단백질 대사
단백질 교체(Protein turnover)
식물(특히 콩류)은 씨앗에 단백질을 저장한다. 그러나 동물은 여분의 단백질을 산화시킨다.
따라서 동물은 섭취한 질소와 배출된 질소의 질소 균형을 유지한다. 단백질 또는 에너지 결핍 상태에서는 신체 단백질을 분해한다. 기아 상태 및 cachexia (악액질, 惡液質)상태에서는 섭취보다 배출이 많은 negative N balance 상태가 된다.
한참 성장 중이거나 회복중인 동물은 섭취가 배설보다 많은 positive N balance 상태다.
건강한 사람의 경우 질소 균형을 유지하기 위한 단백질 섭취량은 하루에 50 그람 정도이다.
그러나 선진국 사람들은 배출량 보다 2배 정도의 단백질 섭취량을 보이고 있다.
하루의 평균 단백질 교체량은 250 그람 정도이다.
사람 단백질은 각기 수명이 다르다. 신체의 총 단백질량은 11 kg이며 이중 25%는 대사적으로 활성을 띤 콜라젠이다. 전형적인 근육 단백질은3주 동안 생존하지만 다수의 간 효소는2-3일에 불과하다. 일부 조절 효소의 반감기는 수분~수 시간인 경우도 있다.
아미노산의 대부분은 단백질 분해 시점에서 방출되지만 이들은 곧 새로운 단백질로 재 편입된다. 식이로 섭취한 아미노산의 1/3 미만 정도가 단백질 합성에 이용된다. 이는 성장이 급속한 소아의 경우에도 해당된다. 대부분의 섭취 단백질은 산화되어 에너지를 제공하고 여분의 질소는 배출되는데 배출 형태는 소량이 암모니아를 제외하고는 대개 요소이다.
가장 간단한 구조를 가진 아미노산이 glycine이다. valine, leucine, isoleucine은 곁 사슬을 가지고 있고 phenylalanine, tyrosin, tryptophan은 aromatic side chains을 가진다.
Glutamate는 생리적 pH에서 항상 음전하를 띤 acidic side를 보유하며 암모니아를 추가하면 glutamine이 된다.
단백질은 한 종류 아미노산의 carboxyl group과 다른 아미노산의 아미노기가 펩타이드 결합으로 연결된 폴리펩타이드 구조이다. 가장 자연스럽게 생기는 폴리펩타이드는 50 ~ 2000 아미노산이 연결되어 있다. Polypeptide chains은 3차원 구조로 접혀 있어 효소 및 신호 분자 기능을 한다.
Shikimate pathway를 거쳐 chorismate를 생성한다. Chorismate는 방향족 아미노산 합성전구체다. aromatic amino acids는 phenylalanine, tyrosin, tryptophan이 있다.
glutamate와 암모니아(NH4+)로 glutamine을 형성하는 과정이다.
Glutamate의 핵심 역할
포유류 세포에는 glutamate, aspartate, alanine및 glutamine이 나머지 16 종의 아미노산 보다 고 농도로 집적되어 있다. 4종류는 모두 단백질 합성 기능 이외에 여러 가지 대사 기능을 보인다. 이 가운데 glutamate가 가장 중요한 위치를 차지한다
Glutamate와 aspartate는 중추 신경계에서 흥분성 신경 전달물질로 기능하고 음식에 맛을 부여한다. 가공 식품 라벨상에 mono sodium glutamate(MSG)로 표기되어 있는 물질이다.
glutamate는 아미노산 분해 작용에서 특별한 위치를 차지한다. 식이 단백질 중 대부분의 질소는 glutamate pool을 통해 신체에서 최종 배출된다
Glutamate는 화학적으로 2-oxoglutarate (=a-ketoglutarate)와 관련되며 구연산 회로의 핵심적인 중간 대사물질이다. Glutamate는 transaminases나 glutamate dehydrogenase에 의해 2-oxoglutarate로 가역적으로 변환된다. Glutamate 또한 gluatamine으로 가역적 전환이 된다. Glutamine은 중요한 질소 공여자(nitrogen donor)이며 가장 흔한 혈중 유리 아미노산이다.
