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포도당 수송체

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목차

1. 개요

포도당 수송체는 포도당을 세포 내외로 수송하는 단백질로, 능동 수송 방식의 나트륨-포도당 공동수송체(SGLT)와 수동 수송 방식의 포도당 수송체(GLUT)로 구분된다. SGLT는 소장과 신장에서 포도당을 능동적으로 수송하며, 신장 SGLT2 억제제는 당뇨병 치료에 사용된다. GLUT는 14가지 종류가 있으며, GLUT1, GLUT2, GLUT3, GLUT4 등이 잘 알려져 있다. 효모에서는 Hxt 계열의 수송체가 포도당을 수송하며, 간세포 등에서는 포도당 6-인산가수분해효소에 의해 유리 포도당이 생성된다.

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2. 포도당 수송체의 종류와 기능

포도당 수송체는 크게 두 가지 주요 그룹으로 나뉜다. 하나는 나트륨-포도당 공동수송체(SGLT)이고, 다른 하나는 포도당 수송체(GLUT)이다. SGLT는 능동 수송을 통해 포도당을 세포 안으로 이동시키는 반면, GLUT는 촉진 확산 방식으로 포도당을 세포막을 통해 이동시킨다.[19]


  • 나트륨-포도당 공동수송체 (SGLT): 나트륨 펌프가 만든 Na+의 전기 화학적 기울기를 에너지원으로 사용하여 포도당을 세포 내로 농축시킨다. 주로 소장 정단막이나 신장 상피 세포에서 발견된다. 특히, 신장 근위 세뇨관에 있는 SGLT2를 억제하면 포도당의 재흡수를 막아 당뇨병 치료제로 쓰인다.
  • 포도당 수송체 (GLUT): 포도당 농도 기울기에 따라 작동하며, 에너지를 소모하지 않고 포도당을 세포 안팎으로 이동시킨다. 현재까지 14종류의 GLUT가 확인되었으며,[27] 각 종류는 조직 발현 패턴, 기질 특이성, 수송 속도 등에서 차이를 보인다.[26] 이러한 다양성 덕분에 각 조직은 필요한 만큼 포도당 대사를 조절할 수 있다. 아미노산 서열의 유사성에 따라 GLUT는 두 개의 서브 클래스로 나뉜다.

2. 1. 능동 수송: 나트륨-포도당 공동수송체 (SGLT, SLC5A)

로버트 K. 크레인은 1960년에 장에서 포도당이 흡수될 때 나트륨-포도당 공동수송체가 관여한다는 사실을 처음으로 발견했다.[52] 이는 생물학에서 흐름 간의 커플링(coupling) 개념을 최초로 제시한 것이었다.[53] 1961년에 크레인은 능동수송을 설명하기 위해 공동수송 개념을 공식화하면서, 솔가장자리 막을 통한 장 상피세포 내 포도당 축적이 같은 막을 통한 Na+의 수송과 연관되어 있다고 제안했다. 이 가설은 이후 다양한 세포 유형에서 여러 분자 및 이온의 능동수송을 설명하는 데 널리 활용되었다.[54]

소장 정단막이나 신장 상피 세포를 통과하는 포도당 수송은 나트륨-포도당 공동 수송체 단백질(SGLT)에 의해 일어난다. SGLT는 2차 능동 수송 단백질의 일종으로, 나트륨 펌프에 의해 형성된 Na+의 전기 화학적 기울기를 에너지원으로 이용하여 포도당을 세포 안으로 축적시킨다.

신장 근위 세뇨관에 존재하는 SGLT2를 억제하면 소변으로 배출되는 포도당의 재흡수를 막고 배설을 촉진할 수 있으므로, 당뇨병 치료제로 사용된다.

2. 2. 수동 수송: 포도당 수송체 (GLUT, SLC2A)

포도당 수송체(GLUT, SLC2A)는 세포막을 가로질러 포도당을 수동으로 운반하는 단백질 그룹이다. 이들은 포도당 농도 기울기에 따라 작동하며, 촉진 확산 방식으로 포도당을 세포 안팎으로 이동시킨다.[19]

GLUT는 12개의 막관통 나선 구조를 가지며, 아미노 말단과 카복실 말단이 모두 세포질 쪽에 위치한다. 이들은 교대 입체구조 모델에 따라 포도당을 수송하는데,[20][21][22] 이 모델은 수송체가 세포 외부 또는 내부에 단일 기질 결합 부위를 노출한다고 가정한다. 포도당이 결합 부위에 결합하면, 수송과 관련된 입체 구조 변화가 일어나 포도당이 막 반대편으로 방출된다. 내부 및 외부 포도당 결합 부위는 막 횡단 분절 9, 10, 11에 위치하는 것으로 추정되며,[23] 7번째 막횡단 분절의 DLS 모티프는 수송되는 기질의 선택과 친화력에 영향을 줄 수 있다.[24][25]

현재까지 14가지 종류의 GLUT/SLC2A가 확인되었으며,[27] 각각 다른 조직에서 발현되고, 서로 다른 기질 특이성과 수송 속도를 보인다.[26] 이러한 다양성은 각 조직의 특정한 포도당 대사 요구를 충족시키는 데 중요한 역할을 한다. 아미노산 서열의 유사성에 따라 GLUT 패밀리는 두 개의 하위 클래스로 분류된다.

