대사 경로

Metabolic pathway
시리즈의 일부
생화학
Myoglobin.png
생명의 화학
주요 컴포넌트
생화학자 목록
용어집

생화학에서 대사 경로는 세포 내에서 일어나는 일련의 화학 반응이다.효소 반응의 반응 물질, 생성물 및 중간물은 [1]: 26 효소에 의해 촉매되는 일련의 화학 반응에 의해 변형되는 대사물로 알려져 있습니다.대사 경로의 대부분의 경우, 한 효소의 생성물은 다음 효소의 기질로 작용한다.단, 사이드 제품은 폐기물로 간주되어 [2]셀에서 제거됩니다.이 효소들은 [citation needed]종종 기능하기 위해 식이 미네랄, 비타민, 그리고 다른 보조 인자를 필요로 합니다.

다른 대사 경로는 진핵세포 내의 위치 및 주어진 [3]세포 구획에서의 경로의 중요성에 기초하여 기능한다.예를 들어, 전자전달사슬, 산화인산화 모두 미토콘드리아 막에서 [4]: 73, 74 & 109 일어난다.반면 당분해, 펜토오스인산 경로, 지방산 생합성은 모두 세포의 [5]: 441–442 세포에서 일어난다.

에너지의 이용으로 분자를 합성하는 능력(아노볼릭 경로) 또는 복잡한 분자를 분해하고 그 과정에서 에너지를 방출하는 능력(이화 경로)[6]으로 특징지어지는 두 가지 유형의 대사 경로가 있다.두 경로는 한 경로에서 방출되는 에너지가 다른 경로에 의해 소모된다는 점에서 서로를 보완합니다.이화 경로의 분해 과정은 동화 [6]경로의 생합성을 수행하는 데 필요한 에너지를 제공한다.두 개의 뚜렷한 대사 경로 외에도 양서류 경로가 있는데,[7] 이 경로는 에너지의 필요성 또는 가용성에 기초한 이화 경로 또는 동화 경로일 수 있다.

유기체 내의 항상성을 유지하기 위해서는 경로가 필요하며, 경로를 통과하는 대사물의 플럭스는 세포의 요구와 기질의 가용성에 따라 조절된다.경로의 최종 생성물은 즉시 사용되거나, 다른 대사 경로를 시작하거나, 나중에 사용하기 위해 저장될 수 있다.세포의 신진대사는 분자의 합성과 분해를 가능하게 하는 상호 연결된 경로의 정교한 네트워크로 구성됩니다.

개요

Glycolysis, Oxidative Decarboxylation of Pyruvate, and Tricarboxylic Acid (TCA) Cycle
일반적인 대사 경로의 순반응

각 대사 경로는 중간체에 의해 연결된 일련의 생화학 반응으로 구성됩니다. 즉, 한 반응의 산물은 후속 반응의 기질입니다.대사 경로는 종종 한 방향으로 흐르는 것으로 간주된다.모든 화학 반응이 기술적으로 가역적이긴 하지만, 셀의 조건은 종종 열역학적으로 플럭스가 [8]반응의 한 방향으로 진행하는데 더 유리합니다.예를 들어, 하나의 경로가 특정 아미노산의 합성을 담당할 수 있지만, 해당 아미노산의 분해는 별개의 경로를 통해 발생할 수 있다.이 "규칙"의 예외 중 하나는 포도당의 대사이다.당분해는 포도당의 분해를 초래하지만, 당분해 경로의 몇 가지 반응은 가역적이며 포도당의 재합성(글루코네제네시스)에 관여한다.

  1. 포도당이 세포에 들어오면 ATP에 의해 포도당 6-인산으로 즉시 인산화된다.
  2. 과도한 지질 또는 단백질 에너지원의 경우 해당과정 경로의 특정 반응이 반대로 진행되어 포도당 6-인산이 생성될 수 있으며, 포도당은 글리코겐 또는 전분으로 저장된다.
  • 대사 경로는 종종 피드백 저해에 의해 조절된다.
  • 일부 대사 경로는 크렙스 사이클(아래 참조)과 같이 사이클의 각 성분이 사이클에서 후속 반응을 위한 기질인 '사이클'로 흐른다.
  • 진핵 생물의 동화 및 이화 경로는 종종 서로 독립적으로 발생하며, 유기체 내의 구획화에 의해 물리적으로 분리되거나 다른 효소 및 공동 인자의 요구로 생화학적으로 분리된다.

