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인산화

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인산화 전후의 아미노산 사슬의 세린

인산화(燐酸化, 영어: phosphorylation)는 화학에서 분자에 인산기를 붙이는 것을 의미한다. 인산화와 그 역반응인 탈인산화는 생물학의 많은 과정에서 중요하다. 단백질 인산화는 기능에 특히 중요하다. 예를 들어 인산화는 사카로미세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae)에 존재하는 효소의 거의 절반을 활성화(또는 비활성화)하여 기능을 조절한다.[1][2][3] 많은 단백질(진핵생물에서 프로테옴의 1/3에서 2/3 사이)[4][5]은 많은 탄수화물, 지질, 기타 생물학 관련 분자와 마찬가지로 일시적으로 인산화된다.

포도당

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보통 당의 이화작용의 첫 번째 단계는 당의 인산화이다. 인산화는 분자가 운반체를 통해 다시 확산되어 나가는 것을 인산기가 방지하기 때문에 세포에 당이 축적되도록 한다. 포도당의 인산화는 많은 당들이 더 대사되기 전에 먼저 포도당으로 전환되기 때문에 당 대사의 핵심적인 반응이다.

해당과정의 첫 번째 단계에서 D-포도당이 D-포도당 6-인산으로 전환되는 화학 반응식은 다음과 같다.

D-포도당 + ATP → D-포도당 6-인산 + ADP
ΔG° = −16.7 kJ/mol (° 는 표준 조건에서 측정했음을 나타낸다.)

버밍엄 대학교의 연구원 D. G. 워커는 기니피그 성체에서 포도당을 포도당 6-인산으로 인산화하는 반응을 촉매하는 두 가지 특정 효소의 존재를 확인했다. 이 두 가지 효소는 특이적 글루코키네이스(ADP-D-포도당 6-인산기전이효소) 및 비특이적 헥소키네이스(ATP-D-헥소스 6-인산기전이효소)로 확인되었다.

포도당은 간세포를 자유롭게 투과할 수 있으며, 포도당 인산화의 초기 속도는 간(ATP-D-포도당 6-인산기전이효소) 및 비특이적 헥소키네이스(ATP-D-헥소스 6-인산기전이효소)에 의한 포도당 대사의 속도 제한 단계이다.[6]

글리코젠 생성효소에서 포도당 6-인산의 역할은 다음과 같다. 혈당이 높이면 간, 골격근, 지방 조직에서 포도당 6-인산의 세포 내 농도가 증가한다. 간에서 글리코젠 합성은 혈당 농도와 직접적인 상관 관계가 있으며, 골격근과 지방 세포에서 포도당은 글리코젠 생성효소에 미미한 영향을 미친다. 고혈당은 인슐린을 방출하여 세포막으로 특정 포도당 운반체의 트랜스 위치를 자극한다.[6][7]

혈당 농도를 조절하는 간의 중요한 역할은 음의 ΔG 값이 특징이며, 이는 이것이 조절 지점임을 나타낸다. 헥소키네이스는 Km이 낮아 포도당에 대한 친화도가 높기 때문에 혈액 내 포도당 수준이 나노 수준인 경우에도 이러한 초기 인산화가 진행될 수 있다.

포도당의 인산화는 과당 6-인산의 결합에 의해 강화될 수도 있고, 과당 1-인산의 결합에 의해 감소될 수도 있다. 음식물로 섭취한 과당은 간에서 과당 1-인산으로 전환된다. 이것은 궁극적으로 정방향으로의 반응을 선호하는 글루코키네이스에 대한 과당 6-인산의 작용을 무효화한다.[8] 과당을 인산화하는 간세포의 능력은 과당 1-인산을 대사하는 능력을 초과한다. 과당을 과도하게 섭취하면 궁극적으로 간대사의 불균형을 초래하여 간세포의 ATP 공급을 간접적으로 고갈시킨다.[9]

효과인자로 작용하는 포도당 6-인산에 의한 알로스테릭 활성화는 글리코젠 생성효소를 자극하고, 포도당 6-인산은 cAMP-자극 단백질 키네이스에 의한 글리코젠 생성효소의 인산화를 억제할 수 있다.[7]

포도당의 인산화는 신체 내 과정에서 필수적이다. 예를 들어 인산화된 포도당은 심장 내 인슐린 의존적 mTOR 경로 활성화에 필요하다. 이것은 또한 중간 대사와 심장 생장 사이의 연관성을 시사한다.[10]

해당과정

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해당과정은 포도당이 다양한 효소의 도움을 받아 다양한 단계를 거쳐 두 분자의 피루브산으로 분해되는 필수 과정이다. 해당과정은 10단계로 구성되어 있으며, 이 중 인산화되는 단계는 최종 생성물을 얻기 위해 꼭 필요한 단계이다. 인산화는 에너지 투자기(해당과정의 전반부)의 단계 1과 단계 3에서 일어나고,[11] 에너지 회수기(해당과정의 후반부)의 단계 7과 단계 10에서 일어난다.[12]

포도당은 본질적으로 세포 안팎으로 확산될 수 있는 능력이 있는 작은 분자이다. 포도당을 인산화함으로써(음전하를 띠게 하기 위해 인산기를 첨가)[13] 포도당은 포도당 6-인산으로 전환되고 음전하를 띠면서 세포 내에 갇히게 된다. 이 반응은 많은 6원자 고리 구조를 인산화시키는 효소인 헥소키네이스에 의해 촉매된다. 포도당 6-인산은 세포막을 통과할 수 없기 때문에 세포 내에 머물도록 강제된다. 과당 6-인산이 과당 1,6-이중인산으로 전환되는 인산화 반응은 해당과정의 단계 3에서 일어난다. 이 반응은 포스포프럭토키네이스-1에 의해 촉매된다.

