생화학

[김동석]

        ⅳ.Amino acid composition : Primary structure의 완전한 Hydrolysis와 정량분석

                                   -자동화(amino acid analyzer)

             *Acid-catalyzed hydrolysis : 6N HCl에 녹여서 110도 24시간 가열

                α.Ser, Thr, Tyr은 부분적으로 분해

                β.Trp residue를 대개 파괴

            *Base-catalyzed hydrolysis : 4N NaOH에 녹여 100도에서 4-8시간 . Trp 함량 측정                - Cys, Ser, Thr, Arg을 분해

            *Complete enzymatic digestion : exopeptidase, endopeptidase(Pronase)

           　amino acid analyzer에 의해 자동으로 분석하는데,

             column전이나 후에 dansyl chloride, Edman's reagent 등으로 처리

             또는 o-phthalaldehyde(OPA)+2-mercaptoethanol로 처리(→이 경우 형광)

        ⅴ.Specific Peptide Cleavage reaction (두가지방법으로 double check)

                α.Trypsin(peptidase)은 (+)charge의 Arginine이나 Lysine의

                   C-side(carboxyl terminal)를 특이적으로 짜른다

                   (단, 다음에 Proline이 나오지 말 것)

                 → 잘라낸 아미노산의 (+)charge는 Citraconic anhydride같은

                     dicarboxylic anhydride로 처리하여 없앨 수 있다.

                β.Cyanogen Bromide(NCBr2)은 Methionine residue의 C-side를 짤라서

                   Peptidyl homoserine lactone을 형성한다(p115)

        ⅵ.Separation & Purification

        ⅶ.Sequence determination : Sequenator가 대개 40-60개의 N-terminal을 확인해나간다.

        ⅷ.Ordering the peptide fragments : 여러 세트의 sequence를 비교해서 정한다.

        ⅸ.Disulfide bond position 정하기 : Diagonal electrophoresis (staining은 Ninhydrin으로)

                partial protein digest sample을 종이에 streaking한다

                → Paper electrophoresis

                → Electrophoretogram의 가장자리를 잘라서 performic acid vapor에 노출시킨다

                    (S-S linkage가 SO3H 두 개로 산화)

                → 그것을 두 번째 종이에 붙여서 수직방향으로 또 electrophoresis

                → 대각선방향에 생기지 않은 녀석들이 바로 disulfide bond (그림 6-8)

        ⅹ.Mass spectrometry에 의한 Peptide sequencing : FAB(fast atom bombardment)기술

        ⅺ.Peptide mapping(Fingerprinting)

            ; mutation이나 화학적인 수정이 있는 경우

                α.paper chromatography와 paper electrophoresis의 결합하는 기술

                β.isoelectri focusing을 하고 SDS-PAGE를 해서 2차원 gel을 만드는 기술

　Chemical evolution

     *Sickle-cell anemia

        ⅰ.정상적인 경우의 hemoglobin인 HbA는 각 β-chain의 6번째 위치에

           Glutamic acid가 있으나, Sickle-cell anemia에서는 Valine으로 바뀌어 있다.

           → HbS가 된다.

        ⅱ.이는 malaria에 대한 저항성을 부여하는 것이다.

7.Three-Dimensional Structures of Proteins

1.Secondary Structure(2차구조)

  1)Helical structure

        ⅰ.pitch p : helix가 한 번 돌 때까지의 높이

        ⅱ.n : repeating unit, 한 번 돌 때마다 필요한 amino acid의 개수

      *α-helix는 3.6 peptide units per turn, pitch는 5.4A(옹스트롬)

        α나선의 안정화에 직접적으로 영향을 미치는 인자는 펩티드골격의 카르보닐산소와

        아마이드수소 사이의 수소결합이다.

        α나선에 흔히 나타나는 아미노산은 alanine, methionine, glutamine

  2)Beta structure

      : β회전부분에 흔히 나타나는 아미노산은 폴리펩티드사슬의 방향을 바꾸는 proline과

        부피가 작은 glycine이다.

        ⅰ.Antiparallel β pleated sheet : 인접한 수소결합 polypeptide chain이 반대방향으로

                (예)비단은 역평행β병풍구조로 되어있다.

        ⅱ.Parallel β pleated sheet : 수소결합 chain이 같은 방향으로 확장. 더 규칙적.

  3)Nonrepetitive structure : folding - coil conformation or loop conformation

2.Fibrous proteins : skin, tendon, bone

    - protective(보호) connective(결합) supportive(지지) 역할을 하는 structural material

  1)α Keratin : mammals(포유동물)

                조류나 파충류에서는 β Keratin!

        ⅰ.최대 310개의 residue로 된 polypeptide chain 두 개가 dimer coil 형성

        ⅱ.dimer coil이 head-to-tail로, antiparallel로 Protofilament 형성

        ⅲ.Protofilament 두 개가 Protofibril 형성

        ⅳ.Protofibril 네 개가 Microfibril 형성 → Macrofibril → Hair

  2)Silk Fibroin : β pleated sheet, 6-residue(Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala)가 반복

  3)Collagen : triple helical cable(세가닥으로 꽈)

        ⅰ.결합조직-bone, teeth, cartilage, tendon, ligament, 혈관

        ⅱ.1/3정도가 Glycine, 15-30%가 Proline and 4-hydroxyproline

                α.preprocollagen이 ribosome에서 만들어진 후

                β.signal peptide가 떨어져 나가면서 procollagen이 되고

                γ.proline과 lysine잔기에 히드록시화효소에 의해 히드록시화 수식이 일어난다

                   이때 ascorbic acid(Vitamin C)가 필요하다.

                δ.여기에 당류(galactose, glucose)가 첨가된다.

                ε.procollagen사슬이 3개씩 모여 우선성으로 삼중나선구조를 이룬 후

                   세포밖으로 방출되며

                ζ.세포밖에서 procollagen peptide 가수분해효소에 의해 N-말단과 C-말단이

                   제거되면서 tropocollagen이 완성된다.(콜라젠의 구조적 기본단위다)

                η.tropocollagen이 모여 교차결합을 형성하여 fibril(원섬유)을 만들고

                   collagen fiber가 된다!

        ⅲ.괴혈병의 경우 ascorbic acid의 결핍으로

            procollagen의 히드록시화가 정상속도로 일어나지 않아

           결함있는 collagen이 생성됨으로써 발생한다.

  4)Elastin : nonrepetitive coil (lung, 대동맥같은 큰 혈관의 벽, 목의 elastic ligament)

        ⅰ.1/3이상이 Alanine+Valine, 1/3이 Glycine, Proline도 풍부

        ⅱ.3차원구조의 형성 :

                α.Desmosine & Isodesmosine : 3 allysine + 1 lysine 의 축합

                β.Lysinonorleucine : allysine, lysine의 side chain의 축합으로 형성된

                                    Schiff base(imine bond)의 환원.

3.Globular proteins

  1)Tertiary structure : secondary structural element가 folding되어 3차원적으로 재편성

    3차구조를 이루는 정보는 이미 1차구조인 아미노산서열에 다 들어있다.

     *그림7-41을 반드시 참조(Sperm whale myoglobin)

        ⅰ.Globular protein은 αHelix와 βSheet를 모두 가질 수 있다.

        ⅱ.Polarity(극성)에 따라 side chain 위치가 변한다

           - Globular protein의 primary structure는 repeating sequence가 없다

                α.Nonpolar residue(Valine, Leucine, Isoleucine, Methionine, Phenylalanine)

                   - hydrophobic interaction 때문에 단백질의 안쪽부분에 나타난다

                β.Polar, charged residue - 단백질의 표면에 나타난다

                   (Arginine, Histidine, Lysine, Aspartic acid, Glutamic acid)

                γ.Polar, uncarged residue

                   (Serine, Threonine, Asparagine, Glutamine, Tyrosine, Tryptophan)

                   - 대개 단백질 표면에 나타나지만, 종종 내부에 나타나 수소결합을 한다.

        ⅲ.Large Polypeptide는 Domains(globular cluster)를 형성한다 →bi or multilobal

           :Domains는 각각이 globular protein의 성질을 갖는 구조적으로 독립한 unit다

        ⅳ.Supersecondary structure가 구조적, 기능적 역할을 한다(그림7-48)

                α.βαβmotif : right-handed crossover connection

                β.βhairpin motif : antiparallel βsheet

                γ.ααmotif : antiparallel αhelix

                δ.βbarrels

4.Protein stability

  1)Electrostatic forces

        ⅰ.Ionic interaction은 강하지만 단백질을 크게 안정화시키지는 못한다.

           *ion pair 또는 salt bridge : 반대전하를 가진 두 개의 ionic protein group의 결합

        ⅱ.Dipole-Dipole interaction은 약하지만 단백질구조를 안정화시킨다.

           *Van der Waals force에 의해 전기적으로 중성인 분자들 사이에 비공유결합

  2)Hydrogen bonding forces

  3)Hydrophobic forces : nonpolar한 물질이 물과 접촉하는 것을 최소화한다

        * Hydropathy : hydrophobic>0,  hydrophilic<0   → Hydropathic index(그림7-54)

  4)Disulfide bond : 단백질의 3차원적구조를 안정화시키지만, 세포질의 환원적인 화학적 특징

                    때문에 세포내의 disulfide bond의 안정도는 감소된다.

  5)Protein denaturation : 원래의 conformation을 유지시키는 약한 nonbonding force의 균형을

                         바꿈으로써 변성이 일어난다. 물론 primary structure는 그대로다!

        ⅰ.용액속의 단백질을 가열해주면 Optical rotation, Viscosity, UV absorption이 변한다.

           - 변성과정의 중간점에서의 온도를 melting point(Tm)이라고 한다.

        ⅱ.가열 이외의 변성조건

                α.pH의 변화는 amino acid side chain의 ionization state를 바꾼다.

                β.Detergents

                γ.수용성 organic substances의 높은 농도 : (예)aliphatic alcohol

5.Quaternary structure

  1)Subunit interaction

        ⅰ.Protomer : 동일한 subunit 각각.

        ⅱ.Oligomer : 동일한 subunit를 가진 단백질 : (예)Hemoglobin은 Oligomer중에 Dimer!

  2)Subunit composition의 결정

        ⅰ.Lactate dehydrogenase(LDH) : Tetramer

                α.M type은 skeletal muscle에 주로 있고

                β.H type은 heart tissue에 주로 있다

             - 5가지 Isozyme (M4, M3H, M2H2, MH3, H4)이 나온다.

        ⅱ.E. coli의 Aspartate transcarbamoylase(ATCase)

                α.catalytic subunit : c

                β.regulatory subunit : r

8.Protein Folding, Dynamics, and Structural Evolution

1.Protein Folding

  1)Protein renaturation : (예)RNAse A - 124residue의 single-chain protein

        ⅰ.reductive(환원적) denaturation : 2-mercaptoethanol을 포함한 8M urea(요소) 용액

                                         에서 4개의 disulfide bond가 완전히 깨졌다

        ⅱ.oxidative(산화적) renaturation : dialysis(투석)으로 요소를 제거하고, pH 8에서 산소

                                         에 노출시켰더니 최초의 RNAse A로 돌아갔다.

      *Protein Folding은 주로 Internal residue에 의해 결정된다.

       Primary structure가 Protein Folding의 Pathway(경로)를 결정한다.

        접혀진 단백질에서 단백질의 안정성에 열역학적으로 가장 크게 기여하는 인자는

        용매의 엔트로피변화(△S)이다.

  2)Folding Accessory protein의 역할

        ⅰ.Protein disulfide isomerase(PDI)는 Disulfide interchange reaction을 촉진한다

        ⅱ.Peptidyl Prolyl cis-trans isomerases(PPIs, rotamases)

           는 Proline앞의 cis-peptide bond의 형성을 촉진한다.

        ⅲ.Molecular Chaperones : 부적절한 Folding이나 단백질의 aggregation을 예방한다.

                α.Heat shock proteins 70 (Hsp70) - denaturation이나 단백질의 aggregation을

                                                    거스르는 기능을 한다.

                β.Chaperonins : large, multisubunit protein

                        ①Hsp60 protein - E. coli에서는 GroEL, 엽록소에서는 Cpn60

                        ②Hsp10 protein - E. coli에서는 GroES, 엽록소에서는 Cpn10

                γ.Nucleoplalsmins : in vivo에서 적절한 nucleosome의 assembly를 위해 필요.

9.Hemoglobin 

1.Hemoglobin(Hb)의 기능 : 혈장에서의 산소의 용해도가 낮기 때문에 특별한 산소운반체가 필요

        *Hb는 α2β2의 tetramer단백질(다시 말하면 αβprotomer의 dimer)이다.

          α subunit과 β subunit는 서로, 그리고 근육에 있는 역시 산소와 결합할 수 있는

          monomer 단백질인 Myoglobin(Mb)과 구조적, 진화적 관련성이 있다.

        *Hb이외의 산소운반체(alternative type)

          ;Hemocyanin(산소를 포함하면 blue가 되는 구리를 포함한 단백질)

           Hemerythrin(산소를 포함하면 버건디색이 되는 철을 포함한 nonheme단백질)

  1)Heme : Oxygen binding component

        ⅰ.1개의 Myoglobin, 또는 4개의 Hemoglobin subunit 각각은 모두 1개의 heme group에

           공유결합되어있다. Heme은 각각의 globin monomer가 산소 1분자와 결합하는

           장소이며, 혈액의 붉은 빛은 바로 heme 때문이다.

        ⅱ.Heme은 2개의 methyl기, 2개의 propionate기, 2개의 vinyl기를 가지고 있는

           ProtoporphyrinⅨ이 가운데 철 이온과 결합해 있는 구조다.

           철은 보통 Fe(Ⅱ)로 남아있으며 Fe(Ⅲ)으로 산화되면 methemoglobin(metHb), 또는

           metmyoglobin(metMb)이 된다. 마른 피의 갈색은 바로 metHb의 색이다.

           적혈구에는 methemoglobin reductase가 들어있어서 Fe(Ⅱ)로 환원시킨다.

                α.Protoporphyrin전구체는 : Glycine

                β.Porphyrine은 pyrrole이 nitrogen과 carboxyl group을 갖고 있어서

                   amphoteric하며, carboxyl group 때문에 ester나 salt를 형성한다.

        ⅲ.Hemoglobin의 4 ligand

                α.O2 : Heme에 있는 Fe atom과 배위결합

                β.H⁺ : Hb의 histidine에 있는 imidazole ring에 결합

                γ.CO2 : blood protein의 N-terminal amino group과 가역적으로 결합,

                         carbamates형성, carbaminohemoglobin생성.

                δ.BPG : deoxyHb과 tight하게 결합, Hb이 산소결합하는 능력을 감소

                         Hb의 중앙 움푹한 곳에 결합.

        ⅳ.Hb의 oxygen affinity를 조정하는 것

                α.CO2 : 조직에서 농도 증가하면 Hb이 결합하고있는 산소를 방출하도록 자극

                β.Cl^- : deoxyHb에 더 tight하게 결합

     *헴단백질(catalase, myoglobin, cytochrome c)

  2)산소 결합(그림9-3, 산소해리곡선 참조)

        ⅰ.Hb는 높은 분압이 되어야 산소와 결합(폐), 낮은 분압에서는 산소와 쉽게 분리(조직)

           ⇒Sigmoidal curve!

        ⅱ.Hill equation : Hill constant n

                n < 1 : negatively cooperative,  

                n = 1 : oxygen binding noncooperative, Myoglobin이 1개의 산소를 결합할 때.

                n > 1 : positively cooperative, Hemoglobin이 4개의 산소와 결합할때의 양상

                         Sigmoid curve를 나타냄.

