오탄당 인산 경로
1. 개요
오탄당 인산 경로는 포도당 6-인산으로부터 리불로스 5-인산을 거쳐 리보스 5-인산 등을 생성하는 대사 경로이다. 이 경로는 오탄당 인산 분기 경로, 오탄당 인산 회로, 산화적 오탄당 인산 경로 등으로도 불리며, 헥소스 일인산 경로, 포스포글루콘산 경로, 오탄당 경로 또는 바르부르크-디킨스 경로라고도 한다. 오탄당 인산 경로는 산화적 단계와 비산화적 단계로 나뉘며, 산화적 단계에서는 NADPH를 생성하고 비산화적 단계에서는 핵산 합성에 사용되는 리보스 5-인산 등을 생성한다. 이 경로는 지방산 합성 등에 필요한 NADPH를 생성하고, 뉴클레오타이드 및 핵산 합성에 필요한 리보스 5-인산을 생성하며, 방향족 아미노산 합성에 사용되는 에리트로스 4-인산을 생성하는 생리적 기능을 수행한다. 포도당 6-인산 탈수소효소는 이 경로의 속도 결정 효소이며, NADPH에 의해 억제된다. 이 효소의 결핍은 말라리아에 대한 저항성과 관련이 있다.
| 명칭 | 오탄당 인산 경로 |
|---|---|
| 다른 이름 | 헥소스 일인산 경로 6-인산 글루콘산 경로 |
| 주요 기능 | NADPH 생성 오탄당 생산 |
|---|---|
| 관련 대사 경로 | 해당과정 캘빈 회로 지방산 합성 핵산 합성 |
| 위치 | 세포질 |
|---|---|
| 관여 효소 | 포도당-6-인산 탈수소 효소 6-인산 글루콘산 탈수소 효소 리불로스-5-인산 이성질화 효소 리불로스-5-인산 에피머화 효소 트랜스케톨레이스 트랜스알돌레이스 |
| 주요 기질 | 포도당 6-인산 6-인산 글루콘산 리불로스 5-인산 자일룰로스 5-인산 세도헵툴로스 7-인산 글리세르알데히드 3-인산 과당 6-인산 |
| 주요 생산물 | NADPH 리보스 5-인산 과당 6-인산 글리세르알데히드 3-인산 |
| 조절 | NADPH 농도에 의해 조절됨 |
| 관련 질병 | 포도당-6-인산 탈수소 효소 결핍증 |
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인 -
백린
백린은 네 개의 인 원자가 정사면체 구조로 결합된 불안정한 분자로, 자연 발화성과 독성을 지니며, 인산 전구체 등으로 사용되지만 백린탄의 성분으로 논란이 된다. -
인 -
인산화
인산화는 분자에 인산기를 첨가하는 반응으로, 당의 인산화는 세포 내 대사를 용이하게 하고, 단백질 인산화는 세포 신호 전달 및 조절에 중요한 역할을 한다. -
대사경로 -
스테로이드
스테로이드는 4개의 융합된 고리 구조를 가지는 유기 화합물로, 콜레스테롤, 스테로이드 호르몬, 담즙산 등 생물학적 활성 분자를 포함하며, 메발론산 경로를 통해 생합성되어 다양한 생리적 기능을 수행하고 의학적으로 사용되지만 오남용 시 부작용을 초래할 수 있다. -
대사경로 -
시트르산 회로
시트르산 회로는 아세틸-CoA를 이산화탄소로 산화시켜 NADH와 FADH₂를 생성, ATP 생산 및 생합성에 기여하며, 탄수화물, 지방, 단백질 대사를 연결하는 중심적인 대사 경로이다. -
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라우토카
라우토카는 피지 비치레부섬 서부에 위치한 피지에서 두 번째로 큰 도시이자 서부 지방의 행정 중심지로, 사탕수수 산업이 발달하여 "설탕 도시"로 알려져 있으며, 인도에서 온 계약 노동자들의 거주와 미 해군 기지 건설의 역사를 가지고 있고, 피지 산업 생산의 상당 부분을 담당하는 주요 기관들이 위치해 있다. -
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코코넛
코코넛은 코코넛 야자나무의 열매로 식용 및 유지로 사용되며, 조리되지 않은 과육은 100g당 354kcal의 열량을 내는 다양한 영양 성분으로 구성되어 있고, 코코넛 파우더의 식이섬유는 대부분 불용성 식이섬유인 셀룰로오스이며, 태국 일부 지역에서는 코코넛 수확에 훈련된 원숭이를 이용하는 동물 학대 문제가 있다.
