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글리코젠 가인산분해효소

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1. 개요

글리코젠 가인산분해효소는 글리코젠을 포도당으로 분해하는 효소로, 알로스테릭 조절과 인산화를 통해 활성이 조절된다. 이 효소는 근육, 간, 뇌 등에서 동위효소 형태로 존재하며, 각기 다른 조직에서 글리코겐 대사에 관여한다. 글리코젠 가인산분해효소의 이상은 맥카들병(근육형)과 허스병(간형)과 같은 글리코겐 축적 질환을 유발하며, 제2형 당뇨병 치료의 표적이 되기도 한다.

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글리코젠 가인산분해효소
일반 정보
명칭가인산 분해 효소
EC 번호2.4.1.1
CAS 등록번호9035-74-9
GO 코드0008184
토끼 근육의 글리코젠 가인산분해효소-AMP 복합체의 결정 구조
토끼 근육의 글리코젠 가인산분해효소-AMP 복합체의 결정 구조. AMP 알로스테릭 부위(노란색), 인산화된 Ser14(주황색), 글리코젠 결합 부위(파란색), 촉매 부위(빨간색).

2. 작용 기전

글리코젠 가인산분해효소는 글리코젠을 분해하여 포도당 단위체를 생성하는 반응을 촉매한다. 이 효소는 α1-4 글리코시드 결합을 분해하여 글루코스-1-인산을 생성하며, 이 과정은 세포 내에서 글리코젠 분해의 핵심 단계이다.

2. 1. 촉매 과정

글리코젠 가인산분해효소는 글리코젠을 포도당 단위체로 분해하는 효소이다. 이 과정에서 글리코젠은 포도당 분자 하나가 줄어들고, 유리된 포도당 분자는 글루코스-1-인산 형태로 나타난다. 이 물질은 대사에 사용되기 위해 효소 포도당인산 뮤테이스에 의해 글루코스-6-인산으로 전환되어야 한다.[2]

반응식은 다음과 같다:

:(α-1,4 글리코젠 사슬)n + Pi ⇌ (α-1,4 글리코젠 사슬)n-1 + α-D-글루코스-1-인산염.[2]

이 반응은 시험관 내에서는 가역적이지만, 세포 내에서는 무기 인산염의 농도가 글루코스-1-인산염보다 훨씬 높기 때문에 효소가 정방향으로만 작동한다.[2]

글리코젠에 대한 글리코젠 가인산분해효소의 작용


글리코젠 가인산분해효소는 글리코젠의 선형 사슬(α1-4 글리코시드 결합)에만 작용할 수 있다. α1-6 가지로부터 4개의 잔기 떨어진 곳에서 작용이 즉시 중단되는데, 이는 글리코젠에서 매우 흔하게 나타난다. 이러한 상황에서는 탈분지 효소가 필요하며, 이는 해당 영역의 사슬을 펴준다. 또한 효소 전달효소는 3개의 글루코실 잔기의 덩어리를 외부 가지에서 다른 쪽 끝으로 이동시키고, 그러면 새로운 선형 사슬에 남아있는 (단일 포도당) α1-6 잔기를 분해하기 위해 α1-6 글루코시다아제 효소가 필요하다. 이 모든 과정이 완료되면 글리코젠 가인산분해효소가 계속 작용할 수 있다.

글리코젠 가인산분해효소는 α1-4 사슬에 특이적이며, 분자는 글리코겐 사슬이 형성하는 나선과 동일한 반경을 가진 30 옹스트롬 길이의 틈새를 포함한다. 이 틈새는 4-5개의 글루코실 잔기를 수용하지만 가지가 들어갈 만큼 충분히 넓지 않다. 이 틈새는 글리코겐 저장 부위를 활성, 촉매 부위와 연결한다.