  3)이산화탄소운반과 Bohr effect(pH의 영향)

        ⅰ.pH가 낮으면 결합 감소, 산소 해리(dissociation), pH가 상승하면 산소와 결합을 촉진

           모세혈관에서는 pO2(산소분압)이 낮아서 bicarbonate formation에 의해 생성된 proton

           이 Hb에게 잡힌다. 따라서 산소분자를 내려놓고, CO2운반을 촉진하게 된다.

        ⅱ.이산화탄소는 직접 산소결합을 조정하고, blood protein의 N-terminal amino group과

           결합하여 carbamates를 형성한다.

      *보통 혈액의 pH를 7.4로 유지하는 방법 : Respiration, 혈액중의 albumin(buffering기능)

  4)산소 결합에 대한 BPG(D-2,3-bisphosphoglycerate) effect

     *[전에는 DPG(2,3-diphosphoglycerate)라고 불렀다]

        ⅰ.두개의 인산기가 각각 -2씩, 카르복실기가 -1, 도합 -5의 전하를 갖는다.

        ⅱ.BPG는 산소와 해리된 deoxyHb과 1몰:1몰의 비율로 결합한다.(내부공동에 결합)

           ⇒BPG는 deoxy conformation을 유지함으로써 Hb의 산소친화도를 감소시킨다

        ⅲ.높은 고도에 올랐을 때 적응하는 기전은 BPG의 농도가 빠르게 증가하여 Hb의 산소

           친화도를 감소시키고, 따라서 모세혈관에서 Hb가 내려놓는 산소량을 증가시키기 때문

           빈혈이나 심폐부전으로 고생하는 환자의 저산소증(hypoxia)에도 비슷한 현상 나타남.

        ⅳ.Hb로부터 BPG가 떨어져나가면 산소에 대한 시그모이드형 포화결합곡선은

           직각쌍곡선이 되고, 산소친화도가 증가한다.

                *태아는 헤모글로빈을 태반을 통하여 모체의 헤모글로빈으로부터 산소를

                 받는다. 즉 모체의 헤모글로빈이 태아보다 BPG와 더 강하게 결합한다.

2.Structure and Mechanism

  1)Myoglobin의 구조 : A-H까지 8개의 Helix로 되어있으며 각각 짧은 polypeptide segment로

                       연결되어있다. 모두 153residue, Monomer!(tertiary structure)

        ⅰ.proximal histidine F8 : Heme Fe와 배위결합.

        ⅱ.distal histidine E7 : hydrogen bonding 으로 존재

        ⅲ.산소와 친화력이 높다(n=1, noncooperative) : simple hyperbolic curve

        ⅳ.빠르게 호흡하는 근육에서 oxygen transport를 촉진시키는 역할

                -mitochondria에 산소 운반, 결합된 산소를 세포내에 저장

        ⅴ.잠수하는 포유류(고래)의 근육에 다량 존재

      *pI value 6.8 : buffer effect(histidine)

  2)Hemoglobin :

        ⅰ.Tetramer : αchain(141amino acid) βchain(146amino acid)

        ⅱ.Oxyhemoglobin과 Deoxyhemoglobin - conformation에 차이가 있다.

                α.T state(tense, 긴장형) : deoxyHb의 quaternary conformation

                                          사슬간의 정전기적 상호작용에 의해 구성.

                β.R state(relax, 이완형) : oxyHb의 quaternary conformation.

                                         훨씬 compact하다.

            *산소와 결합시 T state에서 R state가 되면서 Porphyrin ring이 펴지면서 proximal

             histidine과의 거리가 짧아진다.

        ⅲ.산소에 대한 친화력이 낮다(n>1, positive cooperative) : sigmoid curve

        ⅳ.폐로부터 조직으로 산소를 운반하고 조직에서 폐로 이산화탄소운반

        ⅴ.척추동물의 적혈구내에 다량 존재하며

           세망내피계(Reticulo-endothelial system)에서 대사된다.

3.비정상 Hemoglobin

  1)Hemoglobin의 분자병리학

        ⅰ.surface residue의 변화 : (예)HbE

           ;hydrophilic portion의 amino acid에서의 mutation, 특정기능이 없는 residue가 됨

        ⅱ.Changes in internally located residues

           ;hydrophobic portion의 amino acid에서의 mutation, Hb구조를 불안정화.

            → 이 불안정한 Hb의 파괴생성물이 granular precipitate를 형성(Heinz bodies)

            적혈구세포막 흡착  → 세포막 투과성 증가  → premature cell lysis유발

            → hemolytic anemia(용혈성빈혈)

        ⅲ.Changes stabilizing Methemoglobin

           ;Fe(Ⅲ)산화상태에서 heme을 안정화시키는 산소결합 site에서의 변화는 defective

            subunit에 산소가 결합하지 못하게 한다. HbM(methemoglobinemia)

            → 동맥혈에 deoxyHb이 존재, cyanosis(청색증)을 일으킨다

           *Hb Boston : distal histidine이 tyrosine으로 변화

        ⅳ.Changes at the α1-β2 contact : Hb의 4차구조변화를 방해

  2)Sickle cell anemia - Sickle cell hemoglobin(HbS)

        ⅰ.정상적인 Hb의 hydrophilic surface 아미노산인 Glutamic acid A3(6)β가

            hydrophobic(소수성의) Valine으로 치환

        ⅱ.Hemolytic anemia

                α.O2 binding에 있어서 active group인 Glu가 치환됨으로써 deoxyHb가 된다.

                β.deoxyHbS가 용해도차이에 의해 rigid한 fiber로 aggregation.

                   → 적혈구를 파열시켜 뚫고 나온다

        ⅲ.Advantage : Malaria에 저항성을 갖는다

                       Malaria는 적혈구내부에 [K]가 높아야하는데, 이 sickle cell anemia의

                       경우에는 Na/K pump가 없어 내외가 같은 [K], [Na].

4.Allosteric regulation : Hb의 산소와의 결합반응

  1)Symmetric model - 저친화성과 고친화성의 중간형태는 없다

  2)Sequential model - 중간형이 존재, 한 분자의 산소가 저친화성의 소단위체와 결합하면

                       이 결합이 고친화성소단위체의 형성을 유도한다.

10.Sugars and Polysaccharides  *Sakcharon은 그리스어로 sugar!

1.Monosaccharides(단당류, simple sugar)

  :적어도 3개 이상의 탄소를 함유하는 Polyhydroxy alcohol의 aldehyde 또는 ketone 유도체.

  1)분류  :carbonyl기가 aldehyde면 aldose, ketone이면 ketose

                α.aldose가 탄소를 6개 가지고 있으면 2의 4승개 즉 16개의 stereoisomer발생

                    *D-glucose는 천연에 단당류로 존재하는 유일한 aldose다.

                     D-mannose, D-galactose는 탄소1개에 관하여 configuration이 다르므로

                     D-glucose와 epimer!

                β.ketose가 탄소를 6개 가지고 있으면 2의 3승개 즉, 8개의 stereoisomer발생

                    *D-fructose

  2)configuration and conformation

        ⅰ.Alcohol이 aldehyde의 carbonyl기와 반응하면 hemiacetal

           Alcohol이 ketone의 carbonyl기와 반응하면 hemiketal

        ⅱ.cyclic ring구조를 형성하면 그 치환기들을 Haworth projection formulas로 나타낸다.

                α.6-membered ring을 가진 sugar는 Pyranose

                    *Pyranose ring은 cyclohexane처럼 boat형, 또는 chair형 conformation형성

                  5-membered ring을 가진 sugar는 Furanose

                β. cyclic sugar는 두 개의 anomeric form을 갖는다.

                        ①1번탄소에 OH가 아래로 붙으면(CH2OH와 반대쪽이면) α anomer

                        ②1번탄소에 OH가 위로 붙으면(CH2OH와 같은쪽이면) β anomer

                    Anomer는 물리적, 화학적 특성이 다르다. Optical rotation이 다른 α, β

                    glucose를 물에 녹이면 평형에 도달하는 것을 mutarotation이라고 한다.

                γ.Pyranose에서 OH가 equatorial일 때가 axial일 때보다 ester화가 더 잘된다.

  3)Sugar derivatives : Polysaccharide는 glycosidic bond에 의해서 형성된다.

        ⅰ.Oxidation-reduction reaction

                α.aldose의 aldehyde그룹이 COOH로 산화 : aldonic acid(예;gluconic acid)

                β.aldose의 alcohol그룹이 COOH로 산화 : uronic acid

                        (예)D-Glucuronic acid, D-Galacturonic acid, D-Mannuronic acid

                γ.aldonic acid나 uronic acid가 내부적으로 ester를 형성, lactone을 생성

                        (예)L-ascorbic acid

                δ.aldose나 ketose가 환원 : alditol

                        (예)D-Ribitol, D-Xylitol, myo-Inositol, D-glycerol

        ⅱ.그밖의 중요한 derivatives

                α.Deoxy sugar(OH가 H로 대치된 단당류) : D-2-deoxyribose가 가장 중요

                β.Amino sugar(하나 이상의 OH가 amino group으로 대치)

                        (예)D-Glucosamine, D-Galactosamine

                     *N-acetylmuramic acid(N-acetylglucosamine + D-lactic acid) :

                        ;bacterial cell wall component

                      *N-acetylneuraminic acid : glycoprotein constituent

2.Polysaccharide (Glycan)

  1)Carbohydrate analysis : Affinity chromatography - sugar binding protein인 ‘Lectin’이용

        Concanavalin A : α-D-glucose, α-D-mannose와 특이적으로 결합

        Agglutinin : β-N-acetylmuramic acid, α-N-acetylneuraminic acid와 특이적결합.

  2)Disaccharides

        ⅰ.Maltose : Glucose + Glucose(α1,4)  Cellobiose : Glucose + Glucose(β1.4)

                Maltose는 free anomeric carbon 때문에 환원력이 있다.(정량가능)

        ⅱ.Sucrose : Glucose + Fructose(α1,2) Lactose : Galactose + Glucose(β1.4)

                Sucrose를 D-glucose와 D-fructose로 가수분해하면 optical rotation이

                D에서 levo로 변화한다.(invert sugar)

                그래서 가수분해효소 α-D-glucosidase를 invertase라고 한다.

  3)Structural polysaccharides

        ⅰ.Cellulose : 15000개에 이르는 D-glucose residue가 β(1,4)glycosidic bond로 연결된

                     linear polymer. 척추동물들은 그 분해효소 cellulase를 갖고 있지않으나

                     초식동물은 장내에 공생하는 미생물이 cellulase를 분비!

        ⅱ.Chitin : 거미, 곤충같은 무척추동물의 외골격성분.

                   N-acetyl-D-glucosamine의 β(1,4) linked homopolymer

  4)Storage Polysaccharides

        ⅰ.Starch : α-amylose(glucose의 α1,4 linked linear polymer)

                   + amylopectin(α-amylose에 α1,6 branch가 연결)

                α.α-amylase : α1,4 결합을 분해,

                                maltose(이당류) maltotriose(삼당류) dextrin(oligosaccharide)

                β.α-dextrinase(debranching enzyme) : α1,6 이나 α1,4 결합을 분해

        ⅱ.Glycogen : animal starch

                α.amylopectin과 유사한 구조지만 더 branched되어있다.

                β.glycogen phosphorylase에 의하여 α1,4결합이 분해되어 glucose-1-phosphate

                   가 되며 α1,6 결합은 debranching enzyme에 의해 분해된다.

  5)Glycosaminoglycan(mucopolysaccharide)

    ;결합조직의 collagen이나 elastin fiber가 끼어있는 gel-like ground substances 성분

        ⅰ.Hyaluronic acid : synovial fluid, 눈의 vitreous humor의 성분

                β(1,3) bond로 연결된 D-glucuronic acid와 N-acetyl-D-glucosamine의

                disaccharide가 β(1,4) link로 계속 연결된 형태

        ⅱ.Chondroitin-4-sulfate : cartilage 등 결합조직의 성분

                -Hyaluronic acid의 N-acetyl-D-glucosamine자리에

                 N-acetyl-D-galactosamine-4-sulfate가 들어가있다.

        ⅲ.Heparin : 결합조직성분이 아니다! 간이나 폐, 피부의 동맥벽에 있는 mast cell의

                    intracellular granule에서 생기며 혈액의 응고를 방지한다.

3.Glycoproteins : 대부분의 protein은 carbohydrate와 covalent bond되어있는 glycoprotein이다.

  1)Proteoglycans(mucoproteins)

        ⅰ.Proteoglycan의 subunit는 keratan sulfate, chondroitin sulfate같은 glycosaminoglycan

          이 core protein에 covalent bond되어있는 형태다.

        ⅱ.Core는 세가지 saccharide binding region을 가지고 있다.

                α.inner region : N-linked oligosaccharide (asparagine의 N)

                β.central region : O-linked oligosaccharide (Serine, Threonine의 O)

                γ.outer region : chondroitin sulfate chains(O-linked)

        ⅲ.Proteoglycan은 Protein Growth factor의 효과를 조절한다.

  2)Bacterial cell wall

        ⅰ.bacterial cell wall 은 hypotonic한 환경에서도 살 수 있도록 매우 rigid하다.

                α.cell wall이 virulence를 나타낸다.

                β.antigen은 cell wall성분으로 cell wall만 넣어주어도 immunity가 일어난다.

        ⅱ.Peptidoglycan framework(murein)

                α.다당류성분: N-acetylglucosamine(NAG)&N-acetylmuramic acid(NAM)

                β.N-acetylmuramic acid의 lactic acid residue가 tetrapeptide와 amide bond.

                        *tetrapeptide가 Staphylococcus aureus에서는

                        L-alanine, D-isoglutamate, L-lysine, D-alanine

                γ.tetrapeptide사이를 pentaglycine이 연결

             *Lysozyme은 NAG와 NAM사이의 β(1,4) glycosidic bond를 가수분해

             *Penicillin from Penicillium notatum : 세포벽합성을 저해하여 세균을 죽인다

                ;Penicillinase를 분비하여 Penicillin의 β-lactam ring을 가수분해,

                 Penicillinoic acid로 변환시키면 Penicillin에 저항성을 갖게된다.

                 →이때에는 반합성페니실린인 ampicillin을 쓴다

        ⅲ.그람양성균은 cell wall에 teichoic acid를 갖고 있다.

          그람음성균은 cell wall과 plasma membrane사이에 periplasmic space가 있고,

          lipopolysaccharide, protein, phospholipid등의 복잡한 구조를 가지고 있다.

          O-antigen도 있다.

  3)Glycoprotein structure and function

        ⅰ.N-linked glycoprotein은 매우 다양한 glycoform을 갖는다.(RNaseB, GM-CSF)

        ⅱ.O-linked glycoprotein은 protective function을 수행한다.

                α.Mucus의 단백질성분인 mucin은 점막을 보호하고 윤활.

                    -생리적농도에서 intertangled network를 형성, viscoeleastic gel을 구성.

