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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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포도당 수송체
일반 정보
유전자 기호Sugar_tr
이름포도당 수송체
PfamPF00083
Pfam 클랜CL0015
InterProIPR005828
스마트해당 없음
PROSITEPDOC00190
MEROPS해당 없음
SCOP해당 없음
TCDB2.A.1.1
OPM 패밀리15
OPM 단백질4gc0
CAZy해당 없음
CDDcd17315
영어 이름glucose transporter

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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[3] 논문 Characterisation of glucose transport in Saccharomyces cerevisiae with plasma membrane vesicles (countertransport) and intact cells (initial uptake) with single Hxt1, Hxt2, Hxt3, Hxt4, Hxt6, Hxt7 or Gal2 transporters 2002-12
[4] 논문 Functional analysis of the hexose transporter homologue HXT5 in Saccharomyces cerevisiae 2001-12
[5] 논문 C-terminal truncated glucose transporter is locked into an inward-facing form without transport activity 1990-06
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