글리코젠 가인산분해효소는 각 촉매 부위에 피리독살 인산 (PLP, 비타민 B6에서 유래)을 가지고 있다. 피리독살 인산은 염기성 잔기(이 경우 Lys680)와 결합하여 공유 결합으로 쉬프 염기를 형성한다. 쉬프 염기 결합이 형성되어 PLP 분자를 활성 부위에 고정시키면, PLP의 인산기는 무기 인산염 분자에 양성자를 쉽게 기증하여 무기 인산염이 α-1,4 글리코시드 결합을 형성하는 산소를 차례로 탈양성자화할 수 있도록 한다. PLP는 음전하가 인산기 내에서뿐만 아니라 피리딘 고리에서도 안정화되기 때문에 쉽게 탈양성자화되며, 따라서 PLP의 탈양성자화로 인한 짝염기는 상당히 안정적이다. 양성자화된 산소는 이제 좋은 이탈기를 나타내며, 글리코겐 사슬은 SN1 방식으로 말단 글리코겐에서 분리되어 1번 위치에 2차 탄소 양이온을 가진 포도당 분자가 형성된다. 마지막으로, 탈양성자화된 무기 인산염은 친핵체로 작용하여 탄소 양이온과 결합하여 글루코스-1-인산과 한 분자의 포도당 분자가 짧아진 글리코겐 사슬을 형성한다.

글리코젠 가인산분해효소 촉매 부위 메커니즘


반 의자형태의 양전하를 띤 산소를 포함하는 대안적인 메커니즘도 제안되었다.[3]

3. 구조

글리코젠 가인산분해효소 단량체는 크고, 근육 세포에서 842개의 아미노산으로 구성되어 있으며 97.434 kDa의 질량을 가진다. 이 효소는 비활성 단량체 또는 사합체로 존재할 수 있지만, 두 개의 동일한 서브 유닛으로 구성된 이량체로서 생물학적으로 활성화된다.[4]

글리코젠 가인산분해효소 b의 R 상태와 T 상태의 타워 헬릭스 (각각 왼쪽과 오른쪽). 중앙 타워 헬릭스의 상대적 위치와 R 상태에서 서브 유닛 간의 증가된 상호 작용에 주목하십시오. PDB3CEH, PDB3E3O


글리코젠 가인산분해효소 이량체는 촉매 부위, 글리코겐 결합 부위, 알로스테릭 부위 및 가역적으로 인산화된 세린 잔기를 포함하여 생물학적으로 중요한 여러 영역을 가지고 있다. 촉매 부위는 단백질 표면 및 서브 유닛 경계면으로부터 15Å 비교적 깊숙이 위치하고 있어,[6] 표면에 쉽게 접근할 수 없다. 이는 작은 알로스테릭 효과가 글리코겐 부위에 대한 상대적인 접근성을 크게 증가시킬 수 있으므로, 단백질 활성이 조절에 매우 민감하다는 것을 의미한다.

가장 중요한 조절 부위는 서브 유닛 경계면과 매우 가까운 가역적인 인산화 부위인 Ser14이다. 인산화와 인산분해효소 b에서 인산분해효소 a로의 전환과 관련된 구조적 변화는, 원래 무질서했던 잔기 10~22가 α 나선으로 배열되는 것이다. 이러한 변화는 AMP가 없는 상태에서도 인산분해효소 활성을 최대 25%까지 증가시키고, AMP 활성화를 더욱 향상시킨다.[7]

글리코젠 가인산분해효소의 근육 동형에 존재하는 AMP 결합 알로스테릭 부위는 Ser14와 마찬가지로 서브 유닛 경계면에 가깝다. 이 부위에서 AMP가 결합하면 효소의 T 상태에서 R 상태로 변화가 일어나, 서브 유닛 경계면에서 삼차 구조에 작은 변화를 일으켜 사차 구조에 큰 변화를 가져온다.[8] AMP 결합은 두 서브 유닛의 타워 헬릭스(잔기 262-278)를 서로 50˚ 회전시키는데, 이는 더 큰 조직화와 서브 유닛 간 상호 작용을 유발한다. 이 타워 헬릭스의 회전은 두 서브 유닛을 서로 10˚ 회전시키고, 더 중요한 것은 T 상태에서는 촉매 부위에 대한 접근을 차단하지만 R 상태에서는 그렇지 않은 잔기 282-286(280s 루프)을 무질서하게 만든다.[6]

