해당작용

해당작용(glycolysis) 또는 해당과정은 6탄소 화합물인 글루코스(C₆H₁₂O₆) 한 분자를 일련의 반응을 통해 3탄소 화합물인 피루브산(pyruvate, CH₃COCOO^-) 두 분자로 분해하는 대사 경로이다.¹⁾

산소의 유무와 관계 없이 진행되는 대사과정으로 세포질(cytosol)에서 일어난다. 이 과정에서 방출된 자유 에너지는 고에너지 분자인 아데노신 삼인산(adenosine triphosphate, ATP)과 NADH(reduced nicotinamide adenine dinucleotide)를 형성하는 데 사용된다. 해당작용은 모든 생물에서 광범위하게 발견되는 세포 호흡의 첫 단계로, 모두 10 가지의 효소 촉매 반응으로 이루어져 있다.

글루코스가 아닌 다른 단당류, 예를 들어 프룩토스나 갈락토스 같은 경우에도 해당작용의 중간생성물 중 하나로 전환되어 대사과정에 참여할 수 있다. 해당과정에서의 중간생성물은 해당과정 중의 하나의 단계로서 이용될 뿐 아니라 중간생성물 자체가 세포에서 다른 용도로 활발하게 이용된다. ²⁾

해당과정의 10 단계 중 앞의 5 단계는 ATP를 소비하는 준비 단계(preparatory phase)이고, 뒤의 5 단계는 ATP를 생산하는 회수 단계(pay-off phase)이다.

포스포프럭토키네이스(phosphofructokinase)는 해당과정 반응 속도의 조절에 가장 중요한 효소이다. 해당과정에서 ATP는 1,3-비스포스포글리세르산 및 포스포엔올피루브산과 같은 고에너지 화합물에 의한 기질 수준의 인산화(substrate level phosphorylation)에 의해 생성된다.

글루코스 분해는 에너지 생성을 위해 신체의 모든 세포에서 이루어진다. 해당작용의 최종 생성물은 호기성 환경에서는 피루브산이고 혐기성 조건에서는 락트산(lactic acid)이다. 해당과정을 통해 만들어진 피루브산은 추가적인 에너지 생산을 위해 시트르산 회로(citric acid cycle)로 들어간다.

목차

해당과정의 전체 반응을 요약하면 1분자의 글루코스가 2분자의 피루브산으로 분해되며, 이 과정에서 2분자의 ATP가 순생산된다.³⁾ 전체 반응식은 다음과 같다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 P_{i} -> 2 pyruvate + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O }@@NAMATH_DISPLAY@@

해당과정 이후 이어지는 산소 호흡의 추가적인 반응들은 해당과정에서 생성된 피루브산과 NADH + H⁺를 사용한다. 진핵생물의 산소 호흡은 1분자의 글루코스에 대해 대략 34분자의 ATP를 생성하는데, 대부분의 ATP는 해당과정에서 일어나는 기질수준의 인산화와는 다른 기작에 의해 생산되는 것이다. 산소 호흡에 비해 무산소 호흡은 글루코스 1분자당 생산되는 에너지가 적지만, 산소가 부족한 조건에서는 지방산 같은 대체할 수 있는 산화 기질이 없는 한 무산소 호흡으로의 대사 흐름이 증가한다.

에너지 준비기

처음의 다섯 단계로 1분자의 글루코스 2분자의 삼탄당 인산인 글리세르알데하이드 3-인산(G3P)으로 전환시키는데 에너지를 소비하므로 에너지 준비기 또는 투자기로 본다.

1단계: 글루코스의 인산화

헥소키네이스(hexokinase, HK)가 글루코스를 인산화시켜 글루코스-6-인산(G6P)을 형성한다. 이 반응은 ATP 한 분자를 소비한다. 글루코스의 농도를 낮게 유지하여 세포막 운반체를 통해 세포 내로 글루코스가 계속해서 유입될 수 있도록 하며 글루코스가 세포 밖으로 새어나가는 것을 막는다.

2단계: 글루코스 6-인산에서 프룩토스 6-인산으로의 변환

글루코스-6-인산(G6P)는 포스포글루코스 이성질화효소(phosphoglucose isomerase, PGI)에 의해 프룩토스 6-인산(F6P)로 재배열된다. 이 반응은 가역 반응이지만 F6P의 농도가 낮기 때문에 F6P를 생성하는 쪽으로 반응이 진행되고 F6P는 해당과정의 다음 단계로 넘어가면서 지속적으로 소비된다. 프룩토스도 인산화되면 이 지점에서 해당과정 경로로 들어갈 수 있다.

