[생화학] 14.1 : 대사 조절 개론

 

 

 

이번 포스트부터는 앞서 배운 당 대사들이 어떤 식으로 우리 몸에서 조절되는지에 대해 알아보도록 하자.

 

 

metabolic pathway들은 각각의 의의와 역할이 있는데, 어떤 반응은 energy를 extract하는 목적을, 다른 반응은 fuel을 저장하는 목적을, 그 밖에 building block을 합성하는 목적을, 그 밖에 waste material을 제거하는 목적을 바탕으로 작동하는 반응들도 있음.

 

 

 

 

metabolic pathway는 위 그림에도 나타나 있는 것처럼 서로서로 밀접하게 연관되어 있음. (즉, 각각의 pathway가 나머지와 independent하게 존재하는 것이 아니라 매우 밀접하게 연관되어 있음)

 

 

metabolic pathway의 regulation에 있어서는 feedback inhibition이 매우 중요한 기작으로 작동함. 이 때 feedback loop는 곧바로 생성되는 product에 의해 형성될수도, 그보다 더 하위 산물에 의해 형성될수도 있음.

 

 

한편 일반적으로 allosteric regulator, competing substrate, pH, ionic environment, 온도 등에 의해 효소 활성이 조절될 수 있음. 그 밖에 enzyme 자체의 concentration을 조절해서 효소 활성을 조절할 수도 있음. 각각의 예시에 대해 조금 더 살펴볼 것임.

 

 

 

 

 

위 그림에는 enzyme의 activity가 조절될 수 있는 다양한 scale, 혹은 step들이 나타나 있음. 간단히 살펴보면, exracellular signal을 인식하는 receptor level에서, transcription factor가 관여하는 transcription level에서, translation level에서, 합성된 enzyme의 protein degradation level에서, enzyme이 subcellular organelle에 sequester되어있는지의 여부에 따라서, substrate와의 binding level에서, allosteric effector의 binding level에서, enzyme에 일어나는 phosphorylation level에서(이는 주로 hormone에 의해 일어나는 regulation), enzyme과 결합하는 다른 regulatory protein의 level에서 enzyme의 활성이 조절될 수 있음.

 

 

 

 

 

한편 위 그림에는 substrate의 농도에 따라서 달라지는 enzyme의 activity가 나타나 있음. 이 때 1/2Vmax의 velocity일 때의 substrate 농도를 Km이라 함. 이 값을 기준으로 이 값보다 더 적은 양의 substrate가 있을 경우에는, substrate의 농도가 증가함에 따라서 velocity도 선형적으로 증가함을 알 수 있음. 한편 substrate의 농도가 Km보다 큰 범위 하에서는 substrate 농도가 많이 증가해도 이에 비해 velocity 증가량이 느리다는 것을 알 수 있음.

 

 

 

 

위 graph는 metabolite 농도에 따른 대사와 관련된 각종 enzyme들의 Km 값을 나타내주고 있음. 이 때 실선으로 나타난 대각선에서는 substrate의 농도가 Km이 되고, 이 선보다 더 아래쪽 region에서는 앞서 살펴본 것처럼 substrate 증가에 따라 enzyme activity도 같이 증가하는 반면 이 선보다 더 위쪽 region에서는 substrate가 증가해도 enzyme activity가 잘 증가하지 않음.

 

 

 

실제로 위 data를 보면 대부분의 효소들이 실선 주변에 모여있음을 알 수 있음. 그 밖에, graph에서도 볼 수 있는 것처럼 NADPH, ATP, NAD+가 관여하는 반응의 경우에는 실선보다 위에 존재하는 것을 알 수 있음. 따라서 이들이 관여하는 반응들은 대부분 substrate 농도가 증가해도 반응속도가 크게 더 빨라지지 않음.

 

 

 

 

한편, 앞서 말했던 것처럼 enzyme에 phosphorylation이 일어나 regulation이 일어날 수도 있음. 이 때 단백질에 일어나는 phosphorylation은 Ser, Thr, Tyr에만 일어날 수 있음. 이 중 특히 Ser/Thr phosphorylation을 시킬 수 있는 enzyme과 Tyr phosphorylation을 시킬 수 있는 enzyme group이 따로 존재하고 있음. 그 밖에, phosphorylation을 시켜주는 효소를 protein kinase라 하고, hydrolysis를 통해 dephosphorylation을 시켜주는 효소를 phosphatase라 부름.

 

 

 

 

 

그 밖에 어떤 효소들의 경우, scaffold protein과 catalytic subunit이 모이는 데 이어서 regulatory subunit까지 조립되게 될 시 특정 substrate가 인식될 수 있게 됨. (이 때 regulatory subunit이 달라지게 되면 인식 가능한 substrate의 종류도 달라지게 됨) 즉, regulatory subunit이 일종의 adaptor로 기능하는 것임.

 

 

 

 

 

한편, 단백질에 따라서 half-life가 다 다르며, 위 table에 나타나 있는 것처럼 조직에 따라서도 평균적인 half-life가 다 다름.

 

 

 

 

 

이제 위와 같은 가상의 반응을 생각해보자. 보면 3개의 반응 모두 net rate는 10이지만, 1에 비해 2, 3의 차이가 덜 가파름. 즉, 1의 반응이 가장 가파름. 이처럼 1과 같이 정반응이 가장 가파르게 일어나는 반응이 아주 좋은 regulation의 target임.

 

 

마찬가지로 glycolysis에서도, 10개의 반응이 다 조절되는 것이 아니라 10개 반응 중 가파른 3개의 핵심 reaction이 intensive하게 regulation되고 있음.

 

 

 

 

위 그림에는 각 효소의 liver, heart 각각에서의 Q 값과 Keq 값이 나타나 있음. 이 중 hexokinase, PFK-1, pyruvate kinase를 보면 흥미롭게도 Keq에 비해서 Q 값이 상당히 크다는 것을 알 수 있음. 그렇기에 이 반응의 ΔG도 더 -가 되는 것임. 한편, phosphoglycerate mutase 등의 효소가 관여하는 반응을 보면, 이 경우 Keq와 Q가 비슷하다는 것을 알 수 있고, 그러다 보니 ΔG의 절댓값도 매우 작다는 것을 알 수 있음.

 

 

 

다음 포스트에서는 조금 더 구체적인 조절 예시들에 대해 자세히 살펴보자.