맥주효모균(Saccharomyces cerevisiae)에서는 촉진 확산을 통해 포도당 수송이 일어난다.[40] 주로 Hxt 계열의 수송 단백질이 관여하지만, Snf3, Rgt2 등 다양한 수송체들이 확인되었다.[38]

이름특성참조
Snf3저혈당 센서, 포도당에 의해 억제됨, 낮은 수준의 발현, Hxt6의 억제자
Rgt2고혈당 센서, 낮은 수준의 발현
Hxt1저친화도 포도당 수송체, 포도당 수치가 높을 때 유도됨, Km: 100 mM,[39] 129 - 107 mM[40]
Hxt2고/중간 친화도 포도당 수송체, 포도당 수치가 낮을 때 유도됨,[39] Km = 1.5[40] - 10 mM[39]
Hxt3저친화도 포도당 수송체,[39] Vm = 18.5, Kd = 0.078, Km = 28.6/34.2[40] - 60 mM[39]
Hxt4중간 친화도 포도당 수송체,[39] Vm = 12.0, Kd = 0.049, Km = 6.2[40]
Hxt5적당한 포도당 친화도, 정지기, 포자 형성 및 낮은 포도당 조건에서 풍부함, 포도당에 의해 전사가 억제됨,[41] Km = 10 mM[41]
Hxt6높은 포도당 친화도,[39] Vm = 11.4, Kd = 0.029, Km = 0.9/14,[40] 1.5 mM[39]
Hxt7높은 포도당 친화도,[39] Vm = 11.7, Kd = 0.039, Km = 1.3, 1.9,[40] 1.5 mM[39]
Hxt8낮은 수준의 발현[39]
Hxt9다발성 약물 내성에 관여[39]
Hxt11다발성 약물 내성에 관여[39]
Gal2높은 갈락토스 친화도,[39] Vm = 17.5, Kd = 0.043, Km = 1.5, 1.6[40]


2. 2. 1. 클래스 I

클래스 I은 잘 특성화된 포도당 수송체인 GLUT1, GLUT2, GLUT3, GLUT4로 구성된다.[50] GLUT14도 이 클래스에 속한다.

이름분포비고
GLUT1태아 조직에 널리 분포. 성인의 경우 적혈구와 혈액뇌장벽과 같은 장벽조직의 내피세포에서 가장 높게 발현.모든 세포에서 세포 호흡을 유지하는 데 필요한 낮은 수준의 기본적인 포도당 흡수를 담당. 세포막의 GLUT1 수준은 포도당 수준이 감소하면 증가하고, 포도당 수준이 증가하면 감소. 많은 종양에서 상향 조절됨.
GLUT2콩팥의 세뇨관 세포, 간세포, 이자의 β 세포, 소장 상피의 기저측막에서 발현.해당과정과 글리코젠 합성을 위해 포도당을 흡수하고 포도당신생합성 동안 포도당을 방출하기 위해서는 간세포에서 양방향성(포도당이 두 방향으로 흐를 수 있도록 하는)이 필요. 이자의 β 세포에서는 세포의 세포 내 환경이 혈액의 포도당 수준을 정확하게 측정할 수 있도록 자유롭게 흐르는 포도당이 필요. 세 가지 단당류(포도당, 과당, 갈락토스)는 모두 GLUT2에 의해 장 점막 세포로부터 문맥계로 운반. 고빈도 및 저친화도의 동질형.[49]
GLUT3주로 뉴런(주요 포도당 수송체의 동질형이 존재하는 것으로 여겨지는 곳)과 태반에서 발현.고친화도 동질형으로 포도당의 농도가 낮을 때에도 운반할 수 있음.
GLUT4지방 조직과 가로무늬근(골격근 및 심장근)에서 발현.인슐린에 의해 조절되는 포도당 수송체. 인슐린에 의해 조절되는 포도당의 저장을 담당. 지방 세포에서 분비되는 아디포넥틴은 골격근에서 수용체에 결합하여 AMP 키나아제를 활성화시켜, 인슐린 감수성 GLUT4를 막 표면으로 이동시켜 포도당을 세포 내로 섭취하는 작용이 있음.[30]
GLUT14고환에서 발현.GLUT3와 유사.[49]


2. 2. 2. 클래스 II

클래스 II의 구성원은 다음과 같다.

