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세포 안에서 발생하는 모든 생화학 리액션을 일컬어 대사작용(metabolism)이라 한다. 세포는 대사작용을 거쳐서 동력과 환원력을 생성시키고 세포를 구성하는 고분자 물질을 합성하게 된다. 세포대사는 물질을 분해하는 이화 작용(catabolism)과 신규의 물질을 합성하는 동화작용(anabolism)으로 구분된다. 이화 작용은 동력과 환원력을 확보하기 위해서 기질을 분해하고 동일시에 산화시키는 과정이고, 동화작용은 이화 작용에 의해 얻어진 동력과 환원력을 사용하여 가벼운 화합물을 거쳐 보다 단순하지 않은 물질을 생합성하는 과정을 말씀드린다.
동력의 보관과 방출을 담당하는 가장 증요한 물질은 ATP (adenosine triphosphate)이고, 환원력은 NADH (nicotinamide adenine dinucleotide)와 NADPH (nicotinamide adenine dinucleotidephosphate)에 저장된다. 하지만 상당수가의 생화학 반응들에서 NADPH와 NADH 사이에는 본질적인 차이가 있다고 합니다. NADH는 전자전달체인에 의하여 산화되면서 ATP를 생성 그러나, NADPH는 환원적인 생합성(예, 광합성의 암반응 단계)에서 전자를 주는 역할을 한다. 동력을 만들어 내는 막중한 세 개의 대사경로가 있다고 합니다. 그 첫 번째로 세포 내로 들어온 분자들을 작은 단위 분자들로 분해하는 과정이다. 잘 알려진 예로 포도당을 피루브산으로 분해하는 해당 과정(glycolysis)이 있다고 합니다.
두 번째로 해당절차중에 만들어진 피루브산을 acetyl CoA를 거쳐 CO2와 H2O로 산화시키는 TCA (tricarboxylic acid) 회로, 그리고 세 번째는 생합 성반응에 요구되는 탄소계 골격성 분과 동화작용을 지탱해 나가기 위한 환원력을 제공하는 산화적 인산화 반응이라며 하는 HMP 경로(hexose-monophosphate pathway)이다. HMP 경로는 pentose phosphate pathway라고도 부른다. 포도당 대사란 포도당이 해당 과정과 TCA 회로를 거쳐 CO2로 산화되는 과정을 말하며 2 4장 세포 생화학 반응 이때 포도당 1몰이 산화되면 6몰의 CO2가 생성되며 전자 전달계의 과정을 거치면서 38몰의 ATP가 파생되는데 이만한 양의 ATP는 반응의 전체 자유에너지 변화량의 약 40 %에 해당한다. 산화되는 물질은 전자를 잃어버리게 되는데 이 전자는 여러 단계를 거쳐 전달되면서 궁극적으로 산소와 결합하여 물을 형성한다. 즉, 산소는 포도당을 산화하는 절차 중에 생긴 전자(환원력)를 받아들이는 최종 전자 수용체(terminal electron acceptor)의 역할을 한다. 세포는 포도당 대사에서 획득한 acetyl-CoA 등 주요 대사 중간체 및 동력을 사용하 여아 미노산, 핵산, 지질, 다당류 등 신규의 물질을 합성한다. 세포가 요구로 하는 물질 중그 중요성이 포도당에 버금가는 것이 protein 합성에 요구되는 각종 아미노산인데, 아미노산은 포도당 대사과정 중의 몇 가지 물질을 바탕으로 하여 합성된다.
이상으로의 대사를 1차 대사 (primary metabolism)라 하며 이때 파생되는 1차 대사산물은 그합성이 세포의 생장과 연관되어 있기 때문에 지수 생장(exponential growth)을 하는 기간 동안에 파생되는 물질이다. 반면에 생장기가 지난 후에 파생되는 물질을 2차 대사산물(secondarymetabolites)이라 하며 식물에서 얻어지는 의약용 물질 등이 이에 속한다. 기생충의 대사경로를 살펴보면 호기성 대사(aerobic metabolism), 그리고 혐기성 대사(anaerobic metabolism)의 두 그룹으로 나누어진다. 환원력은 전자전달체인을 거쳐서 ATP의 생성에 사용될 수도 있다고 합니다. 이때 산소가 최종 전자 수용체로 소모되는 상황을 호기성 호흡이라 하고, 산소 이밖에도 전자 수용체가 소모되는 상황을 무산소 호흡이라 한다. 그리고 동력을 확보하기 위해 전자전달체인을 쓰지 않는 세포는 발효(fermentation)를 이용하게 된다.