3단계: 프룩토스 6-인산에서 프룩토스 1,6-이중인산으로의 인산화

포스포프룩토키네이스(phosphofructokinase 1, PFK-1)가 촉매하며 ATP를 소비한다. 비가역적 반응이고 해당과정의 속도를 조절하는 핵심적인 지점이 된다. 전하를 띤 2개의 인산기를 형성하여 세포 밖으로 기질이 확산되는 것을 막는다.

4단계: 프룩토스 1,6-이중인산의 분해

프룩토스 이중인산 알돌레이스(fructose-bisphosphate aldolase, ALDO)에 의해 프룩토스 1,6-이중인산(F1,6BP)의 육탄당 고리가 두 개의 삼탄당, 즉 글리세르알데하이드 3-인산(GADP)과 다이하이드록시아세톤 인산(DHAP)으로 분리된다.

5단계: 삼탄당 인산의 상호변환

삼탄당 인산 이성질화효소(triosephosphate isomerase, TPI)에 의해 다이하이드록시아세톤 인산(DHAP)과 글리세르알데하이드 3-인산(GADP)이 상호변환된다.

에너지 회수기

해당작용 후반부의 다섯 단계로 에너지가 풍부한 분자인 ATP와 NADH를 생성하므로 에너지 회수기로 본다. 준비기에서 1분자의 글루코스가 2분자의 삼탄당으로 변환되므로, 회수기에서의 반응은 모두 글루코스 1분자당 2회 발생한다고 보면 된다. 회수기에 2분자의 NADH와 4분자의 ATP가 생성되는데, 전체 해당과정을 통해서는 글루코스 1분자당 2분자의 NADH와 2분자의 ATP가 순생성된다.

6단계: 글리세르알데하이드 3-인산에서 1,3-비스포스포글리세르산으로의 산화와 인산화

글리세르알데하이드 3-인산 탈수소효소(glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase, GAPDH)에 의해 글리세르알데하이드 3-인산(GADP)의 알데하이드기가 산화되고, 무기인산이 더해져서 1,3-비스포스포글리세르산(1,3PG)이 만들어진다. 이 과정에서 2분자의 NAD⁺는 환원되어 2분자의 NADH + H⁺를 생성한다.

7단계: 1,3-비스포스포글리세르산에서 ADP로의 인산기 전달

포스포글리세르산 키네이스(phosphoglycerate kinase, PGK)가 촉매하는 반응으로 1,3-비스포스포글리세르산(1,3PG)에서 인산기가 ADP로 이동하여 3-포스포글리세르산(3PG)과 ATP를 형성한다. 비로소 2분자의 새로운 ATP가 합성되는 단계인데 이때 ATP는 기질수준 인산화로 생성된다. 세포가 ATP를 충분히 가지고 있을 때에는 이 반응이 일어나지 않으므로 해당과정에서 중요한 조절 지점이 된다.

8단계: 3-포스포글리세르산에서 2-포스포글리세르산으로의 이성질화

포스포글리세르산 뮤테이스(phosphoglycerate mutase, PGM)에 의해 3-포스포글리세르산(3PG)이 2-포스포글리세르산(2PG)으로 이성질화된다.

9단계: 2-포스포글리세르산에서 포스포엔올피루브산으로의 탈수반응

엔올레이스(enolase, ENO)에 의해 2-포스포글리세르산(2PG)이 포스포엔올피루브산(PEP)으로 변환된다.

10단계: 포스포엔올피루브산으로부터 ADP로의 인산기 전이

기질수준의 인산화로 피루브산 키네이스(pyruvate kinase, PK)에 의해 피루브산과 ATP가 생성된다. 위의 7단계 반응과 마찬가지로 조절 지점이 될 수 있다.

해당작용이 계속해서 일어난다면, 반응물인 NAD⁺가 고갈되고, 결국 해당작용도 중단될 것이다. 생물이 해당작용을 계속 진행시키기 위해서는 NADH를 다시 NAD⁺로 산화시킬 수 있어야 한다. NADH를 어떤 방법으로 NAD⁺로 산화시킬지는 외부의 어떤 전자수용체가 이용가능한지에 달려있다.

무산소 조건에서 NAD⁺의 재생

NAD⁺를 재생하는 한 가지 방법은 피루브산을 환원시키는 것이다. 해당작용의 결과물인 피루브산이 락트산(또는 젖산, lactic acid)으로 환원되고, NADH가 NAD⁺로 산화되는 이 과정을 락트산 발효(lactic acid fermentation)라고 부른다.