                β.Eukaryotic cell의 glycolipids(glycocalyx)

        ⅲ.Oligosaccharide markers

           ;cell membrane의 integral protein에 carbohydrate가 붙어있는 형태,

                α.cell의 항원성을 결정한다(동일하면 장기이식가능)

                 →ferritin에 conjugated된 lectin으로 glycoprotein을 label, 현미경에서 관찰(Fe)

                β.contact inhibition : 정상세포는 서로 닿으면 성장을 멈춘다

                    cancer cell은 정상세포와 glycoprotein의 분포에서 차이를 보이며,

                    contact inhibition을 일으키지 않는다(malignant tumor)

Chapter 11. Lipids and Membranes

   *Lipid의 정의 : water insoluble, oily or greasy organic substances that are extractable from

                  cells by chloroform or ether

        ①major fuels for organism      ②components of cell membrane

1.Lipid classification

  1)Fatty acid : long chain hydrocarbon을 side group으로 가진 carboxylic acid

        ⅰ.saturated fatty acid : carbon 수가 많을수록 mp가 높다

                α.C12 : Lauric acid     β.C14 : Myristic acid   γ.C16 : Palmitic acid

                δ.C18 : Stearic acid    ε.C20 : Arachidic acid

        ⅱ.unsaturated fatty acid : double bond가 많을수록 mp가 낮다

                α.C16(1) : Palmitoleic acid      β.C18(1) : Oleic acid

                γ.C18(2) : Linoleic acid         δ.C18(3) : α-Linolenic acid

                ε.C18(4) : γ-Linolenic acid     ζ.C20(4) : Arachidonic acid

                η.C20(5) : EPA(Eicosapentanoic acid)

      *fatty acid double bond는 항상 cis configuration을 갖는다.

  2)Triglycerides(Triacylglycerols) : glycerol + 3fatty acid (esterification), 중성지질!

        ⅰ.classification

                α.simple triacylglycerols : 1가지 type의 fatty acid로 된 것.

                        (예)Tristearoylglycerol(tristearin) : 3개의 stearic acid

                β.mixed triacylglycerols : 다른 type의 fatty acid로 된 것

        ⅱ.Triacylglycerol은 에너지저장형으로 기능한다.

                α.Fat은 에너지를 저장하는데 있어 매우 효과적인 형태이다.

                    ;glycogen이 physiological condition에서 자신의 무게의 두배가 되는 물과                       결합하여 존재하는 반면, Fat은 nonpolar, 무수형태로 저장,

                      → glycogen보다 6배 많은 에너지를 저장.

                β.Adipocyte (fat cell) → Adipose tissue(피하조직층, 복강에 풍부)

                γ.Fat 함량은 남자 21%, 여자 26%로 2-3개월의 기아에도 생존할 수 있게한다.                   glycogen은 하루정도의 단기간동안만 대사에너지를 공급할 뿐이다.

  3)Glycerophospholipids(Phosphoglycerides=Phospholipids)

        ⅰ.biological membrane의 주요 lipid 구성성분(polar lipid)

                α.sn-glycerol-3-phosphate로 이루어져있다.

                   ;그 C1, C2위치에서 fatty acid와 esterify되어있고, 그 phosphoryl group에는                     group X가 esterify되어있다.

                β.따라서 nonpolar aliphatic tail과 polar phosphoryl-X head를 가진

                   amphiphilic molecule이다. (polar head는 polar alcohol에서 유래)

        ⅱ.Name of X-OH & Name of Phospholipid

                α.Water : Phosphatidic acid(가장 단순한 형태)

                β.Ethanolamine : Phosphatidylethanolamine

                γ.Choline : Phosphatidylcholine(Lecithin)

                δ.Serine : Phosphatidylserine

                ε.myo-Inositol : Phosphatidylinositol

                ζ.Glycerol : Phosphatidylglycerol

                η.Phosphatidylglycerol : Diphosphatidylglycerol(cardiolipin)

  4)Sphingolipids : Sphingosine(C18 amino alcohol) + fatty acid + others

      *Ceramide : Sphingosine의 N-acyl fatty acid derivative, 주로 sphingolipid의 기본구조

        ⅰ.Sphingomyelin(Sphingophospholipid) 가장 흔한 형태

                α.phosphocholine 또는 phosphoethanolamine이 결합되어있는 ceramide

                β.nerve axon을 둘러쌓아 보호역할하는 membrane인 myelin sheath에 많다.

        ⅱ.Cerebroside : 가장 간단한 sphingoglycolipid, phosphate group이 없어서 nonionic.

                        single sugar로 구성된 head group을 가진 ceramide

                α.Galactocerebroside : β-D-galactose head group을 가지는 것,

                                      brain의 neuronal cell membrane에 풍부하게 존재

                β.Glucocerebroside : β-D-Glucose head group을 가진 것

        ⅲ.Ganglioside : Sphingoglycolipid의 가장 complex한 group.

                α.최소한 1 개의 sialic acid에 여러 sugar group을 가진

                   ceramide oligosaaccharide.

                β.cell surface의 주요성분이며 brain lipid의 주요 fraction.

                   -뇌하수체의 glycoprotein hormone에 대한 receptor기능.

                γ.Cholera toxin같은 것에 대한 receptor

                δ.Cell-cell recognition에 있어 특정한 determinants이기도 하다.

                   → tissue의 성장과 분화에 중요한 역할, carcinogenesis에도 한 몫.

             *Sphingolipid storage disease(Tay-Sachs disease)

               ;ganglioside분해장애로 ganglioside가 축적, 뇌에 damage!

  5)Cholesterol : steroid hormone의 전구물질

        ⅰ.Steroid : cyclopentanoperhydrophenanthrene의 유도체로 eukaryotes에 존재

        ⅱ.Cholesterol : 동물에 가장 풍부한 steroid

                α.C3의 OH group과 C17의 8-10개탄소 branched aliphatic side chain이 존재 

                   → sterol로서 분류!

                β.동물세포막과 subcellular organelle membrane의 주요성분

                   Cholesterol은 membrane특성의 주요결정요인인데, 그 polar OH group이

                   약한 amphiphilic character를 주고 fused ring system이 rigidity를 준다.

             *식물세포막의 가장 흔한 sterol component : Stigmasterol, β-sitosterol

              Yeast나 fungi는 ergosterol!

2.Properties of Lipid Aggregates(덩어리를 형성하여 membrane을 형성하는 성질)

  1)Micelles and Bilayers

        ⅰ.polar, nonpolar site가 한 분자내에 존재하는 amphiphilic molecule은 수용액에서

           micelle을 형성한다. hydrophobic한 nonpolar hydrocarbon이 물에 닿지 않도록

           안쪽으로 aggregate된 globular form이며, hydrophilic한  polar head group이

           solvation하도록 arrangement된 형상이다.

                α.amphiphile의 농도가 critical micelle concentration이상이 되어야 micelle형성

                β.single tailed lipid는 micelle을 형성한다.

        ⅱ.Glycerophospholipid와 Sphingolipid는 lipid bilayer를 형성한다.(2 hydrocarbon tail)

  2)Liposomes : 인위적으로 만든 bilayer.

     물에서 phospholipid의 suspension은 lipid bilayer의 양파같은 arrangement를 가지는

     multilamellar vesicle을 형성, Sonication을 하면 rearrangement되어 liposome형성!

        ⅰ.특징 : closed self-sealing, solvent-filled vesicle (single bilayer)

        ⅱ.Lipid bilayer는 대부분의 ionic and polar substance에 impermeable!

                 *Liposome은 목적물질(drug)의 carrier로 약제학적인 이용

                  -Phospholipid를 ethanol등에 녹인 후, 이 solution을 drug(solvent)에 넣으면                    안쪽에 drug이 들어가 sealing되어 liposome형성!

        ⅲ.Lipid bilayer는 two-dimensional fluid(유동성)

                α.transverse diffusion(flip-flop) : phospholipid 한분자가 반대편으로 이동, 느림

                β.lateral diffusion : 옆으로 이동, 빠름

        ⅳ.Bilayer의 fluidity는 온도에 따라 변한다.

                α.transition temperature : bilayer의 모양이 변하는 온도

                        그 이상에서는 유동성증가, liquid crystal.

                        그 이하에서는 유동성감소, gel-like solid.

                β.transition temperature는 chain length와 fatty acid의 saturation정도에 따라                    변화한다. 대부분의 biological membrane의 transition temperature는

                   10-40도이다.

3.Biological membranes

         *Mitochondrial inner membrane에 protein76%, lipid24%로 단백질함량이 높은 것은  

          Kreb cycle에 관계되는 모든 enzyme이 존재하기 때문이다.

          동물세포막에는 다량의 phosphoglyceride가 있고 sphingolipid의 함량은 적다.

  1)Membrane Protein

        ⅰ.integral or intrinsic protein : hydrophobic force에 의하여 membrane에 tight한 결합

                α.막을 파괴하는 agent(SDS)로 분리가능.

                β.amphiphilic! 

             *Glycophorin A - 3개의 domain을 갖는 erythrocyte transmembrane protein

        ⅱ.Peripheral or extrinsic protein : electrostatic interaction과 hydrogen bonding에 의해

                                         membrane surface에 associate(binding이 아니래)

                α.high ionic strength salt solution, pH change, metal chelating agent등에

                   노출시켜 분리.

                β.Cytochrome C

  2)Fluid Mosaic Model of Membrane structure

        ⅰ.Cell membran은 polar lipid로 구성된 bilayer

                α.cell temperature에서 hydrophobic tail의 일부가 fluid인

                   unsaturated fatty acid 함유

                β.integral protein은 표면에 hydrophobic amino acid의 R group을 함유

                   bilayer중앙의 hydrophobic portion에 용해된다

                   마치 2차원의 lipid바다에 떠있는 빙산과 같다!

                γ.peripheral protein은 표면에 hydrophilic amino acid의 R group을 함유

                   bilayer의  polar portion과 electrostatic attraction

        ⅱ.membrane lipid는 asymmetric distribution!

                α.bilayer의 지질분자사이 또는 단백질과 지질사이에는 공유결합이 없다.

                β.plasma membrane의 내외 polar lipid composition이 다르다

                γ.membrane protein은 측면이동(laterally move)가능

                   일부 transport system은 한쪽방향으로만 가능(Na/K transporting ATPase)

        ⅲ.outer surface에는 다량의 glycolipid, glycoprotein이 존재

     *Fluid Mosaic Model을 증명하기 위한 실험

        Mouse cell과 Human cell을 Sendai virus로 처리하여 fusion

        (mouse cell은 green-fluorescing marker, human cell은 red-fluorescing marker)

        → Heterokaryon(hybrid cell) : human cell DNA, mouse cell DNA 모두 공유

        → 37도에서 40분  → intermingled protein(protein의 diffusion)

        → Membrane protein의 dynamic fluidity를 알 수 있다.

     *Freeze-fracture and Freeze-etch technique

        전자현미경을 통해 직접 membrane protein을 관찰할 수있다.

  3)Erythrocyte Membrane : Hemoglobin의 membranous bag

        ⅰ.다른 membrane에 비해 단순하고 분리가 쉬워서 이용이 쉽다.

                α.integral protein : transmembrane protein

                    *Glycophorin A - RBC membrane의 integral protein

                        ․polar한 portion은 밖으로 돌출해있다(72amino acid)

                        ․blood group recognition site인 sugar bearing end가 표면에 존재

                           (O-linked, N-linked oligosaccharide)

                        ․blood type에 특이성을 가지는 blood group antigen함유

                           (항원성의 기본물질)

                β.peripheral protein : membrane 내층에 존재

                        *actin, ankyrin, tropomyosin

                         spectrin(RBC membrane을 지지하는 골격역할)

        ⅱ.CO2운반을 위해 HCO3-와 Cl-에 대해 투과성이 있다.(anion channel)

  4)ABO Blood Group

        -erythrocyte surface sphingoglycolipid의 성분인 A, B, H antigen의 세가지

         blood group substance로 구성된 system

  5)Gap junction

        ⅰ.인접한 cell사이의 물질의 이동이 이루어질 수 있게하는 통로역할

                α.태아의 성장을 매개하는 물질의 도관기능도 있다

                β.혈관으로부터 먼 cell의 영양공급통로, 심장과 소화관 근육세포에 존재

        ⅱ.[Ca]농도에 따라 직경이 변화한다

                [Ca] ↑ → 직경 ↓,   [Ca] ↓ → 직경 ↑

4.Lipid-linked Proteins and Lipoproteins

  1)Lipid-linked protein : 세가지 lipid에 단백질이 covalent attachment 

        ⅰ.Prenylated protein : 다양한 단백질이 isoprenoid group에 covalent attachment

                              주로 C15(farnesyl) C20(geranylgeranyl) residue

                *GTP-binding protein(G protein)

                   -lipid를 이용해 anchor되어있어야 기능을 나타낸다.

                    adenylate cyclase와 receptor를 연결시켜 cell signal transduction에 관여!

        ⅱ.myristic acid(C14) and palmitic acid(C16) residue같은 fatty acyl group에 공유결합

                *fatty acyl group은 단백질을 위한 membrane anchor역할

        ⅲ.GPI(Glycosylphosphatidylinositol)-linked protein

            -GPI group이 다양한 protein을 eukaryotic plasma membrane의 외부표면에 anchor

 2)Lipoprotein : Protein, phospholipid, cholesterol의 amphiphilic coating에 의해 둘러쌓인,

                Triacylglycerol과 Cholesteryl ester의 nonpolar core로 구성된

                globular micelle-like particle! (lipid와 polypeptide사이에 noncovalent linkage)

             *이 Lipoprotein의 protein성분을 apolipoprotein or apoprotein이라고함.(수용성)

        ⅰ.기능 : 혈액내에서 lipid를 운반하는 운반체.

                 혈장내에서 triacylglycerol과 cholesterol에 대한 transport vesicle이다.

        ⅱ.종류

                α.Chylomicron : 매우 엷은 단백질피막으로 둘러쌓인 거의 순수한

                                 triacylglycerol의 기름방울.

                        -exogenous(외부에서 섭취한) triacylglycerol, cholesterol을 장에서

                         조직으로 운반한다.

                β.VLDL(very low density lipoprotein) IDL(intermediate density lipoprotein)

                  LDL(low density lipoprotein)

                        -endogenous(간에서 합성된 내인성) triacylglycerol, cholesterol을

                         간으로부터 조직으로 운반(간은 과잉의 탄수화물에서 TG합성)

                γ.HDL(high density lipoprotein)

                        -조직에서 간으로 endogenous cholesterol을 운반.

  3)Cells take up cholesterol through Receptor-mediated Endocytosis of LDL

        ⅰ.cell-surface transmembrane glycoprotein은 apoB-100또는 apoE와 특이적결합

        ⅱ.Chylomicron remnant도 apoE와 특이적으로 결합하는 remnant receptor에 의해

          매개되는 endocytosis에 의해 흡수된다.

        ⅲ.과잉의 intracellular cholesterol은 Acyl-CoA:cholesterol acyltransferase(ACAT)의

           작용에 의하여 cell내에 저장되기 위해 reesterification된다.

  4)Atherosclerosis(죽상경화증) - Atheroma(죽종)

        ⅰ.inner arterial wall의 smooth muscle cell에 intracellular lipid가 침착되면서 시작

           → 점차 fibrous, calcified plaque가 된다.

           → 마침내 좁아지면서 동맥을 막는다.

           → 혈류의 폐색: infarction(경색)

        ⅱ.Plasma cholesterol level과 밀접한 관련 - Familial hypercholesterolemia(FH)

            ;Deficient LDL receptor가 원인

                α.LDL receptor의 결여로 분해율감소

                β.LDL receptor의 IDL흡수기능부전으로 IDL 합성율증가

12.Introduction to Enzymes

1.의의:생명체를 구성하는 다양한 생화학반응은 거의 대부분 Enzyme이라고 불리는 일련의

      생물학적 촉매에 의하여 매개된다. Enzyme은 다른 화학적 촉매와 비교하여 몇가지

      중요한 점에서 다르다.

  1)Higher reaction rates : 효소촉매반응은 촉매를 사용하지 않는 반응에 비해 10의 6승내지

                          12승정도 빠르고, 다른 화학촉매에 비해서도 훨씬 빠르다

  2)Milder reaction conditions : 100도 이하의 온도, 대기압정도의 기압, 그리고 거의 중성 pH

  3)Greater reaction specificity : Enzyme은 Substrate(기질)과 Product(생성물)사이의 identity에

                               에 있어서 특이성이 있고, side product가 거의 안생긴다.