발효대사의 최종 산물들(예 : 에탄올, 젖산)은 상업적으로 막중한데 이 산물들은 세포가 환원력의 생성과 소비간의 조화를 맞추기 위해서 생성한다. 4.2 생체 에너지론 (bioenergetics) 살아 있는 세포는 생합성, 영양물질의 수송, 운동, 기초대사 등을 수행하기 위한 에너지를 필요로 한다. 이와 같은 동력은 탄소화합물(주로 탄수화물)을 분해하는 이화 작용으로 얻으며, 이화 작용에 소모되는 탄소화합물(예 : 포도당)은 세포 외부로부터 세포 내부로 들어오며 식물세포의 보기에는 CO2와 H2O로부터 광합성에 의해 합성된다. 대사반응은 생물체마다 틀리고 복잡 그러나 크게 3종류로 나눌 수 있으며, 이 반응들은 세포 내에서 동일시에 일어난다.∙첫째 부류 : 영양물질의 분해∙둘째 부류 : 아미노산, 뉴클레오티드 등 저분자 물질의 생합성∙셋째 부류 : 거대분자 물질의 생합성 그림 4.1 박테리아 세포에서 발생하는 반응의 분류 그림 4.1은 박테리아 세포 내에서 영양물질의 분해, 저분자 물질합성, 거대분자 물질의 합성을 전체적으로 나타낸 그림이다. 위 그림 4.1에 표시된 여러 반응에 대해 우선 알아야 할 사항은 모든 반응에 효소가 작용한다는 점이다.
첫째 부류의 반응은 포도당이 세포 내부로 들어와 분해되어 탄소골격 물질을 만드는 조짐이다. 이 반응은 포도당을 여러 단계에 걸치어 산화시켜 CO2로 만드는 조짐이다. 이때 발생한 에너지인 ATP는 둘째 부류의 반응에서 저분자 물질의 생합성 반응 시 사용되게 된다. 둘째 부류의 반응에서는 탄소 골격 물질을 토대로 저분자 물질을 합성하게 되는데 이것에는 뉴클레오티드(nucleotide), 헥소 사민(hexosamine), 아미노산, 지방산, 당 등이 있다고 합니다. 셋째 부류의 반응은 저분자 물질을 거대분자 물질로 합성하는 것으로 거대분자 물질에는 뉴클레오티드에서 합성된 DNA, RNA, 헥소 사민에서 합성된 펩티도글리칸(peptidoglycan), 아미노산에서 합성된 protein, 지방산에서 합성된 지질(lipid), 당에서 합성된 글리코겐(glycogen) 등이 있다고 합니다. DNA는 염색체(chromosome)를 생성시키고, RNA는 리보솜(ribosome)을 만들며, 글리코겐은 영양성분을 저장하게 된다. 그림 4.2 ATP의 분자구조 4 4장 세포 생화학 반응 triphosphate (ATP)에 의해 저장되어 보내진다. ATP는 아데닌, 리보오스, 삼인산 단위로 이루어진 뉴클레오티드이다.