에너지 투자기에서 인산화는 ATP가 관여하는 반면, 에너지 회수기에서 인산화는 무기 인산이 관여한다. 글리세르알데하이드 3-인산은 인산화되어 1,3-비스포스포글리세르산을 형성한다. 이 반응은 글리세르알데하이드 3-인산 탈수소효소에 의해 촉매된다. 인산화의 연쇄 효과는 결국 불안정성을 유발하고 효소가 포도당의 탄소 결합을 분해할 수 있도록 한다.

인산화는 해당과정의 매우 중요한 구성 요소로 작용하는 데, 이는 수송, 조절 및 효율성에 도움을 주기 때문이다.[14]

단백질 인산화

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단백질 인산화는 진핵생물에서 가장 많이 일어나는 번역 후 변형으로 간주된다. 인산화는 포스포다이에스터 결합을 통해 세린, 트레오닌 및 티로신 곁사슬(종종 '잔기'라고도 함)에서, 포스포아미데이트 결합을 통해 히스티딘, 리신 및 아르지닌에서 혼합 무수물 연결을 통해 아스파르트산 및 글루탐산에서 일어날 수 있다. 최근의 증거는 이미다졸 고리의 1번 질소와 3번 질소 모두에서 광범위한 히스티딘 인산화를 확인시켜준다.[15][16] 최근의 연구는 헬라 세포 추출물에서 인산화된 히스티딘, 아스파르트산, 글루탐산, 시스테인, 아르지닌 및 리신을 함유하는 모티프를 포함한 여러 비표준 아미노산에 대한 광범위한 사람 단백질의 인산화를 보여주고 있다.[17] 그러나 이러한 인산화된 잔기의 화학적 불안정성과 세린, 트레오닌 및 티로신의 인산화와 현저한 대조로 인해 표준 생화학적 질량분석법을 사용하여 인산화된 히스티딘(및 기타 비표준 아미노산)을 분석하는 것은 훨씬 더 어렵고,[17][18][19] 고전적인 세린, 트레오닌 및 티로신의 인산화와 함께 보존을 위해 특별한 절차와 분리 기술을 필요로 한다.[20]

생화학에서 단백질 인산화의 중요한 역할은 해당 주제에 대해 발표된 방대한 연구에 의해 설명된다. (2015년 3월을 기준으로 MEDLINE 데이터베이스는 24만건 이상의 문서를 반환하고 있으며, 이는 주로 단백질 인산화에 관한 것이다.)

ATP

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세포의 "고에너지" 교환 매체인 ATP는 산화적 인산화를 통해 ADP에 세 번째 인산기를 첨가하여 미토콘드리아에서 합성된다. ATP는 또한 해당과정에서 기질수준 인산화에 의해서도 합성된다. ATP는 식물세포의 엽록체에서 태양 에너지를 이용한 광인산화에 의해서도 합성된다.