  4)Capacity for regulation : substance의 농도에 따라 효소의 촉매activity가 변한다.

2.Substrate specificity : noncovalent force에 의해 substrate와 다른 분자들이 enzyme에 결합

                    - van der Waals, electrostatic, hydrogen bonding, hydrophobic interaction

  1)Stereospecificity : Enzyme은 chiral substrate와 결합하고, 그 반응을 촉매하는데 있어

                     특이적. Enzyme은 고유의 chirality 때문에 asymmetric active site를 형성.

        ⅰ.Trypsin은 L-amino acid로 구성된 polypeptide만 가수분해, D체는 가수분해 못함

        ⅱ.YADH(yeast alcohol dehydrogenase)는 Ethanol을 Acetaldehyde로 분해하는 반응을            촉매, EtOH을 Deuterium으로 처리하면 생성물인 NADH도 deuterium이 나타난다.

  2)Geometric specificity : Substrate에 있는 chemical group의 identity에 대하여 선택적이다.

        ⅰ.몇 가지 효소는 절대적으로 하나의 화합물에 대해서만 특이적이다.

        ⅱ.대부분의 효소는 관련된 화합물에 대해 어느정도 범위의 허용성이 있다

                *YADH는 ethanol외에도 1급, 2급 알콜을 aldehyde나 ketone으로 산화시키는 것                 을 촉매하지만 효율적이지는 않다. methanol이나 isopropanol도 촉매한다.

        ⅲ.어떤 효소는 전혀 특이성이 없기도 하다.

                *Chymotrypsin은 peptide bond의 가수분해를 매개하는데, ester bond를 가수분                 해하기도 한다.

3.Coenzymes : Enzyme이 촉매작용을 할 수 있는 것은 오로지 Enzyme의 chemical teeth로서

              작용하는 Cofactor와의 관련하에서만 가능한 것이다.

  1)용어;

        ⅰ.Cofactor는 아연같은 metal ion일 수도 있고, 유기분자일 수도 있는데, 이 유기분자

           Cofactor를 Coenzyme이라고 한다. (Cofactor∋Coenzyme)

        ⅱ.Holoenzyme : catalytically active enzyme-cofactor complex

        ⅲ.Apoenzyme : active holoenzyme에서 cofactor가 제거된 inactive한 상태

                *Apoenzyme(inactive) + cofactor ⇄ holoenzyme(active)

  2)common coenzyme의 종류 및 관련 반응

        ⅰ.Biotin : Carboxylation

                α.Pyruvic acid(C3)가 carboxylation되어 Oxaloacetic acid(C4)로 전환되어

                   골격탄소수가 하나 증가하는 반응에서(ATP의존성)

                β.Acetyl-CoA가 carboxylation되어 Malonyl-CoA로 전환될 때

                    *Malonyl-CoA는 지방산생합성의 중간체이므로

                     Biotin이 결핍되면 지방산생합성에 지장이 생긴다.

        ⅱ.Cobalamine(B12) coenzyme : Alkylation

                α.Homocysteine으로부터 Methionine으로 전환되는 반응에서

                   methyl기 전달효소의 보조효소로 작용

                   (식물과 세균에서는 Homocysteine으로부터 Methionine을 생합성하지만,

                    동물에서는 Methionine으로부터 Homocysteine을 만든다.

                    따라서 Methionine은 필수아미노산!)

                β.Methyl Malonyl-CoA로부터 Succinyl-CoA로의 이성질화반응에서

                   Adenosylcobalamine이 보조효소로 작용

        ⅲ.Coenzyme A : Acyl transfer

        ⅳ.Lipoic acid : Acyl transfer

        ⅴ.Flavin coenzyme(FAD, FMN) : Oxidation-reduction

                α.산화형 : 가시광선영역에서 최대흡수파장 450nm인 노란색

                β.세미퀴논형 : 최대흡수파장 570nm인 파란색

                γ.환원형 : 무색

        ⅵ.Nicotinamide coenzyme(NAD⁺, NADP⁺) : Oxidation-reduction

                α.Pyruvic acid의 keto기가 2차 알코올로 환원되는 반응에

                β.Ethanol(1차알코올)이 acetaldehyde로 전환되는 산화반응에

                   Alcohol dehydrogenase(알코올탈수소효소)에 관여할 때

                   *탈수소효소는 입체특이성(stereospecificity)이 있어서 R 또는 S위치에서

                    선택적으로 수소를 제거한다.

        ⅶ.Pyridoxal phosphate(PLP) : Amino group transfer

                α-탄소에 붙은 작용기를 제거하거나 치환(아미노기전달)하는 반응에서

                (transamination, homocysteine desulfuration, serine dehydration)

        ⅷ.Tetrahydrofolate : One-carbon group transfer

                *식품중에 엽산이 부족하면 methyl기 전달반응이 억제되므로

                 Homocysteine이 축적된다!

        ⅸ.Thiamine pyrophosphate(TPP) : Aldehyde transfer

                α.α-keto산인 Pyruvic acid(C3)가 탈카르복시화되어 acetaldehyde(C2)로 전환,

                   탄소수가 하나 줄어드는 반응에서

                β.α-hydroxyketone의 생성 및 분해에도 관여

             *보조효소작용에 필수적인 산성 수소는 thiazole고리의 황과 질소 사이에 있는

              탄소에 붙은 수소다!

  3)Vitamins are coenzyme precursors

     ; 필수 cofactor의 일부분이 합성이 안되므로 음식물을 통해서 공급받아야한다.(Vitamin)

        ⅰ.Biotin        ⇒ Biocytin(비오틴이 효소단백질의 lysine잔기의 ε-amino기와 결합)

                *달걀흰자에 있는 avidin은 비오틴과 강하게 결합하여 흡수를 방해한다!

        ⅱ.Thiamine(B1)  ⇒ Thiamine pyrophosphate  : 결핍증은 Beriberi

        ⅲ.Riboflavin(B2) ⇒ Flavin coenzyme

        ⅳ.Nicotinamide  ⇒ Nicotinamide coenzyme

                α.Niacin은 트립토판산화효소의 작용에 의하여 생체내에서 트립토판으로부터

                   일부 합성되기도 한다.

                β.결핍증은 Pellagra - 3D(Dermatitis, Diarrhea, Dementia)

        ⅴ.Pyridoxine(B6)  ⇒ Pyridoxal phosphate

        ⅵ.Cobalamine(B12) ⇒ Cobalamine coenzyme  : 결핍증은 pernicious anemia(악성빈혈)

                α.분자중심에 네 개의 pyrrole고릴로 이루어진 Corrin기를 가지고 있다.

                   (Porphyrin유도체, Co함유)

                β.생체내에 흡수되기 위해서는 내재성 인자라는 당단백질이 있어야 한다.

        ⅶ.Folic acid   ⇒ Tetrahydrofolate  : 결핍증은 Megaloblastic anemia(거대적아구성빈혈

        ⅷ.Pantothenate  ⇒ Coenzyme A

        ⅸ.Vitamin K ⇒ Coenzyme Q

        ⅹ.Vitamin C ⇒ proline hydroxylation에 필요

      *VitaminC와 Flavin coenzyme, Nicotinamide coenzyme은 전자의 이동과 관련이 있다.

        L-ascorbic acid는 2개의 전자를 잃고 dihydro-L-ascorbic acid로 산화되며 환원제 작용

        Flavin coenzyme과 Nicotinamide coenzyme은 강력한 산화제(Flavin이 더 쎄다)

4.Regulation of Enzymatic activity

  1)Control of Enzyme availability : 어떤 세포에서 주어진 효소의 양은 그 합성속도와 분해속도                                   에 의존한다. 두 속도는 세포에 의해 조절된다.

        *E. coli는 lactose에 노출되자마자 곧 그것을 대사하는 효소를 합성하기 시작한다

  2)Control of Enzyme activity : 효소의 촉매작용은 conformational or structural alteration에

                                의해 직접적으로 조절된다.

        *E. coli의 ATCase(aspartate transcarbamoylase)

          ; Carbamoyl phosphate와 Aspartate가 N-carbamoyl aspartate를 형성하는 반응 촉매

                α.ATP(adenosine triphosphate)는 ATCase를 activate

                β.CTP(cytidine triphosphate)는 ATCase를 inhibit, aspartate가 더필요해진다

                    - Feedback inhibition : 생합성생성물의 농도가 enzyme activity를 통제

                ATP와 CTP는 allosteric modulater이며 ATCase는 allosteric enzyme

        *ATCase의 T→R transition :

          T-state ATCase-CTP complex → R-state ATCase-PALA complex

5.Enzyme의 classification number와 촉매반응 type

  1 Oxidoreductases  : oxidation-reduction reaction

  2 Transferases     : Transfer of functional groups

  3 Hydrolases       : Hydrolysis reaction

  4 Lyases           : Group elimination to form double bond

  5 Isomerases       : Isomerization

  6 Ligases          : Bond formation coupled with ATP hydrolysis

13.Rates of Enzymatic reactions

1.Enzyme kinetics의 중요성

  1)kinetic study를 통해서 substrate와 inhibitor의 enzyme에 대한 binding affinity를 결정할

    수 있고, maximum catalytic rate를 확립할 수 있다

  2)enzymatic reaction의 속도가 반응조건에 따라 어떻게 변하는가를 살펴보고, 이것을 효소의

    화학적, 구조적연구와 결합함으로써 enzyme's catalytic mechanism을 규명할 수 있다.

  3)대부분의 효소는 metabolic pathway의 member로서 기능한다. kinetic study를 통해

    전체 대사과정에서 enzyme의 역할을 이해할 수 있다.

  4)enzymatically catalyzed reaction의 속도는 존재하는 enzyme의 양과 비례하므로

    enzyme assay가 가능하다.

2.Enzyme kinetics : E + S ⇄ ES complex → E + P

    ; substrate 농도가 충분히 많으면 second step이 rate limiting(속도결정)단계가 되고

      전체 반응은 substrate 농도에 대해 insensitive하게 된다.  *ES : Michaelis complex

  1)Michaelis-Menten equation : v0 = Vmax×[S]/Km+[S]

        ⅰ.Km : Michaelis constant - 반응속도가 half-maximal이 되는 기질의 농도

                                     v0 = Vmax/2

           Vmax(최대속도)는 enzyme이 saturated되어 있을 때 high substrate concentration

           에서 일어난다.

        ⅱ.[E]t(total enzyme) = [E] + [ES]

                α.[ES]가 constant(상수)일 때가 steady state

                β.[E]가 감소하면서 [ES]가 증가할 때가 transition state

  2)Lineweaver-Burk plot(double-reciprocal plot) -직선화

                1/Vo = (Km/Vmax)(1/[S]) + 1/Vmax

        ⅰ.slope = Km/Vmax    ⅱ.y intercept = 1/Vmax         ⅲ.x intercept = -1/Km

3.Inhibition : enzyme activity를 감소시키는 물질이 inhibitor.

  1)Competitive inhibition : substrate를 닮아서 enzymatic-binding site를 놓고 경쟁

                E + I ⇒ EI + S → no reaction  따라서 enzyme농도를 감소시킨다.

        ⅰ.Cancer chemotherapy : Methotrexate          

          -화학적으로 dihydrofolate를 닮았기 때문에 dihydrofolate reductase에 결합하여

           dihydrofolate가 tetrahydrofolate로 환원되는 것을 차단. tetrahydrofolate가 DNA의

           precursor인 thymidylic acid의 생합성에 cofactor기 때문에 암세포를 죽이는 역할!

        ⅱ.Malonate는 succinate를 닮아서 succinate dehydrogenase에 결합, succinate가

           fumarate로 전환되는 것을 차단한다.

        ⅲ.Lineweaver-Burk plot

           : Inhibitor의 존재는 [S]를 더 dilute하게 만들고 Km증가. Vmax는 constant.

  2)Uncompetitive inhibition : Inhibitor가 직접 enzyme-substrate complex에 결합.

        ⅰ.E + S ⇒ ES + I ⇒ ESI → no reaction

           substrate와 닮은 건 아니지만 active site의 구조에 distortion을 일으켜 inactive하게             만든다.

        ⅱ.Lineweaver-Burk plot : I가 증가하면 slope무변화, Vmax 감소, Km 감소

  3)Mixed inhibition : Enzyme이나 Enzyme-substrate complex모두 inhibitor와 결합

        ⅰ.E + S ⇒ ES → P + E

           +         +

           I         I

          ⇕         ⇕

          EI        ESI  → no reaction

        ⅱ.Lineweaver-Burk plot : I가 증가하면 Vmax 감소, Km은 constant.

4.pH의 효과 : Enzyme은 protein이므로 pH에 매우 민감하다. 대부분의 단백질은 pH 5-9사이의

             좁은 범위에서 active하다. pH가 영향을 주는 부분은

  1)the binding of substrate to Enzyme          2)the catalytic activity of the Enzyme

  3)the ionization of substrate                   4)the variation of protein structure

5.Bisubstrate reaction : A + B ⇄ P + Q

  ; specific functional group(X)을 한 기질로부터 다른 기질로 전환하는 것을 촉매하는

    Transferase reaction이다.   P-X + B ⇄ P + B-X

  1)Terminology

        ⅰ.Sequential reaction : 반응이 일어나기 전에 모든 기질이 enzyme과 결합해야한다.

                α.Ordered Bi Bi reaction (형님먼저) : leading substrate & following substrate

                β.Random Bi Bi reaction : A가 먼저 결합하면 P가 먼저 나오고,

                                           B가 먼저 결합하면 Q가 먼저 나온다.

        ⅱ.Ping Pong Bi Bi reaction : 모든 기질이 가해지기 전에 한 생성물이 먼저 나온다.

                                     두 기질은 효소표면에서 서로 만나지 않는다.

  2)Product inhibition for sequential reaction

        ⅰ.Ordered Bi Bi : Product inhibitor P → A variable(Mixed) B variable(Mixed)

                          Product inhibitor Q → A variable(Competitive) B variable(Mixed)

        ⅱ.Random Bi Bi : Product inhibitor P or Q → A & B variable(Competitive)

Chapter 14 Enzymatic Catalysis

1.Catalytic Mechanism

  1)Acid-Base Catalysis :

      -Brönsted acid로부터의 partial proton transfer 또는 Brönsted Base로부터의 partial

       proton abstraction이 반응의 transition state의 free energy를 낮추어 반응속도 증가

        ⅰ.hydrolysis of peptides and esters, reactions of phosphate group, tautomerization,

           addition to carbonyl group 등.

        ⅱ.RNase A (bovine pancreatic ribonuclease A)

                α.Histidine 12가 general base로 작용, histidine 119는 general acid로 작용,

                   leaving group을 protonating해서 bond scission을 촉진,  

                β.Histidine 12가 general acid로 작용, histidine 119는 general base로 작용,

                   hydrolized RNA로 만든다.

  2)Covalent Catalysis : Catalyst-substrate covalent bond의 transient formation을 통하여

                        rate acceleration에 관여. (그림14-4)

        ⅰ.covalent bond를 형성하기 위해 catalyst와 기질간에 nucleophilic reaction

        ⅱ.electrophilic catalyst에 의해서 reaction center로부터 electron withdrawal.

        ⅲ.catalyst의 제거(elimination)

  3)Metal ion catalysis : 거의 1/3의 enzyme이 그 catalytic activity에 metal ion의 존재를 필요.

        ⅰ.metal ion을 필요로 하는 enzyme에는 두가지 종류가 있다.