ATP는 삼인산 단위 내에 2 개의 인산 무수물질을 포함하고 있기 이기에 고에너지 분자가 된다. ATP가 ADP(adenosin diphosphate)와 오르토인산(ortho Pi)으로 가수 분해될 때, 또는 ADP가 AMP와 오르토인산으로 전환될 때 1몰당 각각 7.3 kcal의 동력이 방출된다. ATP + H2O ⇄ ADP + Pi + H+, △G˚ =-7.3 kcal/molADP + H2O ⇄ AMP + Pi +H+, △G˚ = -7.3 kcal/molATP와 유사한 분자인 GTP(guanosin triphosphate), UTP(uridine triphosphate), CTP(cytidinetriphosphate) 역시 고에너지 인산 연결을 저장 또는 보낸다. 예를 들어, 해당 절차 중에 분자 내에 고에너지 인산 결합(～P)이 들어있는 phosphoenol pyruvate(PEP)와 1, 3-diphosphoglycerate는 그 동력을 ADP 분자에 전달하여 ATP 분자를 생성한다. 또한 ATP, ADP, AMP 들은 ATP와 AMP가 작용하여 2개의 ADP로 전환되는 등의 상호변환이 허락되다. 고에너지 인산 결합이라 하는 것은 그들이 가수 분해될 때 다량의 동력을 방출한다는 의미인데 ATP의 가수분해에서 방출되는 다량의 동력은 근육의 수축운동이나 생합성 등에 이용된다. 생체 내에서 동력과 더불어 막중한 작용을 하는 것이 환원력(reducing power)이다. 환원력을 발생시키는 수소원자들은 주로 뉴클레오티드 유도체들에 의해 운반되는데 그것에는 NAD＋(nicotinamide adenine dinucleotide)와 NADP＋(nicotinamide adenine dinucleotidephosphate)가 있다고 합니다.
수소와 결합된 형태인 NADH는 생체 내에서 환원력 제공과 ATP 생성의 두 가지의 역할을 한다. 즉, NADH는 독립영양생물(식물과 광합성 박테리아)에 의한CO2 고정화와 같은 생합 성반응에 수소를 공급한다. NADH에 의해 운반되는 전자(또는 수소원자)는 전자 전달계 내의 몇 개의 중간 화합물들을 순서대로 거쳐 최종적으로 산소에 전송된다. 이 같은 전자전달로 방출되는 동력에 의해 최고 3개의 ATP 분자가 생성된다. 만약에 예를 들어 산소 대신 NO3－와 같은 다른 전자 수용체(eletron acceptor)가 있을 경우, 산소가 없더라도 NADH에 저장된 환원력으로부터 ATP가 만들어질 수 있다고 합니다. 또는 그림 4.3 NAD+와 NADH의 구조 4.3 포도당 대사 54.3 포도당 대사 포도당과 같은 유기물의 호기성 조건하에서의 분해는 그림 4.4에서처럼 다음의 세 가지 단계로 생각될 수 있다고 합니다.① 해당 과정 : 포도당이 피루브산으로 분해되는 EMP(Embden-Meyerhof-Parnas) 경로② TCA(tricarboxylic acid) 회로 : 피루브산을 CO2와 NADH2 및 FADH2로 전환하는 과정③ 전자 전달체인 : NADH2로부터 전자를 수용체에 전달함으로써 ATP를 생성시키는 호흡과정 포도당 대사는 위의 과정들을 거치며 CO2로 산화되는 과정을 말하며 이때 포도당 1몰이 산화되면 6몰의 CO2가 생성되며 전자 전달계의 과정을 거치면서 38몰의 ATP가 생성된다.
진핵생물의 경우 해당과정은 원형질(cytoplasm) 내에서 일어나지만 TCA회로와 전자 전달계는 미토콘드리아 내의 메트릭스에서 일어난다. 원핵생물의 경우 위 반응들은 막에 부착되어 있는 효소들에 의해 실시된다. 그림 4.4 포도당 대사의 3단계와 ATP의 생성 6 4장 세포 생화학 반응 4.3.1 해당 과정 (glycolysis) 포도당은 가득한 생물들이 요구로 하는 주요 탄소원(carbon source)이다. 세포 내에서 포도당의 분해 대사는 해당 과정으로 개시된다. 해당 과정은 다른 말로 EMP(Embden-MeyerhofParnas) 경로라고 한다. 해당 과정은 포도당을 피루브산으로 전환하는 연쇄 일련의 반응으로서 부수적으로 포도당 1몰당 2몰의 ATP와 2몰의 NADH2를 생성한다 (그림 4.5). 해당 절차의 전체적인 윤곽은 6개의 탄소고리로 이루어진 글루코오스가 두 분자의 ATP로부터 획득한 동력으로 인하여 불안정해져서 일단 두 분자의 삼탄당(C3)으로 분해된다. 그 후 삼탄당 (C3)은 동력을 방출하며 안정화되어 피루브산이 구성된다. 해당 과정은 세포액에서 발생하는데 그 초기 단계는 ATP를 하나 사용하며 헥소오스 키나아제를 촉매로 하여 포도당의 인산화를 거쳐서 글루코오스 6-인산(glucose 6-phosphate)이 파생되는 것이다.