같이 보기

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각주

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  1. ↑ Oliveira, Ana Paula; Sauer, Uwe (2012년 3월 1일). “The importance of post-translational modifications in regulating Saccharomyces cerevisiae metabolism”. 《FEMS Yeast Research》 12 (2): 104–117. doi:10.1111/j.1567-1364.2011.00765.x. ISSN 1567-1364. PMID 22128902. 
  2. ↑ Tripodi, Farida; Nicastro, Raffaele; Reghellin, Veronica; Coccetti, Paola (2015년 4월 1일). “Post-translational modifications on yeast carbon metabolism: Regulatory mechanisms beyond transcriptional control”. 《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects》 1850 (4): 620–627. doi:10.1016/j.bbagen.2014.12.010. ISSN 0006-3002. PMID 25512067. 
  3. ↑ Vlastaridis, Panayotis; Papakyriakou, Athanasios; Chaliotis, Anargyros; Stratikos, Efstratios; Oliver, Stephen G.; Amoutzias, Grigorios D. (2017년 4월 3일). “The Pivotal Role of Protein Phosphorylation in the Control of Yeast Central Metabolism”. 《G3 (Bethesda, Md.)》 7 (4): 1239–1249. doi:10.1534/g3.116.037218. ISSN 2160-1836. PMC 5386872. PMID 28250014. 
  4. ↑ Cohen, Philip (2002년 5월 1일). “The origins of protein phosphorylation”. 《Nature Cell Biology》 4 (5): E127–130. doi:10.1038/ncb0502-e127. ISSN 1465-7392. PMID 11988757. S2CID 29601670. 
  5. ↑ Vlastaridis, Panayotis; Kyriakidou, Pelagia; Chaliotis, Anargyros; de Peer, Yves Van; Oliver, Stephen G.; Amoutzias, Grigoris D. (2017년 1월 7일). “Estimating the total number of phosphoproteins and phosphorylation sites in eukaryotic proteomes”. 《GigaScience》 6 (2): 1–11. doi:10.1093/gigascience/giw015. ISSN 2047-217X. PMC 5466708. PMID 28327990. 
  6. ↑ 가 나 Walker DG, Rao S (1964). “The role of glucokinase in the phosphorylation of glucose by rat liver”. 《Biochemical Journal》 90 (2): 360–8. doi:10.1042/bj0900360. PMC 1202625. PMID 5834248. 
  7. ↑ 가 나 Villar-Palasí, C.; Guinovart, J. J. (1997년 6월 1일). “The role of glucose 6-phosphate in the control of glycogen synthase.”. 《The FASEB Journal》 (영어) 11 (7): 544–558. doi:10.1096/fasebj.11.7.9212078. ISSN 0892-6638. S2CID 2789124. 
  8. ↑ Walker DG, Rao S (1964). “The role of glucokinase in the phosphorylation of glucose by rat liver”. 《Biochemical Journal》 90 (2): 360–368. doi:10.1042/bj0900360. PMC 1202625. PMID 5834248. 
  9. ↑ “Regulation of Glycolysis”. 《cmgm.stanford.edu》. 2009년 3월 3일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2017년 11월 18일에 확인함. 
  10. ↑ Sharma, Saumya; Guthrie, Patrick H.; Chan, Suzanne S.; Haq, Syed; Taegtmeyer, Heinrich (2007년 10월 1일). “Glucose phosphorylation is required for insulin-dependent mTOR signalling in the heart”. 《Cardiovascular Research》 (영어) 76 (1): 71–80. doi:10.1016/j.cardiores.2007.05.004. ISSN 0008-6363. PMC 2257479. PMID 17553476. 
  11. ↑ 《Chapter 14: Glycolysis and the Catabolism of Hexoses》. 2021년 10월 17일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2022년 4월 1일에 확인함. 
  12. ↑ Garrett, Reginald (1995). 《Biochemistry》. Saunders College. 
  13. ↑ “Hexokinase - Reaction”. 《www.chem.uwec.edu》. 2020년 7월 29일에 확인함. 
  14. ↑ Maber, Jon. “Introduction to Glycolysis”. 2017년 4월 6일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2017년 11월 18일에 확인함. 
  15. ↑ Fuhs SR, Hunter T (2017). “pHisphorylation: the emergence of histidine phosphorylation as a reversible regulatory modification”. 《Curr Opin Cell Biol》 45: 8–16. doi:10.1016/j.ceb.2016.12.010. PMC 5482761. PMID 28129587. 
  16. ↑ Fuhs SR, Meisenhelder J, Aslanian A, Ma L, Zagorska A, Stankova M, Binnie A, Al-Obeidi F, Mauger J, Lemke G, Yates JR 3rd, Hunter T (2015). “Monoclonal 1- and 3-Phosphohistidine Antibodies: New Tools to Study Histidine Phosphorylation”. 《Cell》 162 (1): 198–210. doi:10.1016/j.cell.2015.05.046. PMC 4491144. PMID 26140597.  밴쿠버 양식 오류 (도움말)
  17. ↑ 가 나 Hardman G, Perkins S, Brownridge PJ, Clarke CJ, Byrne DP, Campbell AE, Kalyuzhnyy A, Myall A, Eyers PA, Jones AR, Eyers CE (2019). “Strong anion exchange-mediated phosphoproteomics reveals extensive human non-canonical phosphorylation.”. 《EMBO J》 38 (21): e100847. doi:10.15252/embj.2018100847. PMC 6826212. PMID 31433507. 
  18. ↑ Gonzalez-Sanchez MB, Lanucara F, Hardman GE, Eyers CE (2014). “Gas-phase intermolecular phosphate transfer within a phosphohistidine phosphopeptide dimer.”. 《Int J Mass Spectrom》 367: 28–34. Bibcode:2014IJMSp.367...28G. doi:10.1016/j.ijms.2014.04.015. PMC 4375673. PMID 25844054. 
  19. ↑ Gonzalez-Sanchez MB, Lanucara F, Helm M, Eyers CE (2013). “Attempting to rewrite History: challenges with the analysis of histidine-phosphorylated peptides.”. 《Biochem Soc Trans》 41 (4): 1089–1095. doi:10.1042/bst20130072. PMID 23863184. 
  20. ↑ Hardman G, Perkins S, Ruan Z, Kannan N, Brownridge P, Byrne DP, Eyers PA, Jones AR, Eyers CE (2017). 《Extensive non-canonical phosphorylation in human cells revealed using strong-anion exchange-mediated phosphoproteomics》. bioRxiv 10.1101/202820 |biorxiv= 값 확인 필요 (도움말). 

외부 링크

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