                α.Metalloenzyme : 단단하게 결합한 transition metal ion을 포함

                                   (Fe, Cu, Zn, Mn, Co)

                β.Metal-activated enzyme : solution으로부터의 alkali & alkaline earth metal

                                           ion들과 느슨하게 결합(Na, K, Mg, Ca)

        ⅱ.Metal ion들은 세가지 중요한 방법으로 촉매과정에 참여한다

                α.반응에 적절한 방향성을 부여하기 위해 기질과 결합

                β.metal ion의 산화상태에서의 가역적 변화를 통해 산화환원반응을 매개

                γ.정전기적 안정화 또는 negative charge의 shielding.

                        *Kinase의 실질적 기질은 ATP가 아니라 Mg-ATP complex다.

                         (phosphate group의 negative charge를 Mg가 shielding)

  4)Electrostatic Catalysis : charge distribution

  5)Catalysis through Proximity and Orientation effects

    ; 반응이 일어나기 위해서는 reactant들이 적절한 공간적관계하에서 만나야한다.

  6)Catalysis by preferential Transition State Binding :

        기질이나 생성물보다 효소에 더 큰 친화력을 갖는 transition state의 binding.

2.Lysozyme

   -Lysozyme은 N-acetylmuramic acid로부터 N-acetylglucosamine으로의 β(1→4) glycosidic 

    linkage를 가수분해함으로써 bacterial cell wall의 peptidoglycan성분을 깨는 효소다.      

        *Hen egg white(HEW)가 가장 중요한 예(129 amino acid residue)

  1)Structure : 129개 amino acid residue중 40%가 helix부분에 있으며 β구조도 존재함.

                4개의 disulfide bond가 구조의 안정화에 기여한다.

                α-helix는 분자측면의 쪼개진 틈에 배열되어있으며 이 틈이 active site.

  2)Catalytic mechanism

        ⅰ.Glutamic acid 35와 Aspartic acid 52가 lysozyme의 catalytic residue!

        ⅱ.Phillips mechanism

                α.Lysozyme이 hexasaccharide unit에 결합하여 bacterial cell wall에 부착,

                   residue D가 distortion.

                β.Glutamic acid 35가 그 proton을 인접한 polar group인 D ring의 O 1에

                   transfer(general acid-base catalysis),

                   C1-O1bond가 깨지고 C1에 공명안정화된 oxonium ion 생성

                γ.Aspartic acid 52의 이온화된 carboxyl group이 charge-charge interaction

                  (electrostatic catalysis)에 의해 oxonium ion을 안정화.

                δ.Enzyme이 부착된 polysaccharide와 함께 hydrolized E ring을 유리,

                   Glycosyl-enzyme intermediate를 생성.

                  Solution으로부터의 H2O가 oxonium ion과 결합할 OH, Glutamic acid 35를

                   reprotonate할 H를 모두 제공한다.

3.Serine Protease : 다양한 단백질분해효소들, 공통적으로 특이한 Serine residue를 보유.

  1)Kinetics and Catalytic groups : Pancreatic Chymotrypsin, Trypsin, Elastase

        ⅰ.Chymotrypsin ; specific for bulky aromatic amino acid, Ping Pong Bi Bi reaction!

                α.Serine 195가 active Serine residue!

                        *Diisopropylphosphofluoridate(DIPF)가 오직 Serine 195와 반응, 효소를

                         불활성화. DIPF는 serine을 보유한 Acetylcholinesterase를 불활성화,

                         신경개스, 농약 등으로 사용.

                β.Histidine 57

                        *Tosyl-L-phenylalanine chloromethyl ketone(TPCK)의 chloromethyl

                         ketone group이 효소의 active site의 Histidine 57에 결합, 불활성화.

                γ.Aspartic acid 102가 Ser195, His57과 함께 catalytic triad를 형성

        ⅱ.Trypsin : lysine, arginine같은 positive charge residue에 작용

        ⅲ.Elastase : small neutral aliphatic residue에 작용

  2)Catalytic mechanism

        ⅰ.Chymotrypsin이 기질과 결합, Mechaelis complex를 형성한 후,

                α.Serine 195가 끊어지기 쉬운 peptide bond의 carbonyl group을 nucleophilic                    attack, tetrahedral intermediate형성(covalent catalysis)

                β.Histidine 57이 proton을 잡아먹고, imidazolium ion을 형성(base catalysis)                     Histidine 57에 수소결합되어있는 Aspartic acid 102의 carboxylate ion의                       polarizing effect가 보조.

        ⅱ.Tetrahedral intermediate가 Histidine 57의 N3로부터의 proton donation에 의해

           acyl-enzyme intermediate로 분해.(acid catalysis)

        ⅲ.Acyl-enzyme intermediate가 deacylation, 다시 active enzyme형성.

  3)Zymogens : enzyme precursors(Proenzymes)

        ⅰ.Chymotrypsin 

                α.Chymotrypsinogen이 trypsin에 의해 Arginine15-Isoleucine16 peptide bond가                    깨진 π-Chymotrypsin으로 activation.

                β.π-Chymotrypsin이 autolysis.

                   Serine14-Arginine15와 Threonine147-Asparagine148이 떨어져나간 후,

                   α-Chymotrypsin을 형성

        ⅱ.Trypsin 

                α.Trypsinogen이 pancreas로부터 duodenum으로 들어온다. Enteropeptidase인                    Serine protease가 duodenal mucosa에서 분비된다.(hormonal control)

                β.Serine protease가 Trypsinogen의 Lysine15-Isoleucine16 peptide bond를

                   가수분해, active Trypsin형성

        ⅲ.Elastase ← Proelastase

4.Glutathione reductase : Oxidation-reduction reaction을 촉매.

  1)P-S-S-P' + GSH(glutathione) → P-SH + G-S-S-P'

    G-S-S-P' + GSH → G-S-S-G + HS-P'

    G-S-S-G + glutathione reductase → GSH 󰀦

        ⅰ.Glutathione reductase는 2단계의 반응을 촉매한다.(NADPH dependent reduction)

                α. E + NADPH + H+ ⇄ EH2 + NADP+

                β. EH2 + GSSG ⇄ E + 2GSH

        ⅱ.Glutathione(GSH)는 γ-L-Glutamyl-L-cysteinyl glycine!

  2)Glutathione reductase는 electron-transfer prosthetic group인

    flavin adenine dinucleotide(FAD)를 포함하고 있다.

        *FAD(oxidized or quinone form) ⇄ FADH(radical or semiquinone form)

                                       ⇄ FADH2(reduced or hydroquinone form)

Chapter 15. Introduction to Metabolism

 *Metabolism이란 living system이 그들의 다양한 기능을 수행하기 위해서 필요로 하는

  free energy를 획득하고 이용하는 일체의 과정이다.

        ①Phototrophs : CO2, H2O, 빛에너지를 이용하여 광합성을 함으로써 자유에너지획득.

        ②Chemotrophs : organic compound(carbohydrate, lipid, protein)를 산화시켜서 획득.

1.Metabolic pathway : specific product를 만드는 연속적인 enzymatic reaction의 series!

  1)2 categories (catabolism과 anabolism을 촉매하는 효소는 다르다)

        ⅰ.Catabolism : degradation(large molecule → small molecule) & energy 생성

                α.complex metabolites(protein, carbohydrate, lipid) → simple products

                   ADP와 phosphate로부터 ATP의 합성 또는 NADP로부터 NADPH의 환원

                β.Complex metabolite가 먼저 monomeric units,

                   즉 building block(glucose, amino acid, fatty acid, glycerol)으로 된 후,

                   다시 Acetyl CoA가 되며 Acetyl CoA는 citric acid cycle을 거쳐

                   CO2로 산화된다(NAD⁺와 FAD는 환원)

                γ.환원된 NADH와 FADH2는

                   electron-transport chain과 oxidative phosphorylation을 거쳐 다시 산화되고

                   H2O와 ATP를 생성한다.(그림 15-3)

        ⅱ.Anabolism : biosynthesis(small molecule → large molecule) & energy 소모

                α.simple products → complex metabolite

                β.ATP와 NADPH가 major free energy source

  2)metabolic pathway의 특징

        ⅰ.Metabolic pathway는 irreversible(비가역적)하다.

           ①에서 ②로 진행하는데 A코스를 지났다면 ②에서 ①로 진행하는 코스는 B코스!

        ⅱ.모든 Metabolic pathway는 first committed step을 갖는다.

        ⅲ.모든 Metabolic pathway는 조절이 된다.

           -first committed step이 종종 rate-limiting step이 되며, 대부분의 metabolic pathway

            는 first committed step을 촉매하는 enzyme을 조절함으로써 control된다.

        ⅳ.Eukaryotic cell에서의 Metabolic pathway는 specific cellular location에서 발생한다.

           -ATP는 mitochondria에서 생성되지만 대부분은 cytosol에서 이용된다.

2.Organic reaction mechanism

  *Christopher Walsh의 Biochemical reaction 분류

        ⅰ.group-transfer reaction       

        ⅱ.oxidations and reductions

        ⅲ.eliminations, isomerizations, rearrangements            

        ⅳ.reactions that make or break carbon-carbon bonds

3.Experimental approaches to the study of metabolism

  1)Metabolic inhibitors, Growth studies, and Biochemical Genetics

        ⅰ.Metabolic inhibitor가 존재하면 Pathway intermediate가 축적된다.

                α.Metabolic inhibitor는 특정한 위치에서 pathway를 차단, intermediate가 축적

                β.이 intermediate들을 isolation, characterization하는 것이 glycolysis pathway

                   를 설명하는데 필수적이다.

        ⅱ.Genetic defects가 metabolic intermediate의 축적을 유발시키기도 한다.

                α.Alcaptonuria : homogentisic acid의 분해를 촉매하는 homogentiase가 부족,

                                 urine에 homogentisic acid가 배설.

                β.Phenylketonuria : Phenylalanine을 tyrosine으로 만드는 enzyme결핍,

                                    urine에 phenylpyruvate가 축적.

                   *Phenylalanine → tyrosine → p-Hydroxyphenylpyruvate → Homogentisate

                        ↳  Phenylpyruvate (그림15-13)

        ⅲ.Genetic manipulation of Microorganism

           ; 기본적인 metabolic pathway는 대부분의 유기체에서 동일하다(identical)

             미생물을 유전적으로 처리하여 Metabolic block을 만들 수있다.

  2)Isotopes in Biochemistry

        ⅰ.Isotopes는 화학적 특성을 변화시키지 않으면서 분자들을 특이적으로 label할 수있다.

           ;proton number는 같지만, neutron의 수가 다른 원자! 불안정하다.

        ⅱ.The Detection of Radioactive isotopes

            *helium nuclei(α particle) electron(β particle) photons(γ radiation)

                α.proportional counting(Geiger counting)

                β.liquid scintillation counting : β particle counting

                     ♪unit는 cpm(count per minute)-기계가 포착한 방사선의 양

                             dpm(disintegrated per minute)-입자가 실제 깨져 나온 βray양.

                γ.autoradiography :방사성물질(³²P)을 photographic emulsion과 혼합하여 방치,

                                   형성된 film을 이용하여 새로운 DNA생성여부를 확인한다.

  3)Table 15-2. Metabolic function of Eukaryotic organelles

        ⅰ.mitochondria : citric acid cycle, oxidative phosphorylation, fatty acid oxidation,

                         amino acid breakdown

        ⅱ.cytosol : glycolysis, gluconeogenesis에서의 많은 반응,

                   pentose phosphate pathway, fatty acid biosynthesis

        ⅲ.lysosome : Enzymatic digestion of cell components and ingested matter

        ⅳ.nucleus : DNA replication and transcription, RNA processing

        ⅴ.Golgi apparatus : membrane과 secretory protein의 posttranslational processing

                            plasma membrane과 secretory vesicle의 formation

        ⅵ.Rough ER : membrane-bound and secretory protein의 synthesis

        ⅶ.Smooth ER : lipid and steroid synthesis

        ⅷ.Peroxisomes : oxidative reaction, glyoxylate cycle reactions in plants

4.Thermodynamics of phosphate compounds

    *그림 15-20. ATP의 구조!

  1)Phosphoryl-transfer reactions : ATP의 합성과 가수분해

        *High energy compound들이 ATP형성을 위해 ADP에 phosphoryl group을 transfer

          (Phosphoenolpyruvate > 1,3-Bisphosphoglycerate > Acetyl phosphate

           > phosphocreatine ) Table 15-3!

                (예)phosphocreatine + ADP ⇌ ATP + creatine (creatine kinase작용)

  2)ATP의 역할

        ⅰ.Consumption of ATP

                α.nutrient breakdown의 초기단계 (예: glycolysis의 초기단계)

                    :low-energy의 phosphate compound형성을 위해 ATP로부터 ADP로의

                     exergonic hydrolysis가 endergonic phosphorylation과 couple되어있다.

                β.Nucleoside triphosphates(NTPs)의 interconversion

                    :ATP + NDP ⇌ ADP + NTP

                γ.Physiological process

                    :muscle contraction, 분자, 이온의 active transport 등의 endergonic process

                     비가역적이다!

                δ.highly endergonic reaction에서 additional phosphoanhydride cleavage

                    :Fatty acid의 oxidation에서 첫 단계!

                     -ATP의 pyrophosphate cleavage는 궁극적으로 두 개의 고에너지

                      phosphoanhydride bond의 가수분해를 가져온다.

        ⅱ.Formation of ATP

                α.Substrate-level phosphorylation

                    :high-energy compound로부터 ADP로 직접적인 phosphoryl group transfer                     를 통해 phosphoenolpyruvate로부터 ATP생성

                β.Oxidative phosphorylation and photophosphorylation

                γ.Adenylate kinase reaction : AMP + ATP ⇌ 2ADP

                    -ADP는 곧 substrate-level phosphorylation을 통해 2ATP로 전환.

        ⅲPhosphocreatine은 ATP를 저장하기 위한 High-energy reservoir를 제공한다.

                α.high ATP turnover를 갖는 Muscle이나 nerve cell은 ATP를 빠르게 재생산

                   할 수 있는 기능을 하는 free energy reservoir를 갖는데, 척추동물의 경우

                   phosphocreatine이 이 기능을 한다.

                β.ATP + creatine ⇌ phosphocreatine + ADP (creatine kinase가 촉매)

                γ.creatine kinase를 포함하고 있는 세포에서는 phosphocreatine이 ATP buffer

                   로서 작용하게된다.

5.Regulation of Metabolism :economical, tightly regulated process

  1)allosteric enzymes : 즉각적인 과정

  2)hormonal control : adrenalin effect

  3)regulation of enzyme synthesis : enzyme induction

Chapter 16. Glycolysis

1.The Glycolytic pathway

  1)Glycolysis의 정의 : 세포내의 anaerobic condition에서 D-glucose molecule이 10가지

                       enzymatic reaction의 sequence를 거치면서 fructose-1,6-bisphosphate를

                       지나 2분자의 pyruvate로 전환되는 과정.(2개의 ATP도 생성)

      *10가지 enzyme(그림16-3)

        ⅰ.hexokinase(HK, irreversible)   

        ⅱ.phosphoglucose isomerase(PGI)

        ⅲ.phosphofructokinase(PFK, irreversible)

        ⅳ.aldolase                      ⅴ.Triosephosphate isomerase(TIM)

        ⅵ.glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase(GAPDH)

        ⅶ.phosphoglycerate kinase(PGK) 

        ⅷ.phosphoglycerate mutase(PGM)

        ⅸ.enolase                      

        ⅹ.pyruvate kinase(PK, irreversible)

  2)Glycolysis의 두 stage

        ⅰ.StageⅠ: hexose glucose가 phosphorylation되고 갈라져서 2분자의

                   triose인 glyceraldehyde-3-phosphate가 된다. 이때 2 ATP를 소모.