  • GLUT5는 장세포에서 과당을 수송한다.
  • GLUT7은 소장과 대장에서 발견되며, 소포체에서 포도당을 운반한다.[51]
  • GLUT9는 최근 요산 수송 기능이 밝혀졌다.
  • GLUT11


클래스 II 및 클래스 III의 대부분 구성원은 다양한 게놈 프로젝트에서 제공되는 발현 서열 태그(EST) 데이터베이스 및 서열 정보의 상동성 검색으로 최근에 확인되었다. 이러한 새로운 포도당 수송체 동질형의 기능은 현재까지 명확하게 정의되지 않았다.

2. 2. 3. 클래스 III


  • GLUT6
  • GLUT8
  • GLUT10
  • GLUT12
  • GLUT13 – 주로 뇌에서 발현되는 H+/미오-이노시톨 수송체(HMIT)[49]


클래스 II 및 클래스 III의 대부분의 구성원들은 다양한 게놈 프로젝트에서 제공되는 발현 서열 태그(EST) 데이터베이스 및 서열 정보의 상동성 검색으로 최근에 확인되었다.

이러한 새로운 포도당 수송체 동질형의 기능은 현재까지 명확하게 정의되지 않았다. 이들 중 몇몇(GLUT6, GLUT8)은 세포 내에서 유지되어 포도당 수송을 방지하는 데 도움이 되는 모티프를 가진다. 이러한 수송체의 세포 표면으로의 자리옮김을 촉진하는 메커니즘이 존재하는지는 아직 알려져 있지 않지만, 인슐린이 GLUT6 및 GLUT8의 세포 표면으로의 자리옮김을 촉진하지 않는다는 것은 분명히 확립되었다.

3. 효모에서의 포도당 수송

맥주효모균(''Saccharomyces cerevisiae'')에서 포도당 수송은 촉진 확산을 통해 일어난다.[40][3] 수송 단백질은 주로 Hxt 계열에서 유래하지만, Snf3, Rgt2, Gal2 등 많은 다른 수송체들도 확인되었다.[38][1]

맥주효모균(''Saccharomyces cerevisiae'')의 포도당 수송체
이름특성비고
Snf3저포도당 센서, 포도당에 의해 억제됨, 낮은 수준의 발현, Hxt6의 억제자
Rgt2고포도당 센서, 낮은 수준의 발현
Hxt1Km: 100mM,[39][2] 107mM~129mM[40][3]저친화도 포도당 수송체, 포도당 수치가 높을 때 유도됨
Hxt2Km = 1.5mM[40][3] - 10mM[39][2]고/중간 친화도 포도당 수송체, 포도당 수치가 낮을 때 유도됨[39][2]
Hxt3Vm = 18.5, Kd = 0.078, Km = 28.6mM/34.2mM[40][3] - 60mM[39][2]저친화도 포도당 수송체[39][2]
Hxt4Vm = 12.0, Kd = 0.049, Km = 6.2mM[40][3]중간 친화도 포도당 수송체[39][2]
Hxt5Km = 10mM[41][4]적당한 포도당 친화도, 정지기, 포자 형성 및 낮은 포도당 조건에서 풍부함, 포도당에 의해 전사가 억제됨[41][4]
Hxt6Vm = 11.4, Kd = 0.029, Km = 0.9mM/14mM,[40][3] 1.5mM[39][2]높은 포도당 친화도[39][2]
Hxt7Vm = 11.7, Kd = 0.039, Km = 1.3mM, 1.9mM,[40][3] 1.5mM[39][2]높은 포도당 친화도[39][2]
Hxt8낮은 수준의 발현[39][2]
Hxt9다발성 약물 내성에 관여[39][2]
Hxt11다발성 약물 내성에 관여[39][2]
Gal2Vm = 17.5, Kd = 0.043, Km = 1.5mM, 1.6mM[40][3]높은 갈락토스 친화도[39][2]


4. 유리 포도당의 합성

대부분의 비자가영양생물 세포는 포도당 6-인산가수분해효소 발현이 부족하여 유리 포도당을 생산할 수 없고, 포도당 섭취와 이화작용에만 관여한다. 포도당은 일반적으로 간세포에서만 생성되며, 단식 상태에서는 장, 근육, 뇌 및 콩팥과 같은 다른 조직에서 포도당신생합성이 활성화된 후에 포도당을 생성할 수 있다.[1] 포도당 6-인산가수분해효소를 가진 간세포와 심한 기아 상태의 소장과 콩팥만이 포도당신생합성 반응에 따라 생성된 포도당 6-인산의 인산기를 제거하여 유리 포도당을 생성하고, 혈관으로 유리 포도당을 방출할 수 있다.[1]

포도당이 세포에 흡수되면 즉시 인산화가 일어나 포도당 6-인산이 생성되는데, 이는 포도당이 세포막을 넘어 확산되는 것을 방지하기 위함이다. 인산화에 의해 전하가 도입되므로 포도당 6-인산은 쉽게 세포막을 통과할 수 없다.[1]

참조

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