당수송 인산전달계

목차

물질의 수송에는 에너지를 사용하는 방식에 따라 능동수송(active transport)과 수동수송(passive transport)으로 나눈다.

수동수송은 농도기울기(concentration gradient)에 따른 확산에 의해 수송이 되는 방식인데, 수송단백질(carrier protein)을 필요로 하지 않는 단순확산(simple diffusion)과 수송단백질을 갖는 촉진확산(facilitated diffusion)으로 나눌 수 있다. 예를 들면 단순확산은 미생물을 비롯한 모든 생명체가 호흡을 할 때 사용하는 산소의 수송이나 호흡의 산물인 이산화탄소의 수송은 수송단백질이 따로 없다. 촉진확산의 예는 대장균의 경우 글리세롤(glycerol)의 수송을 들 수 있으며, 사람의 경우 혈구세포에서 일어나는 포도당 수송을 들 수 있다.

능동수송은 양성자 동력(proton motive force)을 이용하는 2차 능동수송과 ATP를 에너지원으로 이용하는 ATP-binding cassette (ABC) 수송계, 그리고 PEP (phosphoenolpyruvate)를 에너지원으로 사용하며 수송과 동시에 당의 인산화가 일어나는 PEP: sugar phosphotransferase system (PTS)라는 당수송 인산전달계(또는 당수송 PTS)라는 그룹수송계가 존재한다. 2차 능동수송의 예로는 대장균에서 젖당(lactose)의 수송인데, 양성자 동력을 이용하여 하나의 양성자가 들어오는 힘을 이용하여 젖당을 수송한다. 사람의 경우 소장에서 포도당 수송 시 이온 농도기울기를 이용하는 것이 2차 능동수송에 해당된다. ABC 수송계의 예로는 대장균의 말토스(maltose), 아라비노스(arabinose), 라이보스(ribose) 등 여러가지 당의 수송에 ATP를 이용하며, 당수송 PTS의 예로는 대장균을 비롯한 많은 세균에서 포도당의 수송이 여기에 해당이 된다.

그림 1. 수송 에너지에 따른 당수송 단백질의 종류와 예. (출처: 석영재/서울대)

당수송 PTS는 대부분의 화학종속영양 세균과 일부 고균(archaea)에 존재하는 주요 당수송 메커니즘이다. 당수송 PTS는 대부분의 당의 수송에 공통적으로 사용되는 일반 PTS 단백질인 enzyme I (EI)과 histidine-containing phosphocarrier protein이라는 의미의 HPr과 함께 당 특이적 PTS 단백질인 enzyme II (EII) 복합체로 구성이 되어 있다. 대개 EI과 HPr은 하나씩만 갖고 있으며 EII는 여러 개를 갖고 있는데, 대장균의 경우에는 16종의 당 특이적인 EII 복합체를 갖고 있다. 각각의 EII복합체는 다시 수용성 세포질 단백질인 EIIA와 EIIB 그리고 세포내막 단백질로 당수송 통로 역할을 하는 EIIC (일부는 EIID도 갖는 경우가 있음)로 구성을 하는데, 이들은 1~3개의 단백질로 서로 붙어 있거나 다양한 조합으로 따로 떨어져 있을 수 있다(그림 2). PEP로부터 유래한 인산기는 EI, HPr, EIIA, EIIB를 순차적으로 거쳐서 EIIC를 통해 당이 수송될 때 인산화를 시키게 되어 PTS로 수송되는 당은 수송과 동시에 인산화가 일어나게 되는 것이다.

그림 2. 세균 및 고균에 존재하는 PTS 단백질의 구성. 종에 따라 당 특이적인 EII의 경우 약 20종류까지 존재한다. (출처: 석영재/서울대)

당수송 PTS는 다른 당수송계에 비교할 때 여러가지 장점을 갖고 있다.

첫째는 당의 수송과 동시에 인산화가 일어나기 때문에 수송되는 당의 농도가 외부가 항상 더 높게 유지가 된다. 따라서 농도기울기를 거슬러 수송을 할 필요가 없어진다는 장점이 있다. 예를 들어 단순확산이나 촉진확산의 경우에는 농도기울기를 거슬러 수송이 불가능하기 때문에, 내부에 당이 많이 쌓이면 더 이상 수송이 불가능하다. 반면 당수송 PTS를 이용한 수송의 경우 이런 경우가 발생하지 않는다.