이 글루코오스 6-인산은 포스포글루코오스 이성질화 효소(phosphoglucoseisomerase)에 의해 프룩토오스 6-인산(frutose 6-phosphate)으로 전환되며, 이는 다시 ATP를 하나 더 사용하며 포스포 프룩토 키나아제(phosphofructokinase)에 의해 프룩토오스 1,6-비스인산(fructose 1,6-diphosphate)으로 변한다. 프룩토오스 1,6 -비스인산은 알돌라아제(aldolase)에 의해 디 히드록시 아세톤 인산(dihydroxyacetone phosphate, DHAP)과 글리세르알데히드-3-인산(glyceraldehyde-3-phosphate, GA-3P)으로 분해되는데 이 반응은 해당 과정 중 막중한 반응의 하나로서 이때 육탄당(C6) 한 분자가 삼탄당(C3) 두 분자로 분해된다. DHAP와 GA-3P는 평형을 이룬다. GA-3P가 소모됨에 따라 DHAP가 계속해서 GA-3P로 전환된다. GA-3P는 글리세르알데히드 3-인산 탈수소 효소(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase)에 의해 무기 인산(Pi)이 함유되어 1,3-비스포포 글리세르산(1,3-diphosphoglycerate)으로 되고, 1,3-diphosphoglycerate는 포스포 글리세르산 키나아제(phosphoglycerate kinase)에 의해 한 개의 인산기를 방출하면서 3-포스포 글리세르산(3-phosphoglycerate)이 되며 이 절차 중에 ADP로부터 ATP가 생성된다. 3-포스포 글리세르산은 포스포 글리세르산 자리옮김 효소(phosphoglycero mutase)에 의해 2-포스포 글리세르산(2-phosphoglycerate)이 되고, 에놀 레이스(enolase)에 의해 탈수 소화되어 포스포엔 올피르브산(phosphoenolpyruvate, PEP)을 생성한다. PEP는 피루브산 키나아제(pyruvate kinase)에 의해 탈인산 리액션을 거처 ATP를 생성시키며 최종 피루브산(pyruvate)을 생성한다. 이상으로의 리액션을 종합하여 보면 포도당 한 분자가 두 분자의 피루브산으로 전환될 때 두 분자의 ATP와 두 분자의 NADH2가 생성된다. 이것을 반응식으로 표시하면 다음과 같다. glucose + 2 ADP + 2 NAD+ + 2Pi ―→ 2 pyruvate + 2 ATP + 2(NADH + H+) 8 4장 세포 생화학 반응 4.3.2 TCA 회로 (Kerbs 회로) 해당 작용에서 생긴 피루브산이 탈탄산 효소와 탈수소 효소의 작용으로 이산화탄소와 수소로 분해되는 과정을 TCA 회로 (tricarboxylic acid cycle)라고 한다.