주요 대사 경로

주요 대사 경로의 추가 인포그래픽은 § 외부 링크를 참조하십시오.
Metro-style map of major metabolic pathways



MEP
The image above contains clickable links
메트로 스타일 맵의 주요 대사 경로.텍스트(경로 또는 대사물 이름)를 클릭하여 해당 문서에 연결합니다.
한 줄: 대부분의 생명체에 공통되는 경로입니다.이중선: 사람 내에는 없는 경로(식물, 곰팡이, 원핵생물 등)Metabolic metro orange.svg 오렌지노드: 탄수화물 Metabolic metro purple.svg대사. 보라색 림프절: 광합성.Metabolic metro red.svg 빨간색 노드: 세포 호흡.Metabolic metro pink.svg 분홍색 노드: 세포 시그널링.Metabolic metro blue.svg 파란 노드: 아미노산 대사.Metabolic metro grey.svg 회색 림프절: 비타민과 보조인자 대사.Metabolic metro brown.svg 갈색 림프절: 뉴클레오티드와 단백질 대사.Metabolic metro green.svg 녹색 림프절: 지질대사.

이화 경로(대화)

이화경로는 에너지담체 아데노신2인산(ADP) 및 구아노신2인산(GDP)에 의해 [4]: 91–93 형성되어 각각 아데노신3인산(ATP)과 구아노신3인산(GTP)을 생성하는 고에너지 인산결합 형태로 에너지를 순방출하는 일련의 반응이다.따라서 순반응은 열역학적으로 유리하다. 최종 산물에 [9]: 578–579 대한 자유 에너지가 낮아지기 때문이다.이화 경로는 탄수화물, 지방 및 단백질과 같은 에너지원을 포함하는 에너지원에서 ATP, GTP, NADH, NADPH, FADH2 등의 형태로 화학 에너지를 생성하는 외부 시스템입니다.최종 산출물은 종종 이산화탄소, 물, 암모니아입니다.동화작용의 엔도르곤 반응과 결합하여 세포는 동화경로의 [10]원래 전구체를 사용하여 새로운 고분자를 합성할 수 있다.결합 반응의 예로는 해당과정의 경로에서 ATP의 가수분해를 수반하는 효소 포스포프룩토키나제에 의해 과당-6-인산이 중간 과당-1,6-이인산을 형성하는 것이 있다.대사 경로 내에서 발생하는 화학 반응은 열역학적으로 매우 유리하며, 결과적으로 세포 내에서 되돌릴 수 없다.

세포호흡

주요 기사:세포호흡

에너지 생성 이화 경로의 핵심 세트는 모든 살아있는 유기체 내에서 어떤 형태로든 발생합니다.이러한 경로는 영양소의 분해에 의해 방출된 에너지를 ATP와 에너지로 사용되는 다른 작은 분자(예: GTP, NADPH, FADH)로 전달합니다.모든 세포는 해당과정에 의해 혐기성 호흡을 할 수 있다.또한 대부분의 유기체는 구연산 회로와 산화적 인산화를 통해 보다 효율적인 유산소 호흡을 수행할 수 있다.또한 식물, 조류 및 시아노박테리아는 태양빛을 이용하여 광합성에 의해 무생물에서 합성된 화합물을 합성할 수 있다.

글루코네제네시스 메커니즘

동화 경로(아노화)

이화 경로와는 대조적으로, 동화 경로는 폴리펩타이드, 핵산, 단백질, 다당류, 지질과 같은 고분자를 구성하기 위해 에너지 입력을 필요로 한다.세포에서 동화 작용의 분리 반응은 양의 Gibbs Free Energy(+δG)로 인해 바람직하지 않다.따라서 발기반응과의 결합을 통한 화학에너지 투입이 필요하다.[1]: 25–27 이화 경로의 결합된 반응은 동화 경로의 전체 활성화 에너지를 낮추고 반응이 [1]: 25 일어나도록 함으로써 반응의 열역학에 영향을 미친다.그렇지 않으면 엔도르곤 반응은 자발적이지 않다.

동화 경로는 생합성 경로로, 더 크고 복잡한 [9]: 570 분자를 형성하기 위해 더 작은 분자를 결합하는 것을 의미합니다.예를 들어, 당합성이라고 알려진 해당과정의 역경로는 혈액에서 적절한 포도당 농도를 유지하고 뇌와 근육 조직에 적절한 양의 포도당을 공급하기 위해 간에서 그리고 때로는 신장에서 일어난다.포도당생성은 해당과정의 역경로와 유사하지만,[11] 해당과정의 경로를 자발적으로 발생시키는 세 가지 효소를 포함한다.글루코네제네시스 경로의 예는 "글루코네제네시스 메커니즘"이라는 이미지에 설명되어 있다.