        ⅱ.StageⅡ: 2분자의 glyceraldehyde-3-phosphate가 pyruvate로 전환.

                   이때 4 ATP가 생성(net yield는 2ATP)

      *Overall reaction

         Glucose + 2NAD⁺ + 2ADP + 2Pi → 2NADH + 2pyruvate + 2ATP + 2H2O + 4H⁺

  3)Glycolysis이후의 3가지 중요한 루트(그림16-1)

        ⅰ.Citric acid cycle : mitochondria(aerobic condition)

        ⅱ.Homolactic acid fermentation(muscle에서 anaerobic glycolysis)

        ⅲ.Alcoholic fermentation(yeast, bacteria 등 microorganism에서 anaerobic condition)

2.The reactions of Glycolysis

  1)Hexokinase(HK) : Reaction 1

        ⅰ.ATP로부터 glucose에 phosphoryl group을 transfer하여 glucose-6-phosphate를

           생성하는 반응을 촉매

                *kinase는 ATP와 metabolite사이에 phosphoryl group을 transfer하는 enzyme

        ⅱ.Hexokinase는 모든 세포에 존재하는 nonspecific enzyme으로 D-glucose, D-fructose,

           D-mannose등의 hexose를 기질로 삼아 phosphorylation한다.

           glucose에 대한 KM이 낮고, second substrate로서 Mg-ATP complex필요.

                *glucokinase는 liver cell에만 존재하며 glucose만을 기질로 한다.

                 glucose에 대한 KM값도 높고 blood glucose를 조절한다.

  2)Phosphoglucose isomerase(PGI) : Reaction 2

        -Glucose-6-phosphate를 Fructose-6-phosphate로 전환

  3)Phosphofructokinase(PFK) : Reaction 3

        -Fructose-6-phosphate를 phosphorylate하여 Fructose-1,6-bisphosphate를 생성

         (Mg-ATP complex의 electrophilic γ-phosphorus atom을 F6P의 C1-OH group이

          nucleophilic attack하는 것을 촉매)

  4)Aldolase(암세포에서 항진) : Reaction 4

        -FBP를 cleavage, 두 개의 triose인

         glyceraldehyde-3-phosphate(GAP)와 dihydroxyacetone phosphate(DHAP)형성

  5)Triose Phosphate Isomerase(TIM) : Reaction 5

        -enediol(또는 enediolate) intermediate를 통한 GAP와 DHAP의 interconversion

  6)Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase(GAPDH) : Reaction 6

        ⅰ.NAD와 Pi에 의한 GAP의 산화 및 phosphorylation 촉매, 1,3-bisphosphoglycerate생성

                GAP + NAD⁺ + Pi ⇆ 1,3-bisphosphoglycerate + NADH + H⁺

        ⅱ.1,3-bisphosphoglycerate는 acyl phosphate로써 높은

           phosphate group-transfer potential을 갖는다

  7)Phosphoglycerate kinase : Reaction 7 → First ATP generation + 3-phosphoglycerate

  8)Phosphoglycerate mutase : Reaction 8

        -3-phosphoglycerate가 2-phosphoglycerate로 전환되는 것을 촉매

  9)Enolase : Reaction 9

        -2PG가 phosphoenolpyruvate(PEP)로 탈수되는 것을 촉매

         Second High-energy intermediate 형성

  10)Pyruvate kinase : Reaction 10 - Second ATP generation + pyruvate

3.Fermentation

  1)Homolactic fermentation

        ⅰ.lactic dehydrogenase(LDH)가 pyruvate에 의한 NADH의 산화를 촉매하여

           NAD와 L-lactate를 생성한다.(glycolysis의 11번 reaction)

                *Glucose + 2ADP + 2Pi → 2lactate + 2ATP + 2H2O + 2H⁺

           포유동물에는 두가지 타입의 LDH subunit가 있다.(M과 H type)

           M4, M3H, M2H2, MH3, H4 의 다섯가지 tetrameric isozyme!

                α.H type : heart muscle과 같은 aerobic condition.

                            lactate를 pyruvate로 산화시키는데 적합한 기능.

                            H4 LDH는 pyruvate에 대해 KM값이 낮아 높은 농도의 pyruvate

                            에 의하여 allosteric inhibition된다.

                β.M type : skeletal muscle이나 liver와 같은 anaerobic condition.

                            reverse reaction에 더 적합(pyruvate를 lactate로)

                            M4 LDH는 pyruvate에 대해 KM값이 높아 pyruvate에 의해

                            inhibition되지 않는다.

        ⅱ.LDH의 active site는 Histidine195, Arginine171

  2)Alcoholic fermentation

        ⅰ.pyruvate decarboxylase가 pyruvate로부터 carboxyl기를 떼어내 acetaldehyde와 CO2          를 생성하는 과정을 촉매한다.(그림16-26)

                α.pyruvate decarboxylase는 coenzyme으로 (그림16-27)

                   thiamine pyrophosphate(TPP)=thiamine diphosphate(ThDP)를 포함한다.

                β.Beriberi : thiamine(vitamin B1) deficiency disease

                        thiamine은 TPP의 전구물질이며 대부분의 척추동물 조직내에서 합성

                        되거나 저장되지 않기 때문에 음식을 통해 섭취해야한다.

        ⅱ.alcohol dehydrogenase(ADH)가 NADH에 의한 acetaldehyde의 환원을 촉매,

           ethanol생성.

4.Control of Metabolic flux

  1)Control mechanism of regulatory system

        ⅰ.Allosteric control : enzyme의 기능을 항진 또는 억제

        ⅱ.Covalent modification(enzymatic interconversion)

                -covalently modify된 enzyme의 activity가 크게 바뀐다

        ⅲ.Substrate cycles : allosteric effector의 concentration에 더 민감하다

        ⅳ.Genetic control : enzyme concentration과 enzyme activity는 metabolic needs에 대한

                           반응으로 단백질합성에 의하여 변화한다.

                           long-term control(시간이 오래 걸리지만 작용은 현저하다)

                *간의 drug metabolizing enzyme

                        -phenobarbital은 DME의 양을 증가시킴(enzyme induction)

                         CCl4는 간을 손상시켜 DME의 양을 감소시킴

  2)Control of glycolysis in muscle(3 steps, Table16-2) :regulatory step은 irreversible

        ⅰ.Hexokinase : inhibitor는 G6P

        ⅱ.PFK : inhibitor는 ATP, PEP, citrate(그림16-33)

                 activator는 cAMP, AMP, ADP, FBP, F2,6P, F6P, NH4, Pi

        ⅲ.PK : inhibitor는 ATP(high ATP에서 low enzyme activity), acetyl-Co A, fatty acid

Chapter 17. Glycogen Metabolism

        *Glycogen : 동물에서의 storage glucan(glucose polysaccharide), 간이나 근육에 많다.

                    α(1→4)linkage에 α(1→6)linkage가 branch

        *왜 하필이면 Glycogen을 에너지저장에 이용하나?

                ①근육은 fat을 glycogen만큼 빠르게 mobilize할 수없다.

                ②fat의 fatty acid residue는 anaerobic하게 대사될 수없다.

                ③동물은 fatty acid를 glucose로 전환할 수없다. 그래서 fat metabolism으로는

                  필수적인 혈당조절을 적절히 할 수없다.

1.Glycogen breakdown(3개의 enzyme이 관여하며 glycogen은 nonreducing end부터 끊어진다)

  1)Glycogen phosphorylase(=Phosphorylase) : 842개의 residue(97kD) subunit의 dimer!

        ⅰ.glycogen phosphorolysis(phosphate group의 치환에 의한 bond cleavage)를 촉매,

           glucose-1-phosphate(G1P)를 생성.

                Glycogen(n residue) + Pi ⇌ glycogen(n-1 residue) + G1P

        ⅱ.allosteric interaction에 의한 조절

                α.inhibitor : ATP, G6P, Glucose

                β.activator : AMP, ADP, AC(adenylate cyclase)

        ⅲ.covalent modification에 의한 조절

           ; enzyme catalyzed modification/demodification process에 의해 두가지 형태!

                α.glycogen phosphorylase a(active)

                   : 각 subunit의 Serine14에 phosphoryl group이 esterify되어있다.

                β.glycogen phosphorylase b(inactive) : phosphoryl group이 없다.

        ⅳ.Pyridoxal-5-phosphate가 필수적인 cofactor

           ; Vitamin B6 derivative로서 Schiff base를 통하여 Phosphorylase의 Lysine680에

            covalently linked되어있다.

  2)Phosphoglucomutase

        *G1P에 phosphoryl group을 transfer하여 glucose-1,6-phosphate(G1,6P)를 생성,

           이것이 다시 enzyme을 rephosphorylate하면서 G6P를 만든다.

  3)Glycogen debranching enzyme : glycogen의 branch를 제거해준다.

                                  두가지 반응을 위한 active site가 있다.

        ⅰ.transferase reaction : α(1→4)transglycosylase(glycosyl transferase)로서 작용

                glycogen의 limit branch로부터 α(1→4)linked trisaccharide unit를

                다른 branch의 nonreducing end로 transfer! *새로운 α(1→4)linkage 형성

        ⅱ.α(1→6) glucosidase reaction : Cori's disease

                또한 glucose를 생성하기 위해 α(1→6)linked glucosyl unit를 가수분해한다.

                {branch에 남아있는 glycosyl residue를 main chain에 연결하는 α(1→6)bond}

2.Glycogen synthesis

        *G1P가 glycogen과 Pi로 직접 전환되는 것은 모든 생리적 Pi 농도에서 열역학적으로

         문제가 있기 때문에, G1P를 UTP(uridine triphosphate)와 결합시켜

         UDPG(uridine diphosphate-glucose)를 형성함으로써 Glycogen synthesis를 수행한다.

         UDPG는 high-energy!

  1)UDP-glucose pyrophosphorylase

        ⅰ.UTP와 G1P의 반응을 촉매한다.

           -G1P의 phosphoryl oxygen이 UTP의 α phosphorus atom을 공격,

            UDPG를 형성하고 PPi를 release.

        ⅱ.여기서 형성된 PPi는 inorganic pyrophosphatase에 의해 발열반응으로 가수분해된다.

  2)Glycogen synthase(synthase는 synthetase와 달리 ATP가 필요없는 반응에 관여한다)

        ⅰ.UDPG의 glucosyl unit를 glycogen의 nonreducing end중 하나에 있는

           C4-OH group에 transfer하여 α(1→4)glycosidic bond를 형성한다.

        ⅱ.glycogen synthase는 단독으로 glycogen synthesis를 수행할 수없다. 그러면 어떻게?

                α.first step으로써 tyrosine glucosyltransferase에 의하여 glucose residue가

                   glycogenin이라 부르는 단백질의 Tyrosine194OH group에 부착한다.

                β.initiation을 위한 primer가 형성된다.

  3)Glycogen branching

        ⅰ.glycogen synthase는 오직 α(1→4)linkage의 형성만을 촉매하여 α-amylose를 생성

        ⅱ.glycogen을 형성하기 위한 branching은 separate enzyme인 branching enzyme, 즉

           amylo-(1,4→1,6)-transglycosylase에 의하여 성취된다.

                α.Debranching : α(1→4)-glycosidic bond의 breaking과 재형성,

                                 α(1→6)-glycosidic bond의 가수분해

                β.Branching:α(1→4)-glycosicid bond의 breaking과 α(1→6)-linkage의 재형성.

3.Control of Glycogen metabolism

  1)Direct allosteric control of Glycogen phosphorylase and Glycogen synthase(그림17-9)

        ⅰ.phosphorylase b는 주로 T form(inactive)으로 존재

             -T form은 active site가 안에 숨겨져있어서 기질과 binding하는 affinity가 낮다

        ⅱ.phosphorylase a는 주로 R form(active)으로 존재

             -R form은 active site가 밖에 노출되어 기질과 binding affinity증가

                α.phosphorylase b의 14Serine OH에 phosphate를 붙여서

                   conformational change하면 a가 됨(phosphorylase kinase가 관여)

                β.glucose가 너무 많으면 T form으로 존재

            *T form과 R form의 변환은 allosteric effect!

  2)Glycogen phosphorylase는 bicyclic cascade의 Target enzyme이다.

        ⅰ.cAMP-dependent protein kinase(cAPK)

                α.phosphorylase kinase와 glycogen synthase를 포함한 수많은 세포단백질의

                   특이적인 Serine 또는 Threonine residue를 phosphorylation!

                β.phosphorylase kinase와 glycogen synthase는 모두

                    cAPK's consensus recognition sequence인 Arg-Arg-X-Ser/Thr-Y를 포함

                    (여기서 Ser/Thr이 phosphorylation site, X는 작은 residue,

                     Y는 큰 hydrophobic residue)

        ⅱ.cAPK의 activity를 위해서는 cAMP가 절대적으로 필요하다.

  3)Phosphorylase kinase

        ⅰ.covalent modification과 10의 -7승M농도의 Ca농도에 의해 activation

        ⅱ.1200kD크기에 active oligomer{(αβγδ)4}를 형성하는

           4개의 nonidentical subunit으로 구성

                α.이중 γsubunit은 full catalytic activity가 있다.

                   ; phosphoryalse b를 phosphorylase a로 전환할 수 있는 능력이 있다.

                β.나머지 αβδsubunit은 catalytic reaction의 inhibitor

                γ.특히 δsubunit은 calmodulin(CaM)으로 알려져있는데,

                   Ca ion sensitivity를 갖는다.

                        -calmodulin의 4개의  Ca binding site에 Ca ion이 binding하면,

                         conformational change가 발생하여 phosphorylase kinase를 activation.

  4)Calmodulin : A Ca-activated Switch

        ⅰ.많은 cellular regulatory process에 참여하는 eukaryotic Ca-binding protein

           cell 내의 Ca농도를 낮게 유지한다.

                α.cell내 Ca 농도는 10의 -7승M로 낮게 유지

                β.cell밖 Ca 농도는 10의 -4승M로 높다.

        ⅱ.dumbbell(아령)모양

           -CaM의 2개의 globular domain이 seven-turn α helix에 의해 연결되어있다.

        ⅲ.각각의 globular domain에 2개씩 high-affinity Ca-binding site가 존재    

           -EF hands로 알려진 helix-loop-helix motif에 의하여 형성된다.

  5)Phosphoprotein phosphatase-1(PP1)

        ⅰ.m-glycogen phosphorylase a와 phosphorylase kinase의 α,βsubunit 등으로부터

           phosphoryl group을 가수분해한다.

           - 그 glycogen-binding G subunit을 통하여 glycogen에 binding했을 때에만 active!

        ⅱ.(그림17-18)

                α.insulin-stimulated protein kinase에 의하여 site 1이 phosphorylation되면

                   phosphoprotein phosphatase-1이 activation

                        *glycogen phosphorylase가 a에서 b로 → glycogen synthesis ↑

                β.cAMP-dependent protein kinase에 의하여 site 2가 phosphorylation되면

                   PP1이 cytoplasm으로 release되며 glycogen metabolism의

                   glycogen-bound enzym을 dephosphorylation할 수없게된다.

                        *glycogen phosphorylase가 b에서 a로 → glycogen breakdown ↑

  6)Second Messenger

        ⅰ.second messenger : cell외부로부터 받는 hormonal message의 intracellular mediator

        ⅱ.receptor(transmembrane protein)의 매개에 의하여 cell의 세포막에서

           hormonal stimulation이 발생, 이 자극에 의해 cell안으로 second messenger release!

