아미노산 합성
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1. 개요
아미노산 합성은 체내에서 합성 가능 여부에 따라 필수 아미노산과 비필수 아미노산으로 구분되며, 비필수 아미노산은 주로 탄수화물 대사 중간체인 α-케토산으로부터 아미노기 전이 반응을 통해 생성된다. 주요 아미노산 합성 경로는 α-케토글루타르산, 옥살아세트산, 피루브산, 3-포스포글리세르산, 에리트로스 4-인산, 리보스 5-인산을 전구체로 하며, 각 경로별로 피드백 억제 및 유전자 발현 조절을 통해 정교하게 조절된다. 아미노산은 식품, 의약품, 사료 등 다양한 산업 분야에서 활용되며, 미생물을 이용한 발효, 효소 반응, 화학적 합성 등의 방법으로 상업적으로 생산된다.
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| 아미노산 합성 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 이름 | 아미노산 합성 |
| 정의 | 아미노산이 생성되는 생화학적 과정의 집합 |
| 대사 경로 | |
| 아미노산으로부터 | 시스테인 글리신 세린 트립토판 |
| 아미노산으로 | 알라닌 아르기닌 아스파라긴 아스파르트산 시스테인 글루탐산 글루타민 글리신 히스티딘 아이소류신 류신 라이신 메티오닌 페닐알라닌 프롤린 세린 트레오닌 트립토판 티로신 발린 |
| 추가 정보 | |
| 필요 아미노산 | 몸에서 충분한 양을 합성할 수 없기 때문에 음식으로 섭취해야 하는 아미노산 |
| 불필요 아미노산 | 몸에서 합성할 수 있는 아미노산 |
2. 아미노산 합성의 개요
세린, 아스파라긴, 글루타민, 시스테인, 글리신, 프롤린, 아르기닌, 아스파르트산, 글루탐산, 알라닌, 타이로신은 체내에서 합성 가능한 비필수 아미노산이다.
글루타민과 글루탐산은 대부분의 질소 공급원으로서 중요하다.
3. 주요 아미노산 합성 경로
글루탐산은 α-케토글루타르산의 아미노화 반응을 통해 합성된다.[2]
: α-케토글루타르산 + NH4+ 글루탐산
알라닌과 아스파르트산은 글루탐산의 아미노기 전이 반응을 통해 합성된다.[2]
3. 1. α-케토글루타르산 계열
α-케토글루타르산은 시트르산 회로의 중간체로, 글루탐산, 글루타민, 프롤린, 아르기닌 합성의 전구체이다. 글루탐산은 α-케토글루타르산의 아미노화 반응을 통해 생성되며, 다른 아미노산 합성에 아미노기를 제공하는 중요한 역할을 한다.[2]: α-케토산 + 글루탐산 ⇄ 아미노산 + α-케토글루타르산
: α-케토글루타르산 + ⇄ 글루탐산
글루타민은 글루탐산에 암모니아가 결합하여 생성되며, 질소 대사의 핵심적인 역할을 한다. 글루타민 합성효소는 질소 대사 조절의 핵심 효소로, 다양한 조절 기작을 통해 활성이 조절된다.[2]
프롤린 생합성은 음성 피드백 억제를 통해 조절되며,[4] 아르기닌 생합성은 억제자와 코억제자를 통해 조절된다.[5]
3. 2. 옥살아세트산 계열
옥살아세트산은 시트르산 회로의 중간체로, 아스파트산, 아스파라긴, 메티오닌, 트레오닌, 라이신, 아이소류신 합성의 전구체이다.