양서류 경로

구연산회로의 양서류 특성

양서류 경로는 에너지의 [9]: 570 가용성 또는 필요성에 기반하여 이화성 또는 동화성 경로일 수 있습니다.생물학적 세포에서 에너지의 통화는 아데노신 삼인산(ATP)으로, 에너지를 인산염 결합에 저장합니다.에너지는 생합성을 수행하고, 움직임을 촉진하며,[9]: 571 세포 내부의 활성 전달을 조절하는 데 사용됩니다.양서류 경로의 예는 구연산 회로와 글리옥실산 회로이다.이러한 일련의 화학 반응에는 에너지 생성 [5]: 572 경로와 이용 경로가 모두 포함되어 있습니다.오른쪽은 TCA 사이클의 양서류 특성을 나타낸 그림입니다.

글리옥실산 션트 경로는 TCA의 경로를 수정하여 탄소 화합물의 완전한 산화를 방지하고 미래의 에너지원으로서 고에너지 탄소원을 보존하기 때문에 트리카르본산(TCA) 회로의 대안이다.이 경로는 식물과 박테리아에서만 발생하며 포도당 [12]분자가 없을 때 발생합니다.

규정

전체 경로의 플럭스는 속도 결정 [1]: 577–578 단계에 의해 조절됩니다.이것들은 반응 네트워크의 가장 느린 단계입니다.속도 제한 단계는 경로의 시작 부근에서 발생하며 피드백 억제에 의해 조절되며, 이는 궁극적으로 [13]경로의 전체 속도를 제어한다.세포 내 대사 경로는 공유가 또는 비공유가 변형에 의해 조절된다.공유가 변형은 화학 결합의 추가 또는 제거를 수반하는 반면, 비공유 변형(알로스테릭 조절이라고도 함)은 수소 결합, 정전 상호작용 및 반데르발스 [14]힘을 통해 효소에 조절기가 결합하는 것입니다.

대사 경로의 전환 속도는 대사 플럭스로도 알려져 있으며, 화학량학적 반응 모델, 대사물의 이용률 및 지질 이중층을 [15]가로지르는 분자의 전위 속도에 기초하여 조절됩니다.조절 방법은 13C 라벨링을 포함한 실험을 기반으로 하며, NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 또는 GC-MS(Gas Cromatography-mass spectrometry) 유도 질량 분석으로 분석됩니다.앞서 언급한 기술은 단백질 생성 아미노산의 질량 분포에 대한 통계적 해석을 세포 [15]: 178 내 효소의 촉매 활성에 합성한다.

대사 경로를 대상으로 하는 임상적 응용

산화적 인산화 표적화

대사 경로는 임상 치료 용도로 사용될 수 있습니다.예를 들어 미토콘드리아 대사망 내에는 암세포 [16]증식을 막기 위해 화합물에 의해 표적이 될 수 있는 다양한 경로가 있다.그러한 경로 중 하나는 전자전달사슬(ETC) 내의 산화인산화(OXPHOS)이다.다양한 억제제가 복합 I, II, III 및 IV에서 일어나는 전기화학적 반응을 하향 조절하여 전기화학적 구배 형성을 방지하고 ETC를 통한 전자의 이동을 하향 조정할 수 있습니다.ATP 합성효소에서 일어나는 기질 수준의 인산화도 직접적으로 억제되어 암세포 [17]증식을 위한 에너지 공급에 필요한 ATP의 형성을 방지할 수 있다.각각 착체 II와 착체 III를 억제하는 로니다민과 [16]아토바쿤과 같은 이러한 억제제 중 일부는 현재 FDA 승인을 위해 임상시험을 진행 중이다.FDA가 승인하지 않은 다른 억제제들은 여전히 시험관내에서 실험적인 성공을 보였다.

타깃 헴

헴 생합성 및 흡수가 암 [18]진행 증가와 상관관계가 있기 때문에 복합체 I, II 및 IV에 존재하는 중요한 보철물 그룹인 헴도 표적이 될 수 있다.다양한 분자가 다른 메커니즘을 통해 헴을 억제할 수 있다.예를 들어 숙시닐아세톤은 뮤린 적혈구 [19]세포에서 6-아미노레불린산을 억제함으로써 헴 농도를 낮추는 것으로 나타났다.HSP1 및 HSP2와 같은 헴 시퀀싱 펩타이드의 1차 구조는 헴 농도를 낮추고 비소형 폐암 [20]세포의 증식을 줄이도록 수정될 수 있다.