글리코젠 가인산분해효소 단백질에서 주목할 만한 부위는 글리코겐 저장 부위이다. 잔기 397-437은 촉매 부위에서 30Å 떨어진 글리코겐 사슬에 공유 결합을 할 수 있는 구조를 형성한다. 이 부위는 효소가 말단 포도당 분자의 분해를 시작하기 전에 글리코겐 과립에 결합하는 부위일 가능성이 높다. 실제로, 세포 내 이량체 인산분해효소의 70%는 자유롭게 떠다니는 것보다 글리코겐 과립에 결합된 상태로 존재한다.[9]

3. 1. 동위효소 (Isozymes)

포유류에서 글리코젠 가인산분해효소의 주요 동위 효소는 근육, 간, 뇌에서 발견된다. 뇌형은 성인 뇌와 배아 조직에서 우세하며, 간형과 근육형은 각각 성인 간과 골격근에서 우세하다.[5]

4. 조절

글리코겐 가인산분해효소는 알로스테릭 조절과 인산화의 두 가지 방식으로 조절된다.

에피네프린(아드레날린), 인슐린, 글루카곤과 같은 호르몬은 G 단백질과 관련된 2차 전달자 증폭 시스템을 사용하여 글리코겐 가인산분해효소를 조절한다. 근육세포에서는 글리코겐 가인산분해효소 b가 AMP에 의해 알로스테릭하게 활성화될 수 있다.[6][9]

4. 1. 알로스테릭 조절

글리코젠 가인산분해효소는 알로스테릭 조절과 인산화를 통해 조절된다. 인산분해효소 a와 인산분해효소 b는 각각 T(긴장) 비활성 상태와 R(이완) 상태의 두 가지 형태로 존재한다. 인산분해효소 b는 일반적으로 ATP와 포도당 6-인산의 존재로 인해 비활성인 T 상태에 있으며, 인산분해효소 a는 일반적으로 R 상태(활성)에 있다.

간은 포도당 수출자 역할을 하므로 포도당 농도에 민감한 글리코젠 가인산분해효소의 동질효소가 간에 존재한다. 간 인산분해효소는 포도당에 반응하여 R 형태에서 T 형태로 매우 빠르게 전환되어 비활성화된다. 또한 간 인산분해효소는 AMP에 민감하지 않다.

근육에서 글리코젠 가인산분해효소 b는 AMP에 의해 알로스테릭하게 활성화될 수 있다.[6][9] 격렬한 운동 중 AMP 농도가 증가하면 에너지 요구를 알리는 신호가 된다. AMP는 글리코젠 가인산분해효소 b의 컨포메이션(형태)을 긴장 상태에서 이완 상태로 변경하여 활성화시킨다. ATP 농도가 증가하면 뉴클레오티드 결합 부위에서 AMP를 대체하여 이러한 활성화를 억제한다.

4. 2. 공유 결합 변형 (인산화/탈인산화)

글리코젠 가인산분해효소는 인산화와 에피네프린(아드레날린), 인슐린, 글루카곤과 같은 호르몬을 통해 조절된다. 이러한 호르몬은 G 단백질에 연결된 이차 전달자 증폭 시스템을 사용하여 글리코젠 가인산분해효소를 조절한다.[22]

글루카곤은 G 단백질 연결 수용체(GPCR)를 통해 Gs에 연결되어 아데닐산 시클라제를 활성화하고, 이는 세포 내 cAMP 농도를 증가시킨다. cAMP는 단백질 인산화효소 A(PKA)에 결합하여 활성화시킨다. PKA는 인산분해효소 키나아제를 인산화하고, 인산분해효소 키나아제는 다시 Ser14에서 글리코겐 가인산분해효소 b를 인산화하여 활성 글리코겐 가인산분해효소 a로 전환시킨다.

간에서 글루카곤은 다른 GPCR을 활성화하여 포스포리파아제 C(PLC) 활성화를 유발한다. PLC는 간세포의 소포체로부터 세포질로 칼슘을 간접적으로 방출시킨다. 증가된 칼슘은 칼모듈린 소단위에 결합하여 글리코겐 가인산분해효소 키나아제를 활성화시킨다. 글리코겐 가인산분해효소 키나아제는 글리코겐 가인산분해효소를 활성화시킨다.