2. 명칭
해당 경로는 당 분해에서 분기된 경로로 간주되어 오탄당 인산 분기 경로라고도 불리며, 당 분해의 일부와 함께 회로를 형성하기 때문에 오탄당 인산 회로라고도 불린다. 광합성에서의 환원적 오탄당 인산 경로에 대응하여 산화적 오탄당 인산 경로라고 불리기도 한다. 또한, 헥소스 일인산 경로(Hexose Monophosphate Pathway: HMP), 포스포글루콘산 경로(Phosphogluconic Acid Pathway), 오탄당 경로(Pentose Pathway) 또는 바르부르크-디킨스 경로(Warburg-Dickens Pathway)라고도 불린다.
3. 단계
오탄당 인산 경로는 크게 산화적 단계와 비산화적 단계로 나눌 수 있다. 산화적 단계에서는 포도당 6-인산이 리불로스 5-인산으로 전환되며, 이 과정에서 2분자의 NADP+가 2분자의 NADPH로 환원된다. 비산화적 단계에서는 리불로스 5-인산이 여러 단계를 거쳐 리보스 5-인산, 자일룰로스 5-인산, 과당 6-인산, 글리세르알데하이드 3-인산 등으로 전환된다.
각 단계별 반응을 표로 정리하면 다음과 같다.
| 단계 | 반응 | 반응물 | 생성물 | 효소 |
|---|
| | 산화 반응 || G6P + NADP+ || 6-포스포글루코노-1,5-락톤 + NADPH + H+ || 글루코스-6-인산 탈수소효소 |
| | 가수 분해 || 6-포스포글루코노-1,5-락톤 + H2O || 6-포스포글루콘산 || 6-포스포글루코노락토나제 |
| | 탈탄산 || 6-포스포글루콘산 + NADP+ || Ru5P + NADPH + CO2 + H+ || 포스포글루콘산 탈수소효소 (탈탄산) |
| | 이성화 || Ru5P || R5P || 리보스-5-인산 이소메라제 |
| | 에피머화 || Ru5P || Xu5P || 리불로스-5-인산 3-에피머라제 |
| | rowspan=3 style="text-align:center" | C-C 결합 생성, 절단 || R5P + Xu5P || GAP + S7P || 트란스케톨라아제 |
| | S7P + GAP || F6P + E4P || 트란스알돌라아제 |
| | Xu5P + E4P || GAP + F6P || 트란스케톨라아제 |
3.1. 산화적 단계
산화적 단계에서, 포도당 6-인산이 리불로스 5-인산으로 전환되는 과정에서 방출되는 에너지를 이용하여 두 분자의 NADP+가 두 분자의 NADPH로 환원된다.
전체적인 반응들은 다음과 같이 요약할 수 있다.
| 반응물 | 생성물 | 효소 | 설명 |
|---|---|---|---|
| 포도당 6-인산 + NADP+ | → 6-포스포글루코노-δ-락톤 + NADPH | 포도당 6-인산 탈수소효소 | 탈수소화. 포도당 6-인산의 1번 탄소(C-1)의 하이드록실기는 카보닐기로 변하여 락톤을 생성하며, 이 과정에서 NADPH가 생성된다. |
| 6-포스포글루코노-δ-락톤 + H2O | → 6-포스포글루콘산 + H+ | 6-포스포글루코노락토네이스 | 가수분해 |
| 6-포스포글루콘산 + NADP+ | → 리불로스 5-인산 + NADPH + CO2 | 6-포스포글루콘산 탈수소효소 | 산화적 탈카복실화. NADP+는 전자수용체이며, NADPH, CO2, 리불로스 5-인산이 생성된다. |
이러한 과정들의 전체적인 반응식은 다음과 같다.