트리카르본산회로 및 글루타미노분해 표적화

트리카르본산회로(TCA)와 글루타미노분해는 암세포의 생존과 증식에 필수적이기 때문에 암 치료의 표적이 될 수도 있다.FDA 승인 암 치료제인 이보시데닙과 에나시데닙은 각각 [16]이소시트레이트탈수소효소-1(IDH1)과 이소시트레이트탈수소효소-2(IDH2)를 억제함으로써 암세포의 TCA 사이클을 억제할 수 있다.이보시데닙은 급성 골수종 백혈병(AML)과 담관암에 특유한 반면, 에나시데닙은 단지 급성 골수종 백혈병(AML)에 특유하다.

담관암과 IDH-1 돌연변이를 가진 성인 환자 185명으로 구성된 임상시험에서 이보시데닙에 무작위 추출된 환자에서 통계적으로 유의한 개선(p<0.0001; HR: 0.37)이 있었다.그럼에도 불구하고 이러한 환자들에게 나타나는 부작용에는 피로, 메스꺼움, 설사, 식욕 저하, 복근, 빈혈 [21]등이 있었다.AML과 IDH2 돌연변이를 가진 199명의 성인환자로 구성된 임상시험에서 23%의 환자가 에나시데닙 복용 중 8.2개월의 중앙값을 유지한 완전반응(CRH) 또는 부분혈액회복(CRH)을 경험했다.시험 시작 시 수혈이 필요했던 157명의 환자 중 34%는 에나시데닙 56일 동안 수혈이 필요하지 않았다.시험 초기에 수혈이 필요하지 않았던 환자 중 76%는 시험 종료 시점까지 수혈이 필요하지 않았다.에나시데닙의 부작용으로는 메스꺼움, 설사, 빌리루빈 상승, 그리고 가장 주목할 만한 차별화 증후군이 [22]있었다.