- 아스파트산: 옥살아세트산의 아미노기 전이 반응을 통해 생성된다. 아스파트산 키나아제 효소는 아스파트산의 인산화를 촉매하고 다른 아미노산으로의 전환을 시작하는데, 이는 AK-I, II 및 III의 3가지 동위효소로 나눌 수 있다. AK-I은 트레오닌에 의해 피드백 저해를 받으며, AK-II와 III는 라이신에 의해 저해를 받는다.[6]
- 아스파라긴: 아스파트산에 암모니아가 결합하여 생성된다. 아스파라긴 합성효소는 아스파트산, 글루타민, ATP로부터 아스파라진, AMP, 글루탐산 및 피로인산을 생성한다. 세균에서 발견되는 두 종류의 아스파라진 합성효소는 AsnC 단백질로 불리며, AsnA와 AsnB 유전자에 의해 암호화된다. AsnC는 자가 조절되며, AsnA 전사에 대한 자극 효과는 아스파라진에 의해 하향 조절된다.[7]
frame
- 메티오닌: 아스파트산으로부터 유도되는 복잡한 생합성 경로를 통해 생성된다. 전황화 경로를 통한 생합성은 아스파르트산으로 시작하며, 아스파토키나아제, 아스파르트산-세미알데히드 탈수소효소, 호모세린 탈수소효소 등의 효소가 관여한다. 메티오닌 생합성은 MetJ 억제 단백질, MetR 조절자, 비타민 B12 등에 의해 엄격하게 조절된다.
- 트레오닌: 아스파르트산으로부터 α-아스파르틸세미알데히드와 호모세린을 거쳐 합성된다. 아스파르트산 키나아제, 아스파르트산-세미알데히드 탈수소효소, 호모세린 탈수소효소, 호모세린 키나아제, 트레오닌 생성효소가 생합성에 관여한다. 트레오닌의 생합성은 호모세린 탈수소효소의 알로스테릭 조절을 통해 조절되며, 트레오닌의 높은 수준은 호모세린 합성을 낮춘다.
- 라이신: 아스파르트산으로부터 디아미노피멜산(DAP) 경로를 통해 합성된다. DAP 경로의 초기 두 단계는 아스파르트산 키나아제와 아스파르트산 세미알데히드 탈수소효소에 의해 촉매된다. 아스파르트산 키나아제 유전자의 전사는 라이신, 트레오닌, 메티오닌의 농도에 의해 조절되며, 이 아미노산의 농도가 높을수록 유전자 전사는 감소한다.
- 아이소류신: 피루브산과 α-케토글루타르산으로부터 합성된다. 아세토락테이트 합성효소, 아세토히드록시산 이소머레덕타제, 디히드록시산 탈수소효소, 발린 아미노전이효소가 생합성에 관여한다.[7] 트레오닌 탈아미나제, 디히드록시산 탈수소효소, 트랜스아미나제는 최종 생성물 조절에 의해 제어된다.
아스파트산 계열 아미노산(라이신, 메티오닌, 트레오닌, 아이소류신) 합성은 효소의 피드백 억제 및 유전자 발현 조절을 통해 정교하게 조절된다.
3. 3. 피루브산 계열
피루브산은 해당 과정의 최종 산물로, 알라닌, 발린, 류신 합성의 전구체이다.
- '''알라닌'''
알라닌은 피루브산의 아미노기 전이 반응을 통해 생성된다. 이 반응은 글루탐산-알라닌 트랜스아미나제 또는 트랜스아미나제 C에 의해 촉매된다.[18] 알라닌 생합성은 대부분 조절되지 않지만, 세균에서 발린이나 류신에 의해 트랜스아미나제 C 활성이 억제될 수 있다('''.ilvEDA 오페론''').[18]
- '''발린'''
발린은 4가지 효소 경로를 통해 생성된다.