둘째는 에너지 측면에서 2차 능동수송이나 ABC 수송계에 비해 더 유리하다는 점이다. 2차 능동수송은 수송 시에 하나의 양성자 이온(1/3 ATP에 해당)을 사용하여 수송이 된 후에 kinase에 의해 ATP를 사용하여 인산화가 일어나고 ABC 수송계의 경우에는 수송 시에 하나의 ATP를 사용하고 수송이 된 후에 다시 kinase에 의해 ATP를 사용하여 인산화가 일어난다. 이와는 반면에 당수송 PTS는 수송과 동시에 인산화가 일어나기 때문에 수송 후에 따로 에너지를 사용할 필요가 없다. 원래 pyruvate kinase에 의해 PEP가 pyruvate로 전환될 때 ADP로부터 하나의 ATP를 합성하기 때문에 PEP는 하나의 ATP와 같다고 볼 수 있다. 따라서 당수송 PTS는 수송과 인산화에 하나의 ATP만을 사용한다고 볼 수 있어서 에너지를 사용하는 다른 당수송계에 비해 효율이 높다고 볼 수 있다. 이러한 이유로 인해 세균의 경우 PTS로 수송되는 당이 존재하는 경우 다른 경로로 수송되는 당보다 선호한다. 그래서 대장균에서는 glucose나 mannitol이 maltose, lactose 및 glycerol에 비해 선호당으로써 분해대사 억제(CCR) 현상을 보이는 것이다.

당수송 PTS의 구성 단백질들은 외부에 PTS 당이 존재하지 않을 경우에는 계속 PEP로부터 인산기를 전달 받아 대부분 인산화가 된다. 하지만, 외부에 포도당과 같은 PTS 당이 존재하면 수송이 되면서 인산기를 가져가기 때문에 PTS 구성단백질의 탈인산화가 일어난다. 따라서 당수송 PTS의 구성단백질들의 인산화 상태는 외부에 존재하는 당의 종류와 양에 의존해서 바뀌게 되는 것이다. 이런 방식을 통해 세균들은 세포 외부의 영양분의 변화를 감지하여 당의 수송 이외에도 다양한 생리활성을 조절하게 된다. 이러한 PTS의 조절기능은 대장균에서 가장 많은 연구가 이루어졌는데(그림 3), 예를 들면 포도당이 존재할 때 PTS의 탈인산화가 일어나 EIIA^Glc는 락토스(lactose), 멜리바이오스(melibiose), 라피노스(raffinose) 수송단백질들의 수송을 차단하고 glycerol kinase를 억제하여 글리세롤의 대사를 차단하는 등 분해대사 억제 현상을 조절한다. 만일 포도당이 없거나 다 소모가 된 후에 EIIA^Glc가 인산화가 되면 adenylate cyclase를 활성화시켜서 ATP로부터 cAMP합성을 증가시켜서 CRP (cAMP receptor protein)로 하여금 비선호당의 수송 및 대사에 필요한 유전자의 발현을 증가시키게 되는 것이다. 이러한 분해대사 억제 현상외에도 PTS의 여러 구성단백질들은 매우 다양한 기능들을 갖는데, 더 자세한 내용은 그림 3과 참고문헌 2를 참고하기 바란다.

그림 3. 대장균 당수송 PTS의 다양한 조절기능. 여기에는 단백질-단백질 상호작용을 통한 조절기능만을 열거하였다. (출처: 석영재/서울대)

석영재/서울대학교

하남출/서울대학교

1: Kundig W, Ghosh S, & Roseman S (1964) Phosphate bound to histidine in a protein as an intermediate in a novel phosphotransferase system. Proc Natl Acad Sci USA 52: 1067-1074.

2: Deutscher J 등 (2014) The bacterial phosphoenolpyruvate: carbohydrate phosphotransferase system: regulation by protein phosphorylation and phosphorylation-dependent protein-protein interactions. Microbiol Mol Biol Rev 78: 231-256.