        ⅲ.종류 : Ca, IP3(Inositol-1,4,5-triphosphate), DG(Diacylglycerol), cAMP

  7)Maintenance of blood glucose level

        ⅰ.glucokinase(=hexokinase D or hexokinase Ⅳ)

                α.glucose가 많을 때, G6P로 만들어 혈당을 떨어트린다

                  (속도는 glucose농도에 비례)

                β.Liver에만 존재하며 glucose만을 기질로 삼는다

                γ.lower glucose affinity(KM이 높다) → sigmoidal curve(Hill constant 1.5)

        ⅱ.Fructose-2,6-bisphosphate(F2,6P)

                α.간에서 혈당을 유지하는데 있어 중요한 factor

                β.동물의 phosphofructokinase(PFK)의 allosteric activator이며,

                   fructose bisphosphatase(FBP)의 inhibitor이다.

  8)Response to Stress(그림17-22)

4.Glycogen storage disease(Table 17-1)

  1)Von Gierke's disease : G-6-phosphase

  2)Type Ⅴ : McArdle's disease(Muscle phosphorylase deficiency)

                muscle과 liver에는 각각 다른 glycogen phosphorylase isozyme이 존재.

                muscle에 glycogen phosphorylase가 결핍되어 생기는 병(통증수반한 근육경련)

Chapter 18. Transport through Membranes

        *biological membrane의 nonpolar core는 대부분의 ionic substance와 polar substance에

         대해 스스로를 매우 impermeable하게 만든다. 이들 물질은 따라서 특이적인 transport

         protein(carrier, translocator)의 action에 의해서만 막을 통과할 수있다.

1.Kinetics and mechanisms of Transport

  1)Nonmediated transport : simple diffusion을 통해 일어난다.

  2)Mediated transport : specific carrier protein의 action을 통해 일어난다.

    *specific carrier protein=carriers, permease, porters, translocases, translocators, transporters

        ⅰ.Passive-mediated transport(facilitated diffusion) :고농도 → 저농도

             *주요특징

                α.Speed : erythrocyte membrane은 glucose를 더 빨리 transport한다.

                β.Specificity : D-glucose를 D-mannitol과 구별할 수있다.

                γ.Saturation kinetics : molecule이 포화되면 더 이상 transport안한다.

                                      *hyperbolic form(그림18-3)

                δ.Susceptibility to competitive inhibition : mediated transport에 이용할 수

                                                        있는 site의 수가 제한되어있다.

                ε.Susceptibility to chemical inactivation : transport를 매개하는 protein carrier

                                                        의 수가 제한되어있다.

             *Ionophore and porins

                - ionophores : 특정한 ion에 대해 membrane의 투과성을 크게 증가시키는 물질

                α.Carriers : 특정한 ion과 binding함으로써 막의 투과성을 증가시키는데,

                            막을 통해 확산을 시키고, ion을 반대편으로 releasing!

                        (예)Valinomycin - K⁺ ion carrier,

                           2,4-dinitrophenol - H⁺ ion carrier, hydrophobic

                β.Channel formers : 특정한 ion이 확산될 수 있는 transmembrane channel

                                     또는 pore를 형성

                        (예)Gramicidin A from Bacillus brevis 

                                -2분자가 기능적 ion channel을 형성

             *Mechanism of Passive-mediated Glucose transport

                α.Gated pore mechanism을 경유해 일어난다(eukaryote의 다양한 transporter)

                        ①erythrocyte glucose transporter(GLUT1)은 55kD glycoprotein이다.

                          4개의 domain을 가지고 있으며,

                          12개의 membrane-spanning α helix가 포도당이 운반되는

                          hydrophilic channel을 둘러싸는 hydrophobic cylinder를 형성한다.

                          크고 charge가 높은 cytoplasmic domain은 6번과 7번의 helix사이에

                          위치하며, 작고 carbohydrate를 가진 external domain은 1번과 2번의

                          helix사이에 위치한다. 큰 C-terminal domain도 cytoplasmic!

                        ②GLUT2(pancreatic βcell과 liver) GLUT4(muscle과 fat cell)

                β.Cellular glucose uptake의 regulation(그림18-16)

                        -GLUT4의 insulin sensitive exocytosis/endocytosis에 의해 조절된다.                         fat과 muscle cell에는 GLUT를 함유한 vesicle이 존재

                        ①insulin이 자극하면 vesicle이 membrane과 fuse(exocytosis), 밖으로                         ②insulin이 withdrawal하면 endocytosis, 안으로.

        ⅱ.Active transport : 저농도 → 고농도(ATP energy가 필요)

2.ATP-driven Active transport

        *mediated transport는 3가지로 유형화할 수있다(그림18-17)

                ①uniport : single molecule이 한번에 하나씩 이동

                ②symport : 동시에 같은 방향으로 2개의 다른 molecule을 운반

                ③antiport : 동시에 반대방향으로 2개의 다른 molecule을 운반

        *Active transport는 종종 ATP의 hydrolysis와 couple된 endergonic process다.

         3가지 type의 ATP hydrolyzing, transmembrane protein이 있다.

                ①P-type ATPase : 대개 plasma membrane에 위치,

                                   transport process동안에 ATP에 의해 직접 phosphorylation

                ②F-type ATPase : mitochondria에 존재

                ③V-type ATPase : 식물의 vacuolar membrane과 acidic vesicle에 존재

  1)(Na⁺-K⁺)-ATPase of plasma membrane

        ⅰ.2 type의 subunit를 가진다. (αβ)2

                αsubunit : 110kD nonglycosylated subunit.

                           catalytic activity와 ion-binding site를 포함한다.

                βsubunit : 55kD glycoprotein, unknown function.

        ⅱ.intracellular ATP의 hydrolysis와 함께 Na⁺는 세포밖으로 K⁺는 세포안으로

           pump하기 때문에 (Na⁺-K⁺)-pump라고도 부른다

                *3Na⁺(in) + 2K⁺(out) + ATP + H2O ⇌ 3Na⁺(out) + 2K⁺(in) + ADP + Pi

        ⅲ.transport process동안 Na의 존재하에 ATP에 의하여 protein이 phosphorylation된다.

           이때 phosphorylation은 Aspartic acid residue에 일어나서, 반응성이 높은

           aspartyl phosphate intermediate를 형성한다.

        ⅳ.(Na⁺-K⁺)-ATPase는 두 개의 주요한 conformational states를 갖는다.

           ATP는 오직 Na존재하에 (Na⁺-K⁺)-ATPase를 phosphorylation하며,

           aspartyl phosphate는 오직 K⁺존재하에 hydrolysis된다.

                α.E1 : inward-facing high-affinity Na-binding site를 갖는다.

                        Na⁺가 bind되어있을때에만 ATP와 반응하여 활성product E1～P 형성.

                β.E2 : outward-facing high-affinity K-binding site를 갖는다.

                        K⁺가 bind되어있을때에만 가수분해되어 Pi+E2를 형성

              *그림18-20참조!

                Step1(ATP binding)

                Step2(formation of high-energy aspartyl phosphate intermediate

                Step3(Na⁺ transport)            

                Step4(K+ binding)

                Step5(Phosphate hydrolysis)     

                Step6(K⁺ transport and Na binding)

        ⅴ.Cardiac glycosides(강심배당체)는 특이적으로 (Na⁺-K⁺)-ATPase를 억제한다.

                α.종류 : digitoxin, ouabain

                β.작용 : (Na⁺-K⁺)-ATPase의 외부 노출부분에 강하게 결합, 앞에서 언급한

                         Step5(Phosphate hydrolysis)를 차단한다.

                        → intracellular Na⁺의 농도가 증가, cardiac (Na⁺-Ca²⁺)antiport를 자극,

                           Na⁺는 배출하고 Ca²⁺는 세포안으로 들여보낸다

                        → cytosolic Ca²⁺의 농도가 증가하여 다른 cellular organelle, 특히

                           sarcoplasmic reticulum(근질세망)의 Ca²⁺농도를 올려준다.

                        → 근육수축을 촉발하는 Ca²⁺의 release가 심근수축력을 강화한다.

  2)Ca²⁺-ATPase(Ca pump)

        ⅰ.기본적인 energy흐름으로서 phosphate를 이용하기위해서는 세포가 낮은

           internal [Ca²⁺]농도를 유지할 필요가 있다.

           세포내 [Ca²⁺]은 10^-7M, 세포밖 [Ca²⁺]은 10^-3M, Active transport가 필요.

        ⅱ.Ca²⁺-ATPase는 mitochondrial inner membrane, plasma membrane, ER에 존재.

        ⅲ.plasma membrane에서의 Ca pump의 조절은

           Calmodulin(eukaryotic Ca-binding protein)의 매개를 통하여 Ca²⁺ level에 의해 조절.

           Ca²⁺-Calmodulin은 Ca pump의 inhibitory polypeptide segment에 binding하여     

           plasma membrane의 Ca-ATPase를 activate한다.

                *Ca²⁺ + CaM ⇌ Ca²⁺-CaM + pump(inactive) ⇌ Ca²⁺-CaM pump(active)

  3)(H⁺-K⁺)-ATPase of Gastric Mucosa

        ⅰ.포유동물의 위장점막의 parietal cell은 0.15M(pH0.8)의 HCl을 위로 분비한다.

           parietal cell내의 pH가 7.4로 [H⁺]가 낮기 때문에 분비를 위해서는

           (H⁺-K⁺)-ATPase에 의한 active transport가 필요.

        ⅱ.Histamine이 위의 H2 receptor에 작용하여 H ion을 위안으로 분비하는

           (H⁺-K⁺)-ATPase를 activation

                α.Cimetidine(상품명:Tagamet) - H2 receptor blocking.

                                                간접적으로 (H⁺-K⁺)-ATPase inactivation

                β.Omeprazole(상품명:Losec) - (H⁺-K⁺)-ATPase inhibitor

3.Ion Gradient-driven Active Transport

  1)Na⁺-Glucose Symport : glucose의 intestinal uptake

        *장으로부터의 glucose transport를 위한 즉각적인 에너지원은 Na gradient이지만,

         (Na⁺-K⁺)-ATPase에 의한 Na의 유지를 통하여 진정으로 이 과정에 힘을 주는 것은

         ATP hydrolysis의 free energy다.

  2)Lactose permease(galactosise permease) : lactose uptake

  3)Mitochondrial ADP-ATP translocator : antiport. ion-gradient.

Chapter 19. Citric Acid Cycle

1.Cycle overview(그림19-1)

     *3NAD⁺ + FAD + GDP + Pi + acetyl-CoA → 3NADH + FADH2 + GTP + CoA + 2CO2

2.Metabolic sources of acetyl-Coenzyme A(그림19-2)

  1)Pyruvate dehydrogenase multienzyme complex

        ⅰ.Acetyl-CoA는 pyruvate dehydrogenase라고 하는 multienzyme complex에 의한

           산화적 decarboxylation에 의하여 pyruvate로부터 형성된다.

                α.Pyruvate dehydrogenase(E1)

                β.dihydrolipoyl transacetylase(E2)         

                γ.dihydrolipoyl dehydrogenase(E3)

        ⅱ.Acetyl-CoA는 5 reaction을 경유한다(5 coenzyme 필요)(그림19-6)

            *pyruvate + CoA + NAD → acetyl-CoA + CO2 + NADH             

                α.Pyruvate dehydrogenase(E1)이 pyruvate를 decarboxylate,

                   hydroxyethyl-TPP(thiamine pyrophosphate)의 intermediate형성.

                β.hydroxyethyl group이 dihydrolipoyl transacetylase(E2)에 transfer

                γ.acetyl group이 CoA로 transfer되는 것을 E2가 촉매,

                   acetyl-CoA와 dihydrolipoamide-E2생성.

                δ.dihydrolipoyl dehydrogenase(=lipoamide dehydrogenase, E3)가

                   dihydrolipoamide를 재산화, E2의 catalytic cycle을 완성

                ε.환원된 E3가 NAD에 의하여 다시 산화된다.

            *Table19-1. The Coenzymes of pyruvate dehydrogenase

                α.TPP(thiamine pyrophosphate) : Bound to E1

                β.Lipoic acid : E2의 Lysine에 covalent link

                γ.Coenzyme A(CoA) : E2에 대한 기질

                δ.FAD(Flavin adenine dinucleotide) : Bound to E3

                ε.NAD⁺(Nicotinamide adenine dinucleotide) : E3에 대한 기질

  2)Control of pyruvate dehydrogenase

        ⅰ.Control by Product inhibition(그림19-10a)

                α.NADH와 acetyl-CoA가 binding site를 놓고, NAD⁺, CoA와 경쟁

                β.NADH와 acetyl-CoA가 많으면 또한 reversible transacetylase(E2)와

                   dihydrolipoyl dehydrogenase(E3) 반응을 거꾸로(backwards) drive한다.

        ⅱ.Control by phosphorylation/dephosphorylation(eukaryotic enzyme complex에서만)

                α.이 complex는 dihydrolipoyl transacetylase core에 bound되어있는

                   pyruvate dehydrogenase kinase와 pyruvate dehydrogenase phosphatase를                     포함하고 있다.

                β.kinase는 ATP에 의한 특이적 dehydrogenase Serine residue의

                   phosphorylation을 촉매함으로써 pyruvate dehydrogenase(E1)을 inactivation

                γ.phosphatase에 의한 이 phospho-Serine residue의 가수분해는 complex를

                   reactivation!(그림19-10b)

3.Enzymes of the citric acid cycle

  1)Citrate Synthase(원래이름은 Citrate condensing enzyme)

        ;acetyl-CoA와 oxaloacetate의 condensation을 촉매한다. Reaction 1

  2)Aconitase : intermediate로써의 cis-aconitate와 함께 citrate, isocitrate의

                reversible isomerization을 촉매한다. Reaction 2

  3)NAD-dependent Isocitrate dehydrogenase (Reaction 3)

        ⅰ.isocitrate가 α-ketoglutarate로 oxidative decarboxylation되는 것을 촉매한다.

        ⅱ.citric acid cycle의 첫 번째 CO2와 NADH생성.

        ⅲ.cofactor로서 Mn or Mg를 필요로 한다.

  4)α-Ketoglutarate dehydrogenase (Reaction 4)

        ⅰ.α-keto acid(α-ketoglutarate)의 oxidative decarboxylation을 촉매한다.

        ⅱ.citric acid cycle의 두 번째 CO2와 NADH release

        ⅲ.multienzyme complex가 관여한다.

                E1(α-ketoglutarate dehydrogenase)

                E2(dihydrolipoyl transsuccinylase)

                E3(dihydrolipoyl dehydrogenase)

  5)Succinyl-CoA Synthetase(=Succinate thiokinase)

        ⅰ.high-energy compound인 succinyl-CoA를 가수분해하며 동시에

           high-energy의 nucleoside triphosphate가 합성된다. Reaction 5

        ⅱ.GTP가 GDP + Pi로부터 합성된다.

  6)Succinate dehydrogenase : Reaction 6

        ⅰ.succinate가 fumarate로 stereospecific dehydrogenation되는 것을 촉매한다.

                *Succinate + E-FAD → Fumarate + E-FADH2 → E-FAD

        ⅱ.succinate와 구조적으로 유사한 malonate는 competitive inhibitor로서 작용한다.

  7)Fumarase(Fumarate hydratase) : Reaction 7

        ; fumarate의 double bond가 가수분해되어 S-malate(L-malate)형성하는 것을 촉매한다

  8)Malate dehydrogenase : Reaction 8

        ; citric acid cycle의 마지막 반응, oxaloacetate의 regeneration을 촉매한다.

4.Regulation of the Citric acid cycle

       *Citric acid cycle의 Rate-controlling enzyme은

        Citrate Synthase, Isocitrate dehydrogenase, α-ketoglutarate dehydrogenase이다.