# 아세토하이드록시산 합성효소에 의해 촉매되는 두 분자의 피루브산 축합 반응으로 시작하여 α-아세토락테이트를 생성한다.
# 아세토하이드록시 이소머레덕테이스에 의해 촉매되는 α-아세토락테이트의 NADPH+ 의존적 환원과 메틸기 이동을 통해 α,β-디히드록시이소발레레이트가 생성된다.
# 디히드록시산 탈수소효소에 의해 촉매되는 α,β-디히드록시이소발레레이트의 탈수 반응이 일어난다.
# 생성된 α-케토이소발레레이트는 알라닌-발린 트란스아미나아제 또는 글루탐산-발린 트란스아미나아제에 의해 촉매되는 아미노기 전이 반응을 거친다.
발린 생합성은 아세토하이드록시산 합성효소 생성 단계에서 피드백 억제를 받는다.[18]
- '''류신'''
류신 생합성 경로는 α-케토아이소발레이트에서 시작하여 발린 경로에서 갈라져 나온다.
# α-아이소프로필말산 합성효소가 아세틸 CoA와의 축합 반응을 촉매하여 α-아이소프로필말레이트를 생성한다.
# 이성질화효소는 α-아이소프로필말레이트를 β-아이소프로필말레이트로 전환시킨다.
# 탈수소효소에 의해 촉매되는 β-아이소프로필말레이트의 NAD+-의존적 산화 반응이 일어난다.
# 글루탐산-류신 아미노전이효소의 작용에 의한 α-케토아이소카프로에이트의 아미노기 전이 반응이 일어난다.
류신은 α-아이소프로필말산 합성효소의 작용을 억제하여 그 경로의 첫 번째 단계를 조절한다.[18] 류신은 발린 생합성 경로에서 분기되어 합성되기 때문에, 발린이 자체 경로에 미치는 피드백 억제는 류신의 합성 또한 억제할 수 있다.
''ilvEDA'' 오페론은 디히드록시산 탈수소효소, 트랜스아미나제 E 등 발린, 류신, 아이소류신 합성에 관여하는 효소들을 암호화하며, 이들 아미노산에 의해 조절된다.[18]
3. 4. 3-포스포글리세르산 계열
3-포스포글리세르산은 해당 과정의 중간체로, 세린, 글리신, 시스테인 합성의 전구체이다.
세린은 이 계열에서 가장 먼저 생성되는 아미노산이며, 이후 변형되어 글리신과 시스테인을 생성한다. 세린은 다음 경로를 통해 3-포스포글리세르산으로부터 형성된다.[13]
3-포스포글리세르산 → 포스포하이드록실-피루베이트 → 포스포세린 → 세린
3-포스포글리세르산에서 포스포하이드록실-피루베이트로의 전환은 포스포글리세레이트 탈수소 효소에 의해 이루어지며, 이 효소는 이 경로의 주요 조절 단계이다. 포스포글리세레이트 탈수소 효소는 세포 내 세린의 농도에 의해 조절된다. 농도가 높으면 이 효소가 비활성화되어 세린 생성이 억제되고, 농도가 낮으면 효소가 활성화되어 세린이 생성된다.[13] 세린은 글리신과 시스테인 생성의 전구체이므로, 이들의 생성 또한 세포 내 세린의 농도에 의해 조절된다.[14]
글리신은 세린 하이드록시메틸트랜스퍼라제(SHMT)에 의해 촉매되는 세린으로부터 생합성된다. 이 효소는 하이드록시메틸기를 수소 원자로 대체하는 역할을 한다. SHMT는 ''glyA'' 유전자에 의해 암호화되며, ''glyA''의 조절은 복잡하고, 세린, 글리신, 메티오닌, 퓨린, 티민, 엽산 등이 관여한다. 전체 메커니즘은 아직 완전히 밝혀지지 않았다.[15] 메티오닌 유전자 생성물 MetR과 메티오닌 중간체 호모시스테인은 ''glyA''를 양성으로 조절하며, 호모시스테인은 ''glyA''의 공동 활성제로서 MetR과 함께 작용한다.[15][16] 반면, 퓨린 합성에 관여하는 단백질인 PurR과 S-아데노-실메티오닌은 ''glyA''를 하향 조절한다. PurR은 ''glyA''의 제어 영역에 직접 결합하여 글리신 생성을 억제한다.
