터, 비산화적 단계의 반응들을 통해 리보오스 5-인산이 생성될 수 있음

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<확인문제>

문제 1. 다음 해당과정 반응 중에서 ATP가 소모되는 반응은 무엇인가?
① 글루코오스 6-인산 → 프락토오스 6-인산
② 글루코오스 → 글루코오스 6-인산
③ 글리세린산 2-인산 → 포스포엔올피루브산
④ 글리세린산 3-인산 → 글리세린산 2-인산
정답 ②
문제 2. 해당과정 중 프락토오스 6-인산이 프락토오스 1,6-이인산으로 될 때 관여하는 효소는 무엇인가?
① 포스포프락토키나아제 –1 (PFK-1)
② 엔올라아제
③ 헥소키나아제
④ 피루브산 키나아제
정답 ①
문제 3. 다음 중 당신생합성경로의 기질이 될 수 있는 것으로 가장 적합한 것은?
① 글리세롤, 지방산
② 피루브산, 핵산
③ 젖산, 아미노산
④ 지방산, 피루브산
정답 ③
문제 4. 다음 중 코리회로를 통해 이동하는 물질로 옳은 것은?
① 피루브산
② 젖산
③ 알라닌
④ 글루타민
정답 ②
문제 5. 다음 효소 중 해당과정을 조절하는 조절효소(allosteric enzyme)을 모두 고르시오.
㉮ 피루브산 탈수소효소 ㉯ 포스포프락토키나아제
㉰ 알돌라아제 ㉱ 피루브산 키나아제
① ㉮㉯㉰㉱
② ㉮㉰
③ ㉯㉱
④ ㉮㉯㉰
정답 ③
문제 6. 핵산 생합성에 오탄당을 제공할 수 있도록 리보오스를 얻을 수 있는 대사경로로 옳은 것은?
① 구연산 회로
② 해당과정
③ 지방산 생합성
④ 오탄당 인산경로
정답 ④
문제 7. 당신생경로에서는 포도당 한 분자당 몇 개의 ATP를 사용하는가?
① 2
② 6
③ 8
④ 4
정답 ②
문제 8. 당신생경로는 주로 어디에서 일어나는가?
① 신장
② 간
③ 뇌
④ 근육
정답 ②
문제 9. 오탄당 인산경로의 주요 생성물 두 가지를 올바르게 나열한 것은?
① NADPH와 글루코오스 5-인산
② NADPH와 리보오스 5-인산
③ FAD와 글루코오스 5-인산
④ FAD와 리오보스 5-인산
정답 ②
문제 10. 포스포프락토키나아제를 활성화 시키는 물질과 그로 인해 촉진되는 경로가 올바르게 나열된 것은?
① 프락토오스 2,6-이인산, 당신생경로
② 프락토오스 2,6-이인산, 해당과정
③ 프락토오스 1,6-이인산, 당신생경로
④ 프락토오스 1,6-이인산, 해당과정
정답 ②
문제 11. 당신생경로에서 피루브산은 처음에 어떤 물질로 전환되는가?
① 글리세롤
② 포스포엔올피루브산
③ 옥살로아세트산
④ 아세틸 CoA
정답 ③
문제 12. 미토콘드리아가 없는 세포에서나 저산소상태에서 피루브산은 무엇으로 전환되면서 NADH를 산화시
키는가?
① 포스포에놀피루브산
② 아세틸 CoA
③ 젖산
④ 글리세르알데히드 3-인산
정답 ③
문제 13. 해당과정에서 헥소키나아제는 무엇에 의해 되먹임 저해되는가?
① 글루코오스 6-인산
② 프락토오스 6-인산
③ 프락토오스 1,6-이인산
④ 포스포프락토키나아제
정답 ①
문제 14. 구연산의 축적은 어떤 다음 중 어떤 결과를 불러일으키는가?
① 포스포프락토키나아제의 활성을 높인다.
② 해당과정으로 글루코오스가 흘러가는 것을 더욱 저해한다.
③ 포스포프락토키나아제의 활성을 저해한다.
④ ②와 ③ 모두 맞다
정답 ④
문제 15. 다음 중 글리코겐의 합성과 관련이 가장 적은 물질은 무엇인가?
① UDP-글루코오스
② 글리코제닌
③ 분지효소
④ 한계 덱스트린
정답 ④