아미노기 전이 반응(Transamination reactions)
대부분의 아미노산은 아미노기 전이 반응에 의해 해당 케토 산으로 전환된다. 이 반응은 한 종류 아미노산의 아미노기를 다른 케토 산으로 전이시켜 새로운 아미노산과 케토산을 형성하며 전체적인 질소의 득실이 없다. 한쪽에서 빼앗아 다른 쪽에다 공여하는 "Robbing Peter to pay Paul"과 같다.
Transamination reactions은 가역 반응으로 평형 상수(equilibrium constant)는 1에 가깝다. 2가지 기질 쌍 중 하나는 흔히 glutamate와 해당 케토산인 알파- oxoglutarate이다. 모든 transaminases는 필수적인 cofactor로 pyridoxal phosphate 또는 pyridoxamine phosphate (2가지 모두 비타민 B6에서 유래)를 요구한다.
기질이 효소의 활성 센터에 결합한다. pyridoxal phosphate기능은 다음 기질이 나타날 때까지 일시적으로 아미노기를 저장한다. 이 과정 중 pyridoxal phosphate는 pyridoxamine phosphate로 전환되고 이 반응은 다시 역방향으로도 진행된다. 효소학자는 이를 "ping pong" mechanism이라고 한다,
쉬프염기(Schiff base)를 생성하기 위한 알파 아미노기와 방향족 알데히드기 사이의 축합은 알파 탄소 원자를 화학적 활성을 띠게 하여 Schiff base의 이성질화가 쉽게 일어나게 한다.
쉬프 염기
RR′C=NR″ 화학식을 가진 염기 종류다. 알데히드나 케톤과 일차 아민(aniline)의 축합으로 생성되며 이때 물이 제거된다.
아미노산을 대사시키는 많은 효소는 cofactor로 pyridoxal phosphate를 요구한다.
Glutamate oxaloacetate transaminase (GOT)
이 효소는 aspartate aminotransferase라고도 하며 가장 활성을 띤 세포 효소 중 한 종류다. 사멸 또는 죽어가는 조직에서 대량 방출되어 혈류로 진입하기 때문에 혈 중 GOT는 진단 목적으로 흔히 측정된다.
이 효소의 대사적 중요성은 glutamate(세포에 존재하는 가장 흔한 아미노산)와 aspartate(세포의 2번 째 주요 아미노산 풀) 사이에 자유롭게 아미노기를 교환시키는 데 있다. Glutamate와 aspartate는 요소 싸이클에서 중요하여 암모니아 해독과 질소 배출에 관여한다. Glutamate와 apspartate 사이를 자유롭게 왕래하는 질소는 정상 세포 대사의 균형 유지에 중요하다. 이 반응은 세포질과 미토콘드리아 구획에서 거의 평형을 유지하며 또한 미토콘드리아 내막을 중심으로 NADH을 운반하는 malate-aspartate 셔틀의 중요한 부분이다.
Glutamate pyruvate transaminase (GPT)
alanine aminotransferase이라고도 하며 미토콘드리아와 세포질에 존재한다.
사멸 조직 또는 죽어가는 조직에서 대량 방출되어 혈중 되어 흔히 진단 목적으로 측정한다..
Alanine은 기아 상태의 경우 근육에서 방출되는 주된 아미노산이다. 공복 시 혈당 유지를 위해 alanine transamination에 의해 간의 포도당 신생이 일어날 때 중요한 기질이 된다.
Pyridoxine은 coenzyme 합성을 위해 필수적인 비타민이다.
Glutamate dehydrogenase(GluDH)
이 효소는 포유류 질소 배출의 마지막 경로(요소를 생성하는)의 첫 번 째 단계에 작용한다. 아미노산 가운데 소수는 매우 특이한 deamination pathways를 거친다. 그러나 섭취한 단백질 질소의 75%는 glutamate route를 거친다.
Glutamate dehydrogenase는 거의 대부분 간 미토콘드리아 기질 공간에 한정되며 이곳 총단백질의 상당한 부분을 차지한다. transamination reactions과 대조적으로 GluDH 는 아미노산 풀에서 질소의 net loss를 촉매한다. 따라서 이 과정을 "oxidative deamination"이라고 한다. NAD나 NADP에 비 특이적인 유일한 dehyrogenase이며 이것은 NAD나 NADP의 전반적인 조절에 기여한다.