시스테인 합성에 필요한 유전자는 ''cys'' 조절 유전자 내에 암호화되어 있다. 황의 통합은 CysB에 의해 양성적으로 조절되며, N-아세틸-세린(NAS)과 환원된 황이 유도제 역할을 한다. CysB는 ''cys'' 조절 유전자 상의 DNA 하프 사이트에 결합하여 기능하며, 프로모터에 따라 양과 배열이 다른 여러 개의 부가 사이트가 존재한다. NAS가 없는 경우, CysB는 DNA에 결합하여 부가 하프 사이트를 덮어 조절 유전자의 전사를 막는다. NAS 존재 시 CysB의 입체 구조 변화를 유도하여 RNA 중합효소의 모집을 유발하고, ''cys'' 조절 유전자를 전사시켜 시스테인을 생성한다.
CysB는 자체 DNA 서열에 결합하여 RNA 중합효소를 차단함으로써 자체 전사를 하향 조절할 수 있으며, NAS는 CysB가 자체 DNA 서열에 결합하는 것을 방지한다. OAS는 NAS의 전구체이며, 시스테인 자체는 OAS를 생성하는 CysE를 억제한다. 황화물과 티오황산염 분자는 CysB에 결합하여 NAS와 경쟁한다.[17]
3. 5. 방향족 아미노산 합성 (에리트로스 4-인산 계열)
에리트로스 4-인산과 포스포에놀피루브산은 방향족 아미노산인 페닐알라닌, 타이로신, 트립토판 합성의 전구체이다. 코리스메이트는 방향족 아미노산 합성의 공통 중간체이다.[1]
타이로신과 페닐알라닌은 프레페네이트로부터 생합성되며, 이는 아미노산 특이적 중간체로 전환된다. 이 과정은 페닐알라닌(PheA) 또는 타이로신(TyrA) 특이적 코리스메이트 뮤테이스-프레페네이트 탈수소효소에 의해 매개된다. PheA는 프레페네이트를 페닐피루베이트로 전환하기 위해 단순한 탈수소효소를 사용하고, TyrA는 NAD-의존적 탈수소효소를 사용하여 4-히드록시페닐피루베이트를 생성한다. PheA와 TyrA는 모두 각 아미노산에 의해 피드백 억제된다. 타이로신은 또한 TyrR 억제제에 의해 전사 수준에서 억제될 수 있다. TyrR은 억제하려는 유전자의 프로모터 근처 오페론의 TyrR 박스에 결합한다.[1]
트립토판 생합성은 안트라닐산 합성효소를 사용하여 코리스메이트를 안트라닐산으로 전환하는 과정을 포함한다. 이 효소는 아미노기 공여체로서 글루타민 또는 암모니아 자체를 필요로 한다. 안트라닐산 합성효소는 trpE 및 trpG의 유전자 산물에 의해 조절된다. trpE는 첫 번째 서브유닛을 암호화하며, 이 서브유닛은 코리스메이트에 결합하여 아미노기를 공여체에서 코리스메이트로 이동시킨다. trpG는 글루타민으로부터 아미노기의 이동을 촉진하는 두 번째 서브유닛을 암호화한다. 안트라닐산 합성효소는 또한 피드백 억제에 의해 조절된다: 트립토판은 TrpR 억제제에 대한 공동 억제제이다.[1]
3. 6. 히스티딘 합성 (리보스 5-인산 계열)
리보스 5-인산은 히스티딘 합성의 전구체이다. 히스티딘 생합성은 His 오페론에 의해 조절되며, 히스티딘으로 충전된 tRNA 농도에 따라 조절된다.