피루브산 + NADH + H⁺ → 락트산 + NAD⁺

이 반응은 락트산 탈수소효소(lactate dehydrogenase)가 촉매한다. 락트산 발효는 유산균 같은 세균이 산소가 부족한 환경에 놓일 경우 시행되는 대사과정으로, 글루코스가 해당작용을 거쳐 피루브산이 되면, 피루브산은 NADH로부터 수소를 받아 락트산으로 환원되고 재생산된 NAD⁺는 해당과정에 공급된다. 무산소운동을 할 때 사람의 근육세포에서도 락트산 발효가 흔히 관찰된다.

락트산 발효의 결과로 근육세포에 과잉 축적된 락트산은 코리 회로(Cori cycle)에 의해 간으로 이동해 간에서 다시 피루브산으로 전환됨으로써 제거된다. 무산소 조건에서 NAD⁺의 재생성은 척추동물이 격렬한 운동을 하는 동안 에너지를 생산하기 위한 효과적인 수단이다. 락트산 발효를 통해 글루코스 1분자당 2분자의 ATP를 생산하는데, 그 생성 속도는 산화적 인산화를 통해 ATP를 생성하는 속도의 약 100배이다. 낮은 산소 조건에서 신체는 ATP 생성의 효율성은 떨어지지만, 생성 속도는 빠른 방식을 취하는 것이다.

효모와 같은 일부 생물은 에탄올 발효(ethanol fermentation)라고 불리는 과정을 통해 NADH를 NAD⁺로 산화시킨다. 에탄올 발효에서 피루브산은 먼저 아세트알데하이드와 이산화 탄소로 변환된 다음 에탄올로 전환된다.

피루브산 → 아세트알데하이드 + CO₂아세트알데하이드 + NADH + H⁺ → 에탄올 + NAD⁺

각각의 반응은 피루브산 카복실이탈효소(pyruvate decarboxylase)와 알코올 탈수소효소(alcohol dehydrogenase)가 매개한다.

락트산 발효와 에탄올 발효는 산소가 없을 때 일어날 수 있다. 많은 단세포 생물들은 이러한 혐기성 발효를 함으로써 해당작용을 그들의 유일한 에너지 공급원으로 사용할 수 있다.

산소가 있는 조건에서 NAD⁺의 재생과 피루브산의 이후 대사

호기성 생물은 공기 중의 산소를 최종 전자수용체로 사용하는 복잡한 기작을 발달시켰다. 해당작용에서 생성된 NADH + H⁺는 산화되기 위해 미토콘드리아로 이동해야 하는데 미토콘드리아의 내막은 NADH와 NAD⁺에 불투과성이다. 그래서 NADH로부터 전자를 미토콘드리아 내막을 가로질러 운반하기 위해 두 개의 셔틀, 즉 말레이트-아스파트 셔틀(malate-aspartate shuttle)과 글라이세롤 인산 셔틀(glycerol phosphate shuttle)을 사용한다. 이 셔틀을 통해 NADH가 NAD⁺로 산화되고, 이 과정에서 전자는 궁극적으로 산소로 전달되어 물이 형성되며, 방출된 에너지는 ATP의 형태로 저장된다. ⁴⁾

해당작용의 최종 결과물인 피루브산은 미토콘드리아의 기질로 들어가 피루브산 탈수소효소 복합체(pyruvate dehydrogenase complex)에 의해 카복실이탈반응(decarboxylation)을 거치면서 아세틸 조효소 A로 전환된다. 이후 아세틸 조효소 A는 시트르산 회로로 들어가서 이산화 탄소와 NADH + H⁺를 생성한다. NADH + H⁺는 미토콘드리아 내막에 있는 전자전달계를 통해 NAD⁺로 산화되고, 최종 전자수용체인 산소는 물이 된다. 이 과정에서 방출되는 에너지를 이용해서 미토콘드리아 내막을 경계로 H⁺의 농도 기울기가 형성된다. 양성자의 농도 기울기를 이용하여 산화적 인산화 과정에서 1분자의 NADH + H⁺는 산화에 의해 약 2.5분자의 ATP를, 1분자의 FADH₂는 산화에 의해 약 1.5분자의 ATP를 생성한다.

1. Bailey, Regina. '10 Steps of Glycolysis;
2. Stryer, Lubert (1995). 'Fatty acid metabolism.'. In: Biochemistry (Fourth ed.). New York: W.H. Freeman and Company. pp. 603–628. ISBN 0 7167 2009 4.
3. Lane, A. N.; Fan, T. W. -M.; Higashi, R. M. (2009). 'Metabolic acidosis and the importance of balanced equations'. Metabolomics. 5 (2): 163–165.
4. Stryer, Lubert (1995). 'Oxidative phosphorylation.'. In: Biochemistry (Fourth ed.). New York: W.H. Freeman and Company. pp. 537–549. ISBN 0 7167 2009 4.