NADH / NAD 및 NADPH / NADP는 산화형태와 환원 형태가 동일한 농도로 존재할 때는 동일한 표준 redox potential(-420mV)을 가진다.
실제로 이들 효소는 상이한 redox potentials를 가지며 세포 내에서 특별한 기능을 한다. NADPH / NADP pool 은 거의 대개 환원 형태로 작동된다. 그러나 NADH / NAD pool은 30% 이하가 환원형이다.
Trans-deamination
대부분의 transaminases는 gluDH와 공통된 기질 및 산물(glutamate, oxoglutarate)을 공유하고 흔히 trans-deamination이라고 하는 각각의 아미노산 질소의 배출 경로를 겸하고 있다.
이 과정은 전반적인 질소 대사 조절에서 글루타메이트의 핵심적 역할을 강조한 것이다.
리간드(LIGAND), 단백질채널
다른 분자와 결합하는 분자이며 특히 더 큰 분자와 특이하게 결합하는 작은 분자를 지칭한다. 즉 항체와 결합하는 항원, 수용체에 결합하는 호르몬이나 신경 전달물질, 효소와 결합하는 기질이나 ALLOSTERIC EFFECTOR 등이다.
리간드 작동성 통로(LIGAND-GATED CHANNEL)
단백질에 리간드 분자가 결합하여 생긴 반응으로 열리는 단백질 통로이다. 단백질 분자의 입체적 형태 변화를 유발한다.
전압 작동성 이온 통로(VOLTAGE-GATED CHANNEL)
1) Na+/K+-ATPase
세포막 양쪽의 이온 농도차 유지는 에너지(ATP 가수분해)를 소모하는데 이는 이온 펌프와 관계 있다. 활동 전위가 생성되면 Na가 세포로 들어가고 K이 밖으로 나온다. 활동 전위가 여러 번 생성되면 세포 내외의 이온 농도 차이가 커진다. 이 같은 현상을 방지하기 위해서(NA 와 K 농도 차이를 유지하기 위해) 세포막에는 에너지(ATP) 의존적 펌프 시스템(ATP dependent pump system)이 존재한다. 이 펌프 시스템이 Na+/K+-ATPase다. 이 펌프는 Na+을 세포 밖으로 K+ 을 세포 안으로 진입시킨다. 따라서 세포막 내외의 Na+ 와 K+ 농도를 유지하기 위해서는 이 펌프 시스템의 정상적 작동이 필수적이다. 이 펌프의 작동이 정지되거나 (ATP 결핍에 의한 무산소 상태) 펌프 활동이 억제되면 Na+ 이 세포 내에 누적되고 세포 내 K+ 농도가 감소된다. 이는 휴지기 막 전압 (Resting membrane potential)의 탈분극화를 유발한다. 이 펌프는 또한 electrogenic하다. 왜냐하면 K 이온 2개가 세포 내로 들어갈 때마다 Na 이온 3개가 나가게 되어 들어가는 +보다 나가는 + CHANGE가 많기 때문이다. 이 차이는 약 -10 밀리볼트 정도이다. Na & K 농도 차뿐 아니라 막 전압에서 electrogenic component까지 소실되어 펌프가 억제되면 탈분극을 유발한다. 활동 전위 동안 세포 내부로 Ca++ 이 진입함으로써 이와 같은 농도 차이를 유지할 수 있다. Ca의 세포 내 진입은 세포막 상 Ca++ pumps & exchangers에 의해
칼슘 교환(Calcium Exchange)
칼슘 농도는 세포외부가 세포 내부보다 높아서 칼슘이 세포 내로 확산될 수 있는 농도차이가 있다. 또한 휴지기 막 전압이 negative이기 때문에 칼슘이 세포 내로 들어갈 수 있는 전기적 힘이 존재한다. 그러나 활동 전위로 칼슘에 대한 세포막 투과력이 증가하기 전에는 칼슘이 세포 내부로 들어가는 일은 거의 없다. 활동 전위 동안 세포 내로 진입하는 칼슘은 결국 제거되어야 하며 만일 제거되지 못하고 세포 내에 누적되면 세포 기능이 소실된다.
