3-포스포글리세르산

3-포스포글리세르산은 생체 내에서 D-이성질체로 존재하며 해당작용(glycolysis)과 식물의 암반응(Calvin Cycle) 과정에서 합성되며, 아미노산 중 세린의 생합성에 사용되는 중간 대사체이다. 세린 합성경로의 첫 번째 과정에서 3-포스포글리세르산은 3-포스포글리세르산 탈수소효소(3-phosphoglycerate dehydrogenase; PHGHD)에 의해 3-포스포하이드록시피루빈산(3-phosphohydroxypyruvate)으로 변환되며, 따라서 유전적 PHGHD의 결손은 세린 결핍증을 일으키는 원인이 된다.

그림 1. 3-포스포글리세르산 구조 (출처: )

목차

3-포스포글리세르산은 세포질에서 탄수화물 대사인 해당과정(glycolysis)에 의해 6탄당인 포도당(glucose) 한 분자를 3탄당인 피루브산 2 분자로 바꾸는 과정에서 생성되는 중간 대사체이다(그림2).

생체 에너지인 아데노신 3인산(adenosine triphosphate; ATP)를 소모하는 해당과정의 에너지 투자기를 지나 ATP를 생산하는 에너지 회수기에 속하는 7번째 반응에서 생산되는 3-포스포글리세르산은 1,3-비스포스포글리세르산(1,3-bisphosphoglycerate)의 탈인산화 반응에 의해 생성된다. 포스포글리세르산 인산화효소(phosphoglycerate kinase)에 의해 일어나는 이 반응은 호흡과 광합성 이외에 기질수준에서의 ATP를 생산하는 대표적인 예로 1,3-비스포스포글리세르산이 가지고 있는 인산염(phosphate)을 ADP(adenosine diphosphate)로 전달하면서 ATP와 3-포스포글리세르산을 생산한다. 이러한 반응은 해당과정에서 2번 반복되어 1개의 포도당으로 시작 시 각 2개의 ATP와 2개의 3-포스포글리세르산이 생성된다. 해당과정과 달리 피루브산으로 부터 포도당을 만드는 포도당신생합성(gluconeogenesis) 과정에서는2-포스포글리세르산이 포스포글리세르산 뮤타아제(phosphoglycerate mutase)의 촉매에 의해 3-포스포글리세르산이 생산된다.

그림 2. 해당과정에서 3-포스포글리세르산 생산 및 소비 (제작: 장수진/한국파스퇴르연구소)

C3 싸이클 혹은 광합성의 암반응이라 불리는 캘빈 회로(Calvin cycle)는 식물의 엽록체(chloroplast)에서 이산화탄소(CO₂)가 유기화합물로 동화되는 순환과정으로 3-포스포글리세르산은 캘빈 회로의 첫 번째 단계에서 중간 산물로 생성된다(그림 3). 이산화탄소와 리불로오스 1,5-이인산(ribulose 1,5-biphosphate; RuBP)가 반응하는 1단계는 엽록체의 스트로마에 있는 리불로오스 이인산 카르복실화효소/산화효소(ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase)에 의해 촉매되어 3-포스포글리세르산을 생산한다. 이 반응에 의해 이산화탄소와 리불로오스 1,5-이인산 1개당 총 2개의 3-포스포글리세르산이 생산된다. 생산된 3-포스포글리세르산은 캘빈 회로의 2단계에서 광합성의 명반응으로부터 생성된 ATP와 NADPH의 전자를 받아 글리세르알데히드 3-인산(glyceraldehyde 3-phsphate)으로 환원된 후 리불로스1, 5이인산(RuBP)의 재생산이 일어나는 마지막 3단계에서 최종적으로 리불로스일인산(RuMP)을 거쳐 ATP를 사용하여 다시 리불로스1, 5이인산(RuBP)으로 전환된다.

그림 3. 캘빈 회로에서의 3-포스포글리세르산 생산 (출처: )

3-포스포글리세르산은 생체 내에서 아미노산 중 하나인 세린의 합성을 위한 전구체로 사용된다. 세린의 합성은 3-포스포글리세르산 탈수소효소(3-phosphoglycerte dehydrogenase; PHGDH)에 의해 3-포스포글리세르산이 3-포스포하이드록시피루빈산(3-phosphohydroxypyruvate)으로 전환되면서 시작된다. 이후 3-포스포하이드록시피루빈산은 포스포하이드록시피루빈산 아미노기전환효소(phsphohydroxypyruvate aminotransferase)에 의해 3-포스포세린으로 변환되고 최종적으로 포스포세린 인산가수분해효소(phosphaserine phosphatase)가 촉매하여 세린으로 전환된다(그림 4). 세린은 글라이신등 다른 아미노산 생성의 전구체로 사용될 뿐만 아니라 생체 내 항산화 반응에 중요한 글루타치온(glutathione) 및 퓨린(purine)과 피리미딘(pyrimidine)의 합성에도 필수적이며 나아가 생체막의 주요 성분인 인지질(phospholipid)의 전구체로 사용되는 등 생체 내에서 매우 중요한 아미노산 중의 하나로 세린 결핍은 태아의 발달장애를 가져와 소두증과 같은 질환의 원인이 되며 정신운동 발달 저하와 발작, 백내장, 경련성 사지마비를 일으킬 수 있다. 가장 흔히 발견되는 세린 결핍증의 원인은 세린 합성경로의 첫 번째 단계를 촉매하는 3-포스포글리세르산 탈수소효소(PHGDH)의 유전자에 발생하는 돌연변이이다. 상염색체 열성 유전 질환인 PHGDH 유전자 돌연변이는 PHGDH의 활성을 저하시켜 세린 결핍 증상을 나타난다.

그림 4. 세린 생합성에서의 3-포스포글리세르산 (출처: )

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장수진/한국파스퇴르연구소

김병식/이화여자대학교

Almontashiri, N.A.M., Rodan, L.H., and Peake, R.W. 2018. Serine deficiency in a child with neurological presentation, hearing loss, and multiple congenital anomalies. Clin. Chem. 64, 870–872.