포도당 신생합성

포도당 신생합성은 피루브산(pyruvic acid)이나 그밖의 비탄수화물 전구체에서 포도당을 합성하는 대사 경로를 말한다. 포도당 신생합성은 모든 미생물, 균류, 식물과 동물에서 일어나는데, 두 분자의 피루브산으로부터 한 분자의 포도당을 합성하는 근본적으로 같은 반응이 일어난다. 그렇기 때문에 한 분자의 포도당에서 두 분자의 피루브산을 생성하는 해당과정(glycolysis)의 역반응이라 볼 수 있다. 해당과정과 포도당 신생합성은 7개의 효소를 공유하고 있다. 식물에서는 광합성 산물인 글리세르알데히드-3인산(glyceraldehyde-3-phosphate; G3P)이 녹말로 전환되어 엽록체에 저장되거나 포도당이나 설탕(sucrose)으로 전환되어 다른 기관으로 전달된다.

목차

포도당 신생합성 경로는 크게 세 단계로 나누어 진행된다. 즉, (1) 피루브산에서 포스포에놀피루브산(phosphoenolpyruvate; PEP), (2) 과당-1,6-2인산(fructose-1,6-bisphosphate; F1,6BP)에서 과당-6-인산(fructose-6-phosphate; F6P), 그리고 (3) 포도당-6인산(glucose-6-phosphate; G6P)에서 포도당으로 전환된다(그림1).

(1) 피루브산에서 PEP 과정: 피루브산과 그밖의 비탄수화물 전구체는 피루브산으로 전환되어 피루브산 운반체(pyruvate transporter)를 통해 미토콘드리아 안으로 들어간다. 미토콘드리아에서 피루브산은 옥살로아세트산(oxaloacetate; OAA)을 거쳐 말산(malate)으로 전환된다. 생성된 말산은 말산 운반체를 통해 미토콘드리아 바깥의 세포질(cytosol)로 수송된다. 세포질로 나온 말산은 다시 옥살로아세트산으로 전환되며 GTP를 사용하여 포스포에놀피루브산 카르복실인산화효소(phosphoenolpyruvate carboxykinase; PEPCK)를 통해 PEP로 전환된다.

(2) 과당-1,6-2인산에서 과당-6-인산 과정: 과당-1,6-2인산(F1,6BP)에서 과당-6-인산(F6P)으로의 전환은 해당과정에서 속도결정단계의 반대 과정이며, 글리세르알데히드-3-인산 탈수소효소(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase; GAPDH)을 통해 이루어진다. GAPDH의 역반응에는 NADH의 공급이 필요하다. 젖산이 포도당 신생합성의 기질 중 하나이므로, NADH는 젖산 탈수소효소(lactate dehydrogenase; LDH)의 반응을 통해 공급된다. 또한 말산 탈수소효소(malate dehydrogenase) 반응을 통해서도 공급된다.

(3) 포도당-6-인산에서 포도당 과정: 포도당-6-인산(glucose-6-phosphate)은 포도당-6-인산 가수분해효소(glucose-6-phosphatase; G6Pase)를 통해 포도당으로 전환된다. G6Pase 또한 F1,6BPase와 마찬가지로 간단한 가수분해반응이다.

그림1. 포도당신생합성 경로 (출처:한국식물학회)

위의 경로와 마찬가지로 포도당 신생합성에 있어 식물에서도 OAA가 PEP로 전환되는 과정에 PEPCK(PCK)를 통하여 일어난다는 것이 널리 인정되고 있다. PEP 합성에서 사실상 진핵생물에서 피루브산 인산화효소(pyruvate kinase)로 촉매되는 되돌릴 수 없는 반응이기에, 이 과정이 유일한 생리학적 경로라고 여겨졌다. 몇몇 세균에서는 다른 경로를 통한 포도당신생합성이 이루어진 것이 관찰되었다. 그 중, Acetobactor xylinum과 Sinorhizobium meliloti에서 말산효소(malic enzyme; ME)와 피루브산오르토인산2인산화효소(pyruvate orthophosphate dikinase; PPDK)를 이용하는 것이 알려졌다.¹⁾²⁾(그림2)

식물에서 PPDK는 C4식물의 광합성에 이용되는 것으로 널리 알려져 있다.³⁾ 하지만 C4식물이 아닌 경우에도 해당 유전자를 가지고 있고 그렇기 때문에 다른 기능을 더 가지는 것으로 추정할 수 있다. 2015년에 나온 논문의 연구에 따르면 애기장대(Arabidopsis thaliana)의 경우, PEPCK와 PPDK의 두 가지 경로를 모두 사용하는 것으로 알려졌으며, 이것은 진핵생물에서 PEPCK가 아닌 다른 경로로 포도당 신생합성을 밝힌 첫 연구이다.⁴⁾(그림2)

그림2. 추가적인 포도당신생합성 경로(출처: 한국식물학회)

1. Benziman, M., N. Eizen (2000) Pyruvate-Phosphate Dikinase and the Control Gluconeogenesis in Acetobacter xylinum. Journal of Biological Chemistry, 246: 57-61
2. Bsterds, M., Finan, T. M. (2018). Increased pyruvate orthophosphate dikinase activity results in an alternative gluconeogenic pathway in Rhizobium ( Sinorhizobium ) meliloti,1639–1648.
3. Hibberd, J. M., Covshoff, S. (2010) The Regulation of Gene Expression Required for C 4 Photosynthesis. Annual Review of Plant Biology, 61: 181-207
4. Eastmond, P. J., Holly, M. A., Kate, P 등(2015) Arabidopsis uses two gluconeogenic gateways for organic acids to fuel seedling establishment. Nature communications, 6: 6659