칼슘은 두 가지 기본 기전으로 세포에서 제거된다.
1) ATP-의존성 Ca++ 펌프: 세포에서 칼슘 제거를 능동적으로 수행한다.
2) 나트륨-칼슘 교환기(Sodium-calcium exchanger): exchnager의 정확한 기전은 아직 불명이다. 칼슘과 나트륨은 세포막을 사이에 두고 양방향으로 이동 교환될 수 있다. 칼슘 1개에 나트륨 3개꼴로 교환된다. 따라서 이 exchanger에 의해 전위가 형성된다. 이들 이온의 이동 방향은(내부 또는 외부) 막 전압과 이온 농도 차이에 의한다. 세포 내 나트륨 농도 증가는 이 교환 메커니즘을 통해 칼슘 증가와 경쟁한다.
예) Na+/K+-ATPase 펌프 활성도가 감소하거나 세포의 저산소증(ATP감소)에 의해 이 펌프 시스템(ATP 요구하는) 기능이 감소되면 세포 내 나트륨 농도가 증가한다. 이때 Na+/Ca++ exchanger가 세포 내에 증가된 Na+ 을 밖으로 내보내고 대신 Ca++ 이 세포 내로 들어가는 교환 작업이 이루어 진다. 따라서 세포 내에 칼슘이 누적되어 미토콘드리아와 기타 세포 내 반응 과정을 손상시킨다.
능동 수송 (Active Transport)
능동 수송은 반투막을 사이에 두고 농도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 거슬러 이동하는 과정을 말한다
이 과정에는 세포에서 만들어낸 에너지를 요구한다. 세포막의 단백질 분자를 통로 단백질(channel proteins)이라고 하며 이 통로 단백질이 이 과정을 수행한다
세포는 능동 수송에 의해 필요한 영양소를 모으고 폐기물을 폐기한다
세포막(신경 및 근육) 내외로 electric potential을 생성한다.
분자가 통로 단백질(channel protein)을 통해 수송되는 3가지가 있다.
휴지기 전위 (Resting potential)
아무런 자극(활동 전위, 신경간극 전위)이 없을 때 세포의 세포막 내외의 전압을 휴지기 전위(Resting potential)이라고 하며 대개 마이너스 값을 유지한다. 세포막 내부는 마이너스, 외부는 플러스를 띤다. 세포막의 양쪽 액체에 존재하는 이온 농도와 이온 운반 단백질에 의해 유지된다. 휴지기 전위는 세포막 내외 체액에 존재하는 이온 농도와 세포막에 존재하는 이온 운반 단백질에 의해 결정된다
막 운반 단백질 (Membrane transport proteins)
막 전위 결정을 위한 막 이온 운반 단백질 가운데 가장 중요한 2가지 타입은 이온 통로와 이온 펌프다. 이온 통로 단백질은 이온이 통과할 수 있는 세포막 통로를 만들어낸다. 이 통로는 특정 이온에 대한 선택성이 있어 칼륨에 선택적인 이온 통로, 염소에 선택적인 이온 통로, 나트륨에 선택적인 이온 통로가 있다. 세포 종류에 따라 또는 동일한 세포라도 부위에 따라(수상돌기, 세포체, 랜비어 결절) 서로 다른 여러 가지 이온 운반 단백질이 있다. 전형적으로 일부 칼륨 통로의 양은 휴지기 전위를 조절하는데 가장 중요하다. 일부 이온 펌프(Na+/K+ATPase)는 전기를 발생(electrogenic)시킨다. 즉 세포막을 사이에 두고 전하 불균형 상태를 형성하고 또한 막 전위에 기여한다.
G-Protein-Coupled Receptors (GPCRs)
G 단백질
호르몬들이 세포 내부로 직접 들어가 작용하지 않고 세포 표면의 수용체에 결합하여 내부로 신호를 전달한다. 호르몬이 결합한 수용체는 활성화되어 아데닐 고리화 효소(adenyl cyclase)로 하여금 cAMP와 같은 2차 신호 전달 물질 생성을 자극한다. 활성화된 수용체와 아데닐 고리화 효소 사이에는 G 단백질이라는 연결고리가 존재한다.