TCA 회로는 크렙스(Kerbs)에 의해 완벽히 밝혀졌기 이기에 크렙스 회로라고도 부른다. TCA 회로는 해당과정을 거쳐서 만들어진 피루브산을 미토콘드리아에서 완벽히 산화하여 환원력을 NAD＋에전달하고 CO2를 최종적으로 만드는 단계이다. TCA회로의 주요 역할은 (1) 생합성과 전자 전달계에 요구되는 전자(NADH2)의 생성, (2) 아미노산 합성을 위한 탄소계 골격 물질의 공급, 그리고 (3) 동력의 발생했던 것이다. 해당 절차 중에 생성된 피루브산은 피루브산 탈수소 효소(pyruvate dehydrogenase)에 의해 아세틸 CoA로 전환되는데 이 아실화 반응(acylation) 이해당 과정과 TCA를 결합하는 고리이다. 피루브산 + CoA + NAD+ ―→ acetyl-CoA + CO2 + NADH + H+이 아세틸 CoA는 미토콘드리아 막을 거쳐서 전달되며 이에 소요되는 동력은 해당 과정에서 생성된 2개의 NADH가 2개의 FADH로 전환되는 것으로부터 얻는다. 아세틸 CoA는 아미노산 대사와 지방산 대사에 있기 때문에서의 주요 중간물질이다. TCA 회로는 아미노산, 지방산, 탄수화물과 같은 연료 분자들의 산화를 위한 최종의 공통 경로이다. TCA 회로의 순서를 세심히 살펴보면 다음과 같다 (그림 4.6). 아세틸 CoA (acetyl-CoA, C2)와 옥살로 아세트산(oxaloacetate, C4)의 축합반응에 의해 시트르산(citrate, C6)이 만들어지고, 시트르산은 이소 시트르산(isocitrate, C6)으로 되고, 그다음으로 α-케토 글루 타르산(α-ketoglutarate, C5)이 되는데, 이때 한 개의 CO2가 회로를 떠나고 NADH2가 1개 생성된다. α-케토 글루 타르 산은 탈카르복시화(decarboxylation)와 산화를 거쳐 숙신산 CoA(succinyl- CoA, C4)가 되고 이때 또 하나의 CO2가 떠나고 NADH2 1개가 생성된다. 숙신산 CoA는 숙신산이 되고, 이때 GTP모습의 고에너지 인산 연결을 생성시키며 숙신산(succinate, C4)이 된다.
숙신산은 다시 푸마르산(fumarate, C4)으로 산화되며 1분자의 FADH2가 생성된다. TCA 회로의 막판 두 단계는 푸마르산의 수화(hydration)에 의한 말산(malate, C4)의 생성, 그리고 말산의 산화에 의한 옥살로 아세트산(oxaloacetate, C4)의 생성이다. TCA 회로에서 발생하는 네 개의 산화환원 반응에서 세 쌍의 전자들이 NAD＋로 전이되고, 한 쌍이 FAD로 전이된다. 이 환원된 전자 운반체들은 뒤에 전자전달 사슬에 의하여 산화되어서 9몰의 ATP를 생성시킨다. 이외에는 도 하나의 고에너지 인산 연결이 숙시닐 CoA에서 숙신산으로 될 때 직접 구성된다. 그래서 완벽히 H2O와 CO2로 산화되는 한 개의 아세틸 CoA당 모두 10몰의 고에너지 인산 연결이 생성된다. TCA 회로의 전체 반응은 이렇게 나타낼 수 있다고 합니다. 4.3 포도당 대사 9 아세틸 CoA + 3 NAD+ + FAD +GDP +Pi + 2 H2 O ―→ CoA +3 NADH2 + FADH2 + GTP + 2CO2피루브산을 아세틸 CoA로 만드는 아실화 반응과 아세틸 CoA가 두 분자의 CO2로 분해되는 TCA를 묶은 전체 리액션을 다음 식으로 표시할 수 있다고 합니다. 피루브산 + 4 NAD + FAD + GDP + Pi ―→ 3 CO2 + 4 NADH2 + FADH2 + GTPGTP는 ADP와 결합하여 ATP를 생성하며 자신은 GDP 분자가 된다. 4 NADH2와 FADH2는 산화적 인산화 반응 (oxidative phosphorylation)에 의해 각각 12 ATP와 2 ATP를 생성한다 (1 NADH2 ＝ 3 ATP, 1 FADH2 ＝ 2 ATP). 그러므로 피루브산 한 분자가 세 분자의 CO2로 산화되면서 15 분자의 ATP가 생성된다.