:포도당 6-인산 + 2 NADP+ + H2O → 리불로스 5-인산 + 2 NADPH + 2 H+ + CO2
3.2. 비산화적 단계
| 반응물 | 생성물 | 효소 |
|---|---|---|
| 리불로스 5-인산 | → 리보스 5-인산 | 리보스 5-인산 이성질화효소 |
| 리불로스 5-인산 | → 자일룰로스 5-인산 | 리불로스 5-인산 3-에피머화효소 |
| 자일룰로스 5-인산 + 리보스 5-인산 | → 글리세르알데하이드 3-인산 + 세도헵툴로스 7-인산 | 트랜스케톨레이스 |
| 세도헵툴로스 7-인산 + 글리세르알데하이드 3-인산 | → 에리트로스 4-인산 + 과당 6-인산 | 트랜스알돌레이스 |
| 자일룰로스 5-인산 + 에리트로스 4-인산 | → 글리세르알데하이드 3-인산 + 과당 6-인산 | 트랜스케톨레이스 |
순반응: 3 리불로스 5-인산 → 1 리보스 5-인산 + 2 자일룰로스 5-인산 → 2 과당 6-인산 + 글리세르알데하이드 3-인산
4. 조절
포도당 6-인산 탈수소효소는 오탄당 인산 경로의 속도 결정 효소이다. 포도당 6-인산 탈수소효소는 NADP+에 의해 다른자리입체성 조절로 활성화되고, NADPH에 의해 강하게 억제된다. 간세포의 세포질에서 NADPH : NADP+의 비율은 일반적으로 약 100 : 1이다. 이것은 세포질을 매우 환원적인 환경으로 만든다. NADPH를 사용하는 대사 경로는 NADP+를 생성하며, NADP+는 포도당 6-인산 탈수소효소를 자극하여 더 많은 NADPH를 생성하도록 한다. 이 단계는 아세틸-CoA에 의해서도 억제된다.
또한 포도당 6-인산 탈수소효소의 활성은 세포질의 탈아세틸화효소인 시르투인 2에 의해 번역 후 조절된다. 시르투인 2-매개 탈아세틸화와 포도당 6-인산 탈수소효소의 활성화는 세포질의 NADPH를 공급하는 오탄당 인산 경로의 산화적 단계를 자극하여 산화적 손상을 방지하거나 지질 합성을 지원한다.
5. 생리적 기능 및 의의
오탄당 인산 경로의 주요 기능은 다음과 같다.
* 세포 내에서 환원성 생합성 반응(예: 지방산 합성)에 사용되는 NADPH 형태의 환원 당량을 생성한다.
* 뉴클레오타이드 및 핵산의 합성에 사용되는 리보스 5-인산(R5P)을 생성한다.
* 방향족 아미노산의 합성에 사용되는 에리트로스 4-인산(E4P)을 생성한다.
방향족 아미노산은 목재의 리그닌을 포함한 많은 생합성 경로들의 전구물질이다.
핵산의 소화 과정에서 유래한 식이성 오탄당은 오탄당 인산 경로를 통해 대사될 수 있으며, 식이성 탄수화물의 탄소 골격은 해당과정/포도당신생합성의 중간생성물로 전환될 수 있다.
포유류에서 오탄당 인산 경로는 세포질에서만 일어나며, 사람의 간, 젖샘, 부신겉질에서 가장 활성이 높은 것으로 밝혀졌다. 오탄당 인산 경로는 인체에서 NADPH 생산의 약 60%를 차지하며, 신체가 환원력을 가지는 분자를 만드는 세 가지 주요 방법 중 하나이다.
세포에서 NADPH를 사용하는 방법 중 하나는 산화적 스트레스를 방지하는 것이다. NADPH는 글루타티온 환원효소를 통해 글루타티온을 환원시키는데, 환원된 글루타티온과 글루타티온 퍼옥시데이스는 반응성 과산화 수소(H2O2)를 물(H2O)로 전환시킨다. 만약 NADPH가 결핍되면, H2O2는 펜톤 화학에 의해 하이드록실 자유 라디칼로 전환될 것이고, 이것은 세포를 공격할 수 있다. 예를 들어, 적혈구는 글루타티온의 환원에 사용하기 위해 오탄당 인산 경로를 통해 대량의 NADPH를 생성한다.
과산화 수소는 종종 호흡 폭발로 불리는 과정에서 식세포에 대해 생성된다.
6. 질병과의 관련성
포도당 6-인산 탈수소효소 활성 수준(기능이 아님)의 여러 결핍이 지중해 및 아프리카계 사람들 사이에서 말라리아 원충인 열대열 말라리아 원충에 대한 저항성과 관련이 있는 것으로 관찰되었다. 이러한 저항성은 적혈구(말라리아 원충의 숙주 세포) 세포막을 약화시켜 말라리아 원충이 충분히 성장하기 위한 기생 생활 주기를 길게 유지할 수 없도록 하기 때문일 수 있다.