G 단백질은 평소에는 GDP가 결합되어 활성이 없는 상태로 존재한다. 그러나 수용체가 활성화되면 GDP가 떨어져 나가고 대신 GTP가 결합하여 활성을 띠게 된다.
GTP가 결합된 G 단백질은 아데닐 고리화효소로 이동하여 효소 활성을 조절하며 스스로 GTP를 가수분해하여 GDP로 변형시켜 활성을 상실한다.
이와 같이 G 단백질이 세포 내 신호전달에서 핵심적인 고리역할을 하기 때문에 이 단백질의 활성은 세포 상태를 결정하는데 매우 중요하다.
수용체(Receptors)
세포막을 통해 앞뒤로 7번 감긴 막 횡단 단백질(Transmembrane protein)이다. 세포 표면 외측에 리간드 결합 부위가 있고 효과기 부위(Effector site)는 세포질에 존재한다.
리간드는 GPCRs에 결합하여 유전자 발현을 변화시킨다. 단백질 및 펩타이드 호르몬, 갑상선 자극 호르몬(TSH), 부신 피질 자극 호르몬 등이며 세로토닌 및 가바(GABA)는 신경 전달 물질 기능 이외에 유전자 발현에도 영향을 미친다
작용 기전
1) 리간드가 수용체의 세포 외 부위와 결합한다. 리간드는 다른 화학물질에 결합한 이온, 분자, 분자단 등이며 더 큰 복합체를 형성한다.
2) 수용체에 리간드가 결합한다.
- Cytoplasmic C-Terminal 관련된 G 단백질을 활성화시켜 2차 전령 물질 생산을 개시한다. 가장 흔한 2차 전령 물질이 cyclic AMP이며 그 다음 IP3(Inositol triphosphate)이다.
- 2 차 전령 물질이 일련의 세포 내 이벤트를 개시한다. 즉 1) 인산화 및 효소 활성화 2) 소포체 내에 저장된 Ca2+ 을 세포질 내로 방출 등이 일어난다. cAMP 는 효소를 변화시켜 전사 인자 CREB (cAMP response element binding protein) 를 활성화하여 유전자 스위치를 켠다. 세포 표면에서 접수한 신호에 따라 세포는 적합한 유전자 산물의 생산을 개시하는 것이다.
GPCRs 스위치 끄기
세포는 또한 신호에 대한 반응을 중지해야 한다
GPCRs off시키는 몇 가지 기전
1 활성화되면 G 단백질의 Gα subunit 가 GDP를 GTP로 바꾼다. 그러나 Gα subunit 는GTPase 이며 GTP를 다시 신속하게 GDP로 전환시킨다. 그래서 수용체를 불활성 상태로 회복시킨다
2 수용체 자체가 kinase에 의해 인산화되어 수용체가 리간드에 반응하는 능력을 감소시킨다
3 β-arrestin이라는 단백질을 불러모아
수용체를 더욱 탈감작시키고
GPCRs의 2차 전령 물질 파괴에 방아쇠를 당긴다
G-protein coupled (GPC) receptors는 또 하나의 ubiquitous group으로 LIGAND가 붙으면 G PROTEIN을 활성화하여 GTP를 부착시킨다. 알파 서브유니트가 베타-감마 서브유니트에서 떨어져 나와 2차 전령 물질을 활성화시킨다
* Adenylate cyclase가 cyclic AMP를 만들어 cAMP가 PKA (protein kinase-A)와 결합하면 다른 단백질을 조절한다(활성화)
*Phospholipase-C (PLC)는 diacylglycerol (DAG)와 inositol triphosphate (IP3)(phophoinositol에서 생산)를 만든다. IP3 가 활면 소포체에서 칼슘을 방출시켜 calmodulin을 CAM-KII, a kinase 결합시킨다. Calcium 과 DAG는 또한 protein kinase-C (PKC)를 활성화한다.
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