식사를 하면 인슐린이 방출된다. 인슐린은 신호 전달 연쇄 반응을 통해 단백질 포스파타아제 1(PP1) 및 포스포디에스테라아제를 간접적으로 활성화시킨다. PP1은 글리코겐 가인산분해효소 a를 탈인산화하여 비활성 글리코겐 가인산분해효소 b를 재형성한다. 포스포디에스테라아제는 cAMP를 AMP로 전환한다. 이들은 함께 cAMP의 농도를 감소시키고 PKA를 억제한다. 그 결과, PKA는 더 이상 인산화 연쇄 반응을 시작할 수 없다. 전반적으로 인슐린 신호전달은 글리코겐 분해를 감소시키고 글리코겐 생성을 유발한다.[22]

5. 임상적 의의

글리코젠 가인산분해효소 억제는 제2형 당뇨병 치료의 한 가지 방법으로 제안되었다.[10] 간에서의 포도당 생산이 제2형 당뇨병 환자에게서 증가하는 것으로 나타났기 때문에,[11] 간 글리코겐으로부터 포도당 방출을 억제하는 것이 유효한 접근 방식으로 보인다. 인간 간 글리코젠 가인산분해효소(HLGP)를 클로닝한 결과, 연구에 일반적으로 사용되는 토끼 근육 글리코젠 가인산분해효소(RMGP)에는 없는 소단위체 계면 근처의 새로운 알로스테릭 결합 부위가 발견되었다. 이 부위는 AMP 알로스테릭 부위의 억제제와 같은 억제제에는 민감하지 않았으며,[12] 포도당-6-인산이 HLGP의 알려진 억제제이고 활성이 낮은 T-상태를 안정화시키기 때문에, 포도당 구조를 모방한 새로운 억제제를 합성하는 데 가장 큰 성공을 거두었다.[13] 이러한 포도당 유도체들은 HLGP를 억제하는 데 어느 정도 성공을 거두었으며, 예측된 Ki 값은 0.016 mM 정도로 낮았다.[14]

글리코젠 가인산분해효소의 뇌 아이소형(PYGB)은 위암의 생체 지표로 제안되었다.[21]

5. 1. 맥아들병 (McArdle disease, 근육형 글리코젠 축적 질환, V형)

글리코젠 가인산분해효소의 근육 아이소형(PYGM) 돌연변이는 글리코겐 축적 질환 제V형(맥아들병)과 관련이 있다.[15][16] 현재까지 맥아들병을 유발하는 PYGM 유전자에서 65개 이상의 돌연변이가 확인되었다.[15][16] 맥아들병의 증상에는 근육 약화, 근육통, 지구력 부족 등이 있으며, 이는 모두 근육 조직 내의 낮은 포도당 수치에서 비롯된다.[17]

5. 2. 허스병 (Hers disease, 간형 글리코젠 축적 질환, VI형)

글리코겐 가인산분해효소의 간 아이소형(PYGL) 돌연변이는 허스병 (글리코겐 축적 질환 제VI형)과 관련이 있다.[18][19] 허스병은 종종 저혈당증으로 제한되는 경미한 증상과 관련이 있으며, 잔류 효소 활성으로 인해 진단이 어려운 경우도 있다.[20]

5. 3. 기타 질환

글리코젠 가인산분해효소의 근육 아이소형(PYGM) 돌연변이는 글리코겐 축적 질환 제V형(맥카들병)과 관련이 있다.[15][16] 맥카들병의 증상으로는 근육 약화, 근육통, 지구력 부족 등이 있으며, 이는 모두 근육 조직 내 낮은 포도당 수치에서 비롯된다.[17] 현재까지 맥카들병을 유발하는 PYGM 유전자에서 65개 이상의 돌연변이가 확인되었다.[15][16]

글리코젠 가인산분해효소의 간 아이소형(PYGL) 돌연변이는 Hers 병(글리코겐 축적 질환 제VI형)과 관련이 있다.[18][19] Hers 병은 종종 저혈당증으로 제한되는 경미한 증상과 관련이 있으며, 잔류 효소 활성으로 인해 진단이 어려운 경우도 있다.[20]

글리코젠 가인산분해효소의 뇌 아이소형(PYGB)은 위암의 생체 지표로 제안되었다.[21]

참조

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