포도당신생합성

Gluco (포도당, glucose) + neo (새로운, new) + genesis (발생) 이라는 의미로 만들어진 말로 포도당신생합성 또는 포도당신생과정이라고도 한다. 포도당 외에도 다른 6탄당을 합성하는 경로들을 포괄하는 의미로도 생각할 수 있다. 대부분의 생명체는 포도당과 같은 6탄당이 아닌 탄소원을 이용하더라도 생명현상을 유지할 수 있지만, 생존을 위해서는 6탄당이 필요하기 때문에 섭취할 수 없는 경우에는 반드시 합성을 해야만 한다. 예를 들면 사람의 경우에는 단백질만을 섭취하더라도 혈중 포도당의 농도가 일정하게 유지가 되어야만 하며, 식물의 경우에는 셀룰로오스로 된 세포벽을 반드시 합성을 해야하며, 세균이나 진균의 경우에는 각각 펩티도글리칸과 키틴으로 이루어진 세포벽이 생존에 꼭 필요하다. 이와 같이 포도당과 같은 당류가 아닌 탄소원으로부터 6탄당을 합성하는 과정을 "포도당신생합성"이라고 한다. 

목차

포도당신생합성의 기본적인 경로는 해당과정 (glycolysis)의 반대로 생각하면 된다 (그림 1). 다만 acetyl~CoA나 TCA 회로의 중간대사산물과 같이 해당과정으로 직접 들어가지 못하는 경우에는 TCA회로의 malate나 oxaloacetate를 거쳐서 pyruvate나 PEP(phosphoenolpyruvate)로 들어가서 해당과정으로 유입이 된다. 해당과정의 대부분의 반응은 생화학적으로 가역반응이기 때문에 해당과정의 어떤 중간대사산물로 유입이 되더라도 해당과정을 거슬러 올라가 fructose 1,6-bisphosphate까지는 갈 수 있다. 다만, PEP를 pyruvate로 전환하면서 ADP로부터 ATP를 합성하는 pyruvate kinase효소의 경우에는 실험실에서는 PEP를 합성하는 역반응도 일어나지만, 실제 세포내에서는 정방향으로만 진행되는 것으로 일반적으로 받아들여지고 있다. 따라서 세포내에서는 pyruvate로부터 PEP로 가는 과정은 PEP synthetase가 담당을 하게 된다. PEP로부터 glyceraldehyde 3-phosphate까지의 반응은 가역반응이기 때문에 해당과정의 효소들을 그대로 사용한다. Glyceraldehyde 3-Phosphate는 triose phosphate isomerase의 가역반응에 의해 dihydroxyacetone phosphate가 되고 glyceraldehyde 3-phosphate와 dihydroxyacetone phosphate는 fructose bisphosphate aldolase의 가역반응에 의해 fructose 1,6-bisphosphate로 합쳐질 수 있다. 하지만 Fructose 1,6-bisphosphate로부터 fructose 6-phosphate로 가는 반응은 비가역반응으로 fructose bisphosphatase에 의해 1번 탄소에 부착된 인산기의 탈인산화가 일어난다. Fructose 6-phosphate로부터 glucose를 포함한 다양한 6탄당의 합성은 생물체에 따라 필요한 물질들을 합성하여 사용하게 된다.

효모나 다양한 세균 중에는 에탄올을 유일한 탄소원으로 사용할 수 있는 종들이 많이 존재한다. 효모는 세포벽이 키틴으로 되어 있고 세균은 세포벽이 펩티도글리칸 층이기 때문에 둘 다 N-acetylglucosamine을 반드시 합성을 해야 하며 또한 각종 당단백질을 만들기 위해 다양한 당의 합성이 필요하다. 에탄올의 경우에는 acetyl~CoA를 거쳐서 TCA 회로나 glyoxylate 회로를 통해 malate나 oxaloacetate를 거쳐서 pyruvate나 PEP의 형태로 중심대사과정으로 유입이 되고 그림1에서와 같이 Fructose 6-phosphate와 glucosamine 6-phosphate를 거쳐서 N-acetylglucosamine으로 변환이 된다. 또한 포도당은 fructose 6-phosphate로부터 glucose 6-phosphate를 거쳐서 합성이 될 수 있다. Glycerol의 경우에는 glycerol kinase에 의해 glycerol phosphate가 되고 glycerol phosphate dehydrogenase효소에 의해 glyceraldehyde 3-phosphate의 형태로 유입이 된다. 5탄당이나 4탄당의 경우에는 pentose phosphate pathway를 거쳐서 glyceraldehyde 3-phosphate나 fructose 6-phosphate로 유입이 될 수 있다.

단백질에 존재하는 아미노산은 그 종에 따라 매우 다른 경로로 유입이 된다. Serine이나 cysteine은 인산화가 일어나서 3-phosphoglycerate로 직접 유입이 되어 그림 1에서와 같이 포도당으로의 전환이 가능하다. 그 외 대부분의 아미노산들은 TCA회로의 a-ketoglutarate로 전환되어 malate나 oxaloacetate를 거쳐 pyruvate나 PEP로 유입이 되거나 바로 oxaloacetate로 전환되거나 pyruvate로 전환되어 포도당신생합성에 사용되는 등 다양한 유입 경로가 존재한다. 

그림 1. 해당과정과 포도당신생합성 경로의 비교. 초록색 화살표는 두 경로에서 공통적으로 사용되는 효소 반응이며, 빨간색 화살표는 해당과정 경로에 특이적인 효소반응을 나타내고 파란색 화살표는 포도당신생합성 경로에 특이적인 효소반응을 나타낸다. 회색으로 표시된 물질과 화살표는 포도당신생합성에 사용되는 기질과 경로를 표시하였다.

석영재/서울대학교

이진원/한양대학교