글루타미노분해 첫 번째 반응 중 가수분해 탈아미드를 통해 글루타민을 글루타메이트로 변환하는 효소인 글루타미나아제(GLS)도 표적화할 수 있다.최근 몇 년 동안, 아자세린, 아시비신, CB-839와 같은 많은 작은 분자들이 글루타미나아제를 억제하여 암세포 생존 가능성을 낮추고 암세포에서 [23]아포토시스를 유도하는 것으로 나타났다.CB-839는 난소암, 유방암, 폐암 등 여러 종류의 암에서 효과적인 항종양 능력으로 인해 현재 FDA 승인을 위해 임상 연구가 진행 중인 유일한 GLS 억제제이다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c d David L. Nelson; Cox, Michael M. (2008). Lehninger principles of biochemistry (5th ed.). New York: W.H. Freeman. ISBN 978-0-7167-7108-1.
  2. ^ Alison, Snape (2014). Biochemistry and molecular biology. Papachristodoulou, Despo K., Elliott, William H., Elliott, Daphne C. (Fifth ed.). Oxford. ISBN 9780199609499. OCLC 862091499.
  3. ^ Nicholson, Donald E. (March 1971). An Introduction to Metabolic Pathways by S. DAGLEY (Vol. 59, No. 2 ed.). Sigma Xi, The Scientific Research Society. p. 266.
  4. ^ a b Harvey, Richard A (2011). Biochemistry (5th ed.). Baltimore, MD 21201: Wolters Kluwer. ISBN 978-1-60831-412-6.{{cite book}}: CS1 유지보수: 위치(링크)
  5. ^ a b Voet, Donald; Judith G. Voet; Charlotte W. Pratt (2013). Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level (4th ed.). Hoboken, NJ: Wiley. ISBN 978-0470-54784-7.
  6. ^ a b Reece, Jane B. (2011). Campbell biology / Jane B. Reece ... [et al.] (9th ed.). Boston: Benjamin Cummings. pp. 143. ISBN 978-0-321-55823-7.
  7. ^ Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; Stryer, Lubert; Gatto, Gregory J. (2012). Biochemistry (7th ed.). New York: W.H. Freeman. p. 429. ISBN 978-1429229364.
  8. ^ Cornish-Bowden, A; Cárdenas, ML (2000). "Irreversible reactions in metabolic simulations: how reversible is irreversible?" (PDF). Animating the Cellular Map: 65–71.
  9. ^ a b c d Clarke, Jeremy M. Berg; John L. Tymoczko; Lubert Stryer. Web content by Neil D. (2002). Biochemistry (5. ed., 4. print. ed.). New York, NY [u.a.]: W. H. Freeman. ISBN 0716730510.
  10. ^ Peter H. Raven; Ray F. Evert; Susan E. Eichhorn (2011). Biology of plants (8. ed.). New York, NY: Freeman. pp. 100–106. ISBN 978-1-4292-1961-7.
  11. ^ Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; Stryer, Lubert; Gatto, Gregory J. (2012). Biochemistry (7th ed.). New York: W.H. Freeman. pp. 480–482. ISBN 9781429229364.
  12. ^ Choffnes, Eileen R.; Relman, David A.; Leslie Pray (2011). The science and applications of synthetic and systems biology workshop summary. Washington, D.C.: National Academies Press. p. 135. ISBN 978-0-309-21939-6.
  13. ^ Hill, Steve A.; Ratcliffe, R. George (1999). Kruger, Nicholas J. (ed.). Regulation of primary metabolic pathways in plants : [proceedings of an international conference held on 9 - 11 January 1997 at St Hugh's College, Oxford under the auspices of the Phytochemical Society of Europe]. Dordrecht [u.a.]: Kluwer. p. 258. ISBN 079235494X.
  14. ^ White, David (1995). The physiology and biochemistry of prokaryotes. New York [u.a.]: Oxford Univ. Press. p. 133. ISBN 0-19-508439-X.
  15. ^ a b Weckwerth, Wolfram, ed. (2006). Metabolomics methods and protocols. Totowa, N.J.: Humana Press. p. 177. ISBN 1597452440.
  16. ^ a b c Frattaruolo, Luca (2020). "Targeting the Mitochondrial Metabolic Network: A Promising Strategy in Cancer Treatment". International Journal of Molecular Sciences. 21 (17): 2–11. doi:10.3390/ijms21176014. PMC 7503725. PMID 32825551.
  17. ^ Yadav, N.; Kumar, S.; Marlowe, T.; Chaudhary, A.; Kumar, R.; Wang, J.; O'Malley, J.; Boland, P.; Jaynathi, S.; Kumar, T.; Yadava, N.; Chandra, D. (2015). "Oxidative phosphorylation-dependent regulation of cancer cell apoptosis in response to anticancer agents". Cell Death & Disease. 6 (11): e1969. doi:10.1038/cddis.2015.305. PMC 4670921. PMID 26539916.
  18. ^ Hooda, Jagmohan; Cadinu, Daniela; Alam, Md; Shah, Ajit; Cao, Thai; Sullivan, Laura; Brekken, Rolf; Zhang, Li (2013). "Enhanced heme function and mitochondrial respiration promote the progression of lung cancer cells". PLOS ONE. 8 (5): e63402. Bibcode:2013PLoSO...863402H. doi:10.1371/journal.pone.0063402. PMC 3660535. PMID 23704904.
  19. ^ Ebert, P.; Hess, R.; Frykholm, B.; Tschudy, D. (1979). "Succinylacetone, a potent inhibitor of heme biosynthesis: effect on cell growth, heme content and delta-aminolevulinic acid dehydratase activity of malignant murine erythroleukemia cells". Biochem Biophys Res Commun. 88 (4): 1382–1390. doi:10.1016/0006-291x(79)91133-1. PMID 289386.
  20. ^ Sohoni, Sagar; Ghosh, Poorva; Wang, Tianyuan; Kalainayakan, Sarada; Vidal, Chantal; Dey, Sanchareeka; Konduri, Purna; Zhang, Li (2019). "Elevated Heme Synthesis and Uptake Underpin Intensified Oxidative Metabolism and Tumorigenic Functions in Non-Small Cell Lung Cancer Cells". Lung Cancer Cells. Cancer Res. 79 (10): 2511–2525. doi:10.1158/0008-5472.CAN-18-2156. PMID 30902795. S2CID 85456667.
  21. ^ "FDA approves Ivosidenib for advanced or metastatic cholangiocarcinoma". U.S. Food & Drug Administration. 26 August 2021.
  22. ^ "FDA granted regular approval to enasidenib for the treatment of relapsed or refractory AML". U.S. Food & Drug Administration. 9 February 2019.
  23. ^ Mates, Jose; Paola, Floriana; Campos-Sandoval, Jose; Mazurek, Sybille; Marquez, Javier (2020). "Therapeutic targeting of glutaminolysis as an essential strategy to combat cancer". Semin Cell Dev Biol. 98: 34–43. doi:10.1016/j.semcdb.2019.05.012. PMID 31100352. S2CID 157067127.

외부 링크

Wikimedia Commons에는 대사 경로와 관련된 미디어가 있습니다.