[생화학] 13.2 : 해당과정(glycolysis) - 3

 

 

지난 포스트에 이어 4단계부터 이어서 살펴보자.

 

 

step 4 - aldol cleavage of F-1,6-bP

 

 

 

 

위 그림에 나타난 바와 같이 F-1,6-bP가 aldolase라는 효소에 의해 dihydroxyacetone phosphate(DHAP)와 glyceraldehyde 3-phosphate(G3P 혹은 GAP)으로 cleavage되는 반응이 일어남. 이 반응의 ΔG 'o는 꽤나 큰 양수인데, 이 반응은 주변 condition에 따라서 양방항으로 모두 일어날 수 있음. 다만 glycolysis가 정방향으로 쭉 일어나고 있는 상황이라면 product가 생성되는 족족 없어지므로 ΔG가 작아져서 정반응이 잘 일어날 수 있게 됨. 참고로 앞서서도 언급한 것처럼 이 반응의 역반응이 aldol condensation임.

 

 

 

 

위 그림에는 이 반응의 상세한 mechanism이 나타나 있음. 하나하나 살펴보자.

 

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1.우선 F-1,6-bP가 linear한 form으로 바뀐 뒤 aldolase의 active site 부근에 위치하게 됨.

 

 

2. F-1,6-bP의 2번 탄소가 aldolase 내부 Lys의 N에 의해 공격받게 되고, 그러면서 carbonyl group이 alcohol로 바뀌는 한편 lys의 N과 화합물간에 공유결합이 일어나게 됨.

 

 

3. 이후 aldolase 내 active site에 있는 또 다른 base가 다시금 N에 붙어있는 H를 공격하게 되고, 물이 빠져나가면서 protonated schiff base가 형성되게 됨.

 

 

4. 이 상태에서 또 다른 aldolase 내 base에 의해 4번탄소의 O에 붙은 H가 공격받게 되고, 이 과정에서 C-C cleavage가 일어나서 glyceraldehyde 3-phosphate가 떨어져나가게 됨.

 

 

5. 한편 아직 나머지 3C의 compound는 enzyme에 결합해있는 상태인데, 이 상태 그대로 내부 base에 의해 isomerization이 일어나게 되고, 그 다음에 물이 들어가면서 schiff base가 hydrolyze됨. (schiff base formation의 역반응) 그 결과 dihydroxyacetone phosphate가 마저 방출됨.

 

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참고로,

 

 

 

위 그림 아래와 같은 N-substituted imine구조를 통틀어 schiff base라 하므로 기억해둘 것.

 

 

참고로 방금전 살펴봤던 mechanism에서 5번에 해당하는, 물이 들어가고 그 결과 DHAP가 빠져나오는 반응의 조금 더 구체적인 mechanism이 위와 같음. 보면 물의 O가 N과 연결된 C를 공격하게 되고, 그 결과 C에 OH2가 연결된 형태의 intermediate가 만들어짐. 이후 물의 O에 붙은 H 하나가 빠져나간 뒤, lys의 N에게 공격받게 됨. 이어서 enzyme 내부의 base에 의해 물로부터 유래된 H가 공격받는데 이어서 Lys의 N과 compound의 C 사이 결합이 끊어지게 됨. 이런 과정을 거쳐 DHAP가 빠져나가는 것임.

 

 

 

step 5 - triose phosphate interconversion

 

 

 

 

그 다음 반응은 위 그림에 나타나 있는 것처럼 triose phosphate isomerase에 의해서 DHAP가 G3P로 isomerization되는 것으로, 이 반응의 ΔG 'o는 약간 positive하므로 양방향의 반응이 다 일어날 수 있음. 물론 실제로는 G3P의 concentration이 낮게 유지되고 있으므로 위 반응 상에서 정방향으로의 반응이 압도적으로 많이 일어남. 참고로 이 때 정반응에 해당하는 반응을 자세히 살펴보면 알 수 있는 것처럼 keto form의 triose가 aldose form의 triose로 변환되는 반응임을 알 수 있음.

 

 

 

 

위 그림에는 각각의 C에 대한 origin이 표현되어 있음. 이 때 1,2,3번 탄소는 DHAP로, 4,5,6번 탄소는 G3P로 가게 됨. 한편 DHAP와 G3P를 비교해봤을 때, DHAP의 3,2,1번 탄소가 G3P의 4,5,6번 탄소 position으로 가게 됨.

 

 

 

step 6 - oxidation of GAP

 

 

 

 

그 다음으로 일어나는 반응은 위 그림에도 나타나 있는 것처럼 G3P가 oxidation되면서 NAD+로부터 NADH가 생성되고, 동시에 inorganic phosphate가 달라붙어서 1,3-BPG가 형성되는 반응으로, 이 반응은 glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase가 촉매함. 이 반응은 첫 번째 oxidation 반응으로, 이 반응이 oxidation인 것은 효소의 이름이 dehydrogenase인 것만 보아도 어느 정도 예상 가능함. 한편 이 반응의 ΔG 'o은 약간 positive한데, 그러다 보니 이 반응 또한 양방향으로의 진행이 다 가능함.

 

 

한편 이 반응에서 작용하는 효소인 glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase의 경우 active site에 존재하는 Cys가 상당히 중요한 역할을 수행함. (구체적으로는, 이 Cys 부근에 high-energy의 thioester intermediate가 생성됨)

 

 

 

 

이 반응의 구체적인 mechanism은 위와 같음. 하나하나 살펴보자.

 

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1. 우선 G3P가 효소로 들어옴. 한편, 흥미롭게도 이 효소에 조효소 형태로 transient하게 NAD+가 같이 corporate되어서 존재하고 있는데, 이 NAD+에 의해서 enzyme 내 Cys의 pKa가 5.5 가량으로 상당히 낮아지게 되어서 S가 charge를 띄고 있는 상태가 됨.

 

 

2. charge를 띄는 S가 G3P의 aldehyde C를 공격하게 되며 enzyme과 substrate간의 공유결합이 형성됨.

 

 

3. 이후 enzyme-substrate intermediate가 NAD+에 의해서 oxidize됨.

 

 

4. 그 결과 NADH가 생성되고, 이렇게 생성된 NADH는 active site를 떠나는 한편 새로운 NAD+가 와서 다시 transient하게 active site 부근에 결합하게 됨.

 

 

5. 이후 inorganic phosphate에 의해 covalent thioester linkage가 공격을 받게 되고 phosphorolysis가 일어남. 그 결과 1,3-bisphosphoglycerate가 방출됨.

 

 

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7번째 반응부터는 다음 포스트에서 이어서 알아보도록 하자.