''E. coli''에서 히스티딘 생합성은 ATP-인산화리보실 전달효소에 의해 촉매되는 5-인산리보실-피로인산(PRPP)의 인산화로 시작된다. 이후 여러 단계를 거쳐 L-히스티딘이 생성된다.[8][9]
일반적으로 히스티딘 생합성은 식물과 미생물에서 매우 유사하다.[10][11]
HisG → HisE/HisI → HisA → HisH → HisF → HisB → HisC → HisB → HisD (HisE/I와 HisB는 모두 이중 기능 효소이다)
이 효소들은 His 오페론에서 코딩된다. 이 오페론은 블록 1이라고 불리는 리더 서열의 독특한 블록을 가지고 있으며, ''E. coli''에서 히스티딘 조절에 중요하다.
Met-Thr-Arg-Val-Gln-Phe-Lys-His-His-His-His-His-His-His-Pro-Asp
''His'' 오페론은 모든 유전자 산물이 동일하게 억제되거나 억제 해제되는 조정된 조절 시스템 하에서 작동한다. 히스티딘 합성을 억제하거나 억제 해제하는 주요 요인은 히스티딘으로 충전된 tRNA의 농도이다. 히스티딘의 조절은 그 생합성 경로의 복잡성을 고려할 때 실제로 매우 간단하며, 트립토판의 조절과 매우 유사하다. 이 시스템에서 전체 리더 서열은 헤어핀 루프 구조를 형성할 수 있는 4개의 상보적 가닥 블록을 가지고 있다.[11]
블록 1은 조절의 핵심이다. 세포 내 히스티딘으로 충전된 tRNA 수준이 낮으면 리보솜은 블록 1의 His 잔기 문자열에서 멈춘다. 이 리보솜의 정지는 상보적인 가닥 2와 3이 헤어핀 루프를 형성하도록 허용한다. 가닥 2와 3에 의해 형성된 루프는 항종결자(anti-terminator)를 형성하며 ''his'' 유전자의 번역이 계속되고 히스티딘이 생성된다. 그러나 히스티딘으로 충전된 tRNA 수준이 높으면 리보솜은 블록 1에서 멈추지 않으며, 이는 가닥 2와 3이 헤어핀을 형성하도록 허용하지 않는다. 대신 가닥 3과 4는 리보솜의 더 하류에서 헤어핀 루프를 형성한다. 가닥 3과 4에 의해 형성된 헤어핀 루프는 종결 루프이며, 리보솜이 루프와 접촉하면 전사물에서 "떨어져 나갈" 것이다. 리보솜이 제거되면 ''His'' 유전자는 번역되지 않으며 세포에 의해 히스티딘이 생성되지 않는다.[12]
4. 아미노산의 상업적 생산
아미노산의 상업적 생산은 주로 포도당을 탄소원으로 사용하여 특정 아미노산을 많이 만들어내는 돌연변이 박테리아를 이용한다. 일부 아미노산은 합성 중간체를 효소를 써서 전환하는 방식으로 생산된다. 예를 들어 2-아미노티아졸린-4-카르복실산은 L-시스테인의 산업적 합성에 쓰이는 중간체이다. 아스파르트산은 푸마르산에 라이아제를 사용하여 암모니아를 첨가하여 생산한다.[19]
참조
[1]
웹사이트
How Many Amino Acids Does the Body Require?
http://healthyeating[...]
Demand Media
2015-07-28
[2]
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[3]
서적
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2014-01-01
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논문
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논문
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The Pathway and Control of Serine Biosynthesis in Escherichia coli
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[15]
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논문
Regulation of the Escherichia coli glyA gene by the metR gene product and homocysteine
[17]
서적
Amino acid biosynthesis: pathways, regulation, and metabolic engineering
Springer
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논문
Amino Acid Biosynthesis and its Regulation
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간행물
[20]
웹사이트
アミノ酸大百科 - アミノ酸は私たちの生命の源
https://www.ajinomot[...]
2018-07-21
[21]
웹인용
How Many Amino Acids Does the Body Require?
http://healthyeating[...]
Demand Media
2015-07-28
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