  1)Substrate availability : 기질(acetyl-CoA와 oxaloacetate)의 농도변화에 의한 control

        *acetyl-CoA는 많지만 oxaloacetate가 부족하면, pyruvate가 carboxylation되어

         oxaloacetate를 만듦으로써 citric acid cycle이 돌아가게되는데, 이 pyruvate의

         carboxylation은 pyruvate carboxylase가 촉매한다.

  2)Product inhibition

        ⅰ.citrate removal의 속도는 NAD-dependent isocitrate dehydrogenase에 의해 지배되는          데, 이 NAD-dependent isocitrate dehydrogenase는 NADH에 의하여 강하게 억제된다.

          Citrate synthase도 역시 NADH에 의하여 억제된다.

        ⅱ.증가된 isocitrate dehydrogenase activity에 의한 citrate의 농도감소는 citrate 형성의

           속도를 증가시키며, citrate는 oxaloacetate의 competitive inhibitor로서

           citrate synthase를 억제한다.

        ⅲ.α-ketoglutarate dehydrogenase도 그 product인 NADH와 succinyl-CoA에 의하여

           억제되는데, 그 activity는 NADH농도가 감소할 때 증가한다.

  3)Competitive feedback inhibition

        *Succinyl-CoA는 citrate synthase 반응에서 acetyl-CoA와 경쟁한다.

  4)Citric acid cycle enzyme의 Allosteric regulators

        ⅰ.ADP : isocitrate dehydrogenase의 allosteric activator로서 작용

        ⅱ.ATP : 근육이 휴식을 취할 때 축적됨으로써, 이 enzyme을 inhibition

        ⅲ.Ca²⁺ α.pyruvate dehydrogenase phosphatase를 activation,

                   이것이 계속해서 pyruvate dehydrogenase complex를 activation하여

                   acetyl-CoA를 생성한다.

                β.isocitrate dehydrogenase와 α-ketoglutarate dehydrogenase를 activation

                γ.물론 그 이외에도 Ca²⁺은 glycogen breakdown을 자극하고, 근육의 수축

                   도 촉진하며, second messenger로서 많은 hormonal signal을 매개하기도한다

Chapter 20. Electron Transport and oxidative Phosphorylation

1.The Mitochondrion

  1)Mitochondrial anatomy(그림20-2)

        ⅰ.outer membrane : 10kD의 molecule까지 자유로운 확산을 허용하는 nonspecific pore

                            를 형성하는 단백질인 porin을 포함하고 있다.

        ⅱ.inner membrane : 오직 O2, CO2, H2O만 자유롭게 투과하며,

                            ATP, ADP, Ca²⁺, pyruvate, phosphate같은 metabolite의 통과를 조                            절하는 많은 transport protein을 갖고 있다.

  2)Mitochondrial transport system

        ⅰ.inner membrane은 대부분의 hydrophilic substance에 대해 투과성이 없다. 따라서

           specific한 transport system을 갖는다

                α.Pi transport : ATP는 mitochondrion내에서 ADP + Pi로부터 생성되지만,

                                cytosol내에서 이용된다. 생성된 Pi는 △pH에 의해 유도된

                                Pi-H symport를 통하여 mitochondrion안으로 return된다.

                        *ADP와 Pi의 높은 농도를 유지하는데에는 electron transport의

                         redox-driven proton pump에 의해 생성된 electrochemical potential

                         gradient가 중요한 역할을 한다.

                β.Ca²⁺ transport : Ca은 second messenger로서 기능하며, mitochondrion,

                                 ER, extracellular space가 Ca storage tank로서 작용한다.

        ⅱ.Cytoplasmic shuttle systems : inner membrane을 통하여 NADH를 운반한다.

            -inner membrane에는 NADH transport system이 없고, 오직 cytosolic NADH에서

             나온 electron만이 몇가지 shuttle system중 하나에 의해 안으로 운반된다.

                α.glycerophosphate shuttle(그림20-6)

                   ;3-phosphoglycerol dehydrogenase가 dihydroxyacetone phosphate에 의한

                  cytosolic NADH의 산화를 촉매하여 NAD⁺를 생성하며, NAD⁺는 다시                glycolysis로 들어간다. 3-phosphoglycerol의 전자는 flavoprotein                                   dehydrogenase에 전달되어 FADH2를 형성하는데, 이것이 electron                              transport chain에 전자를 공급한다.

                        *다시 산화된 cytosolic NADH 1개마다 2 ATP 합성

                β.malate-aspartate shuttle(그림20-7)

                   ;cytosolic NADH의 전자가 mitochondrial NADH로 전달되어 electron

                    transport chain을 거치며 재산화,

                        *cytosolic NADH 1개당 3 ATP 생성(좀 복잡하지만, 더 효율적)

                           ①malate-α-ketoglutarate carrier

                           ②glutamate-aspartate carrier

2.Electron transport

        *전자운반과정에서 NADH와 FADH2로부터 protein-bound redox center를 통한 O2로의

         electron transfer의 free energy는 ATP합성과 couple되어있다.

  1)Electron transport의 Sequence(그림20-8)

  2)Electron transport chain의 components

        ⅰ.ComplexⅠ(NADH-Coenzyme Q reductase) : FMN과 CoQ가 coenzyme!

                α.NADH로부터 전자를 CoQ(Coenzyme Q)에 pass

                β.inner mitochondrial membrane의 protein component중 가장 크다(850kD)

                γ.한분자의 Flavinmononucleotide(FMN)을 함유,

                    -FMN은 redox-active prosthetic group으로서 AMP group이 없다는 점만

                      FAD와 다르다.

                δ.electron transport process에 참여하는 6-7개의 iron-sulfur cluster함유

                    -iron-sulfur protein(nonheme iron protein)의 prosthetic group으로서

                     3가지 type이 존재(574p 그림참조, cystein sulfhydryl group)

        ⅱ.ComplexⅡ(Succinate-Coenzyme Q reductase) :

                α.dimer형태의 citric acid cycle enzyme인 succinate dehydrogenase와 3가지

                   작은 hydrophobic subunit를 가지고 있다.

                β.succinate로부터 CoQ로 전자를 pass

                γ.covalently bound FAD, 3개의 iron-sulfur cluster, 1개의 cytochrome b560이                    함께 참여한다.               

        ⅲ.Coenzyme Q(CoQ, ubiquinone)

                ;ComplexⅠ과 ComplexⅡ로부터 ComplexⅢ로 전자 운반

        ⅳ.ComplexⅢ(Coenzyme Q-Cytochrome c reductase)

                α.환원된 CoQ로부터 cytochrome c로 전자를 pass

                β.2개의 b-cytochrome과 1개의 cytochrome c, 1개의 iron-sulfur cluster함유

        ⅴ.Cytochrome c

                α.알려진 crystal구조의 peripheral membrane protein.

                β.ComplexⅢ의 cytochrome c1과 ComplexⅣ(=cytochrome c oxidase)에 교대로

                   결합, 그들 사이에 전자를 shuttle하는 기능

        ⅵ.ComplexⅣ(Cytochrome c oxidase)

                α.연속적으로 환원된 4개의 cytochrome c molecule의 one-electron oxidation과

                 동시에 one O2 molecule의 4 electron reduction을 촉매한다.

                   *4Cytochrome c2+ + 4H⁺ + O2 → 4cytochrome c3+ + 2H2O

                β.4개의 redox-active center

                    ;cytochrome a, cytochrome a3, 2개의 Cu atom.

3.Oxidative phosphorylation

        *mitochondria에서 ADP + Pi로부터 ATP로의 endergonic synthesis는

         electron transport process에 의해 drive되는데, proton-translocating ATP synthase,

         즉 ComplexⅤ에 의하여 촉매된다.

  1)Energy coupling hypotheses중에 Chemiosmotic hypothesis(그림20-23)

     -inner mitochondrial membrane을 교차하는 proton electrochemical gradient의 생성은

      electron transport와 ATP synthesis를 coupling한다. electron transport동안 H ion은

      mitochondrion밖으로 pumping되며, 다시 exergonic return을 하면 ATP 합성에 힘을 준다.

        ⅰ.oxidative phosphorylation은 완전한(intact) inner mitochondrial membrane을 필요로함

        ⅱ.inner mitochondrial membrane은 H⁺, OH, K, Cl같은 이온들에 대해 투과성이 없다.

           H⁺ pumping system은 존재

        ⅲ.Electron transport는 결과적으로 H⁺를 intact mitochondria밖으로 운반하며,

           electrochemical gradient를 만들어낸다.

        ⅳ.proton에 대한 inner mitochondrial membrane의 투과성을 증가시키는 compound들은

          electrochemical gradient를 흩뜨려 electron transport를 계속되게하지만,

          ATP synthesis는 억제한다.

          즉, electron transport를 oxidative phosphorylation으로부터 uncoupling하고,

          반대로 inner mitochondrial membrane밖의 acidity를 증가시켜 ATP합성을 자극.

  2)Proton gradient generation

        ⅰ.proton pumping은 endergonic process이다.

        ⅱ.약 3 proton의 passage가 1개의 ATP합성에 필요하다.

        ⅲ.proton transport의 두 mechanism

                α.The Redox Loop mechanism

                β.The Proton Pump mechanism:생화학적견지에서 proton carrier의 존재추측)                   -electron transfer는 complex의 conformational change를 가져온다.

                    amino acid side chain의 pK에 대한 conformational change의 영향의 결과                    로 proton의 translocation이 일어난다.         

  3)ATP synthesis의 mechanism

        ⅰ.Proton-translocating ATP synthase(Proton pumping ATPase=F1F0-ATPase)

                α.multisubunit transmembrane protein으로서 inner mitochondrial membrane

                   에서 가장 복잡한 구조다. inner mitochondrial membrane을 sonication하면

                   submitochondrial particles생성하는데, 이것을 urea로 처리하면

                   membranous vesicle과 F1 particle로 분리된다.(거꾸로 reconstitution가능)

                β.F1과 F0, 두 개의 functional unit가 있다(그림20-29)

                        ①F1 : water-soluble peripheral membrane protein,

                                다섯가지 subunit(α3β3γδε)

                                βsubunit에 ATP합성을 위한 catalytic site가 있으며,

                                δsubunit는 F1이 F0에 결합하는데 필요하다.

                        ②F0 : water-insoluble integral protein.

                                Dicyclohexylcarbodiimide(DCCD)-binding protein

                                (=DCCD-binding proteolipid)의 여섯 copy를 포함.

                                polar proton-transport channel을 형성.

                     *Oligomycin(Streptomyces-produces antibiotic)은 F0의 subunit에 결합,

                        F0를 통한 H⁺ transport를 방해함으로써 ATP합성을 억제한다.

                      Dicyclohexylcarbodiimide(DCCD)는 mammalian F0의 subunit중의 하나에

                        있는 single Glutamic acid residue와 반응함으로써 F0를 통한 proton

                        transport를 억제한다.

                γ.Stalk : F1에 F0을 binding하는데 필요.

                          OSCP(Oligomycin-sensitivity-confering protein)와

                          Coupling factor6(F6)각각 한 개씩 존재

                δ.associated polypeptides

                        IF1(ATP hydrolysis를 inhibit, F1βsubunit에 binding), FB

        ⅱ.Binding change mechanism

                conformational change에 의해 proton-translocating ATP synthase가 drive된다.

                → proton gradient 생성 → inner membrane space에 많은 H⁺가 축적

                → F0의 proton channel과 Stalk를 통해 Matrix안으로 들어와

                   이 driving force에 의해 F1의 βsubunit에서 ATP 합성.

4)Uncoupling of oxidative phosphorylation

        ⅰ.H⁺에 대한 투과성을 증가시키는 agent가 inner mitochondrial membrane에 존재하면 

           oxidative phosphorylation을 electron transport로부터 uncouple시킨다. 따라서

           ATP합성이 억제된다하더라도 electron transport는 허용된다.

                α.2,4-dinitrophenol(DNP)

                β.Carbonylcyanide-p-trifluoromethoxyphenylhydrazone(FCCP)

        ⅱ.Brown adipose tissue(Brown fat)

                α.electron transport로부터 생성되고 ATP합성과는 uncouple된 H⁺ gradient의                    dissipation이 열을 생성하게된다. 이 열의 생성이 Brown fat의 기능이다.

                β.Brown fat은 보통의 white adipose tissue와는 달리 많은 triacylglycerol과

                   mitochondria를 함유하고 있는데, mitochondrial cytochrome이

                   brown color를 띠게한다. 포유류의 신생아는 목과 등 위쪽에 brown fat을

                   가지고있어 nonshivering thermogenesis기능을 한다(biological heating pad)

                        ①brown fat에서의 열 생성은 mitochondria에서의

                          oxidative phosphorylation의 조절된 uncoupling과 관련이 있다.

                        ②brown fat의 mitochondria는 다른 조직의 mitochondria와는 달리

                          uncoupling protein(UCP)인 thermogenin을 갖고 있다. 이것이

                          proton에 대한 inner mitochondrial membrane의 투과성을 조절하는

                          channel로서 기능한다(그림20-33)

4.Control of ATP production

  1)Control of oxidative phosphorylation(593p. 수식참조)

  2)Physiological implication of aerobic versus anaerobic metabolism

        ⅰ.Aerobic ATP production이 훨씬 효율적이다.

                α.anaerobic glycolysis

                        C6H12O6 + 2ADP + 2Pi → 2lactate + 2H⁺ + 2H2O + 2ATP

                β.aerobic glycolysis

                        C6H12O6 + 38ADP + 38Pi + 6O2 → 6CO2 + 44H2O + 38ATP

        ⅱ.Cardiovascular disease(심혈관계질환)

                α.Myocardial infarction(heart attack) : 심장에 대한 혈액(산소)공급의 방해

                β.Stroke(뇌졸중) : 뇌에 대한 혈액(산소)의 공급방해

            *산소가 결핍되면 ATP production을 위해서 glycolysis에만 의존하던 세포가

             빠른 ATP production의 원천인 phosphocreatine과 함께 glycogen의 저장을 상실.

             ATP production의 속도가 떨어지면서 osmotic balance가 방해받아 세포와

             organelle들이 팽창, intracellular pH감소, metabolic activity가 정지하면서 세포가

             비가역적 손상을 받는다.

Chapter 21. Other Pathways of Carbohydrate metabolism

1.Gluconeogenesis

  *The Cori Cycle(그림21-9)

        muscle glycolysis에 의해 생성된 lactate가 혈관에 의해 간으로 운반된다.

        간에서는 gluconeogenesis에 의하여 glucose로 전환되며, 이를 다시 혈류가 muscle로

        운반하여 glycogen으로 저장한다.

2.Pentose phosphate pathway

  *NADPH생성(fatty acid합성에 이용) Ribose생성(RNA, DNA합성에 이용)

        3G6P + 6NADP + 3H2O ⇌ 6NADPH + 6H + 3CO2 + 2F6P + GAP

Chapter 23. Lipid Metabolism

        *Triacylglycerol은 동물에 있어서 metabolic energy의 주요 저장형태이며,

         Cholesterol은 cell membrane의 vital component이고, steroid hormone과 bile acid의

         precursor이다.

         Arachidonate는 unsaturated fatty acid로서 prostaglandin, prostacyclin, thromboxane,

         leukotriene의 precursor이다.

1.Lipid digestion, absorption and transport

  1)Triacylglycerols(fats=triglycerides)

        ⅰ.dietary lipid의 90%를 차지하며 인간에 있어서 metabolic energy storage의

          주요형태이다.

        ⅱ.triacylglycerol은 water-insoluble이고 digestive enzyme은 water-soluble이기 때문에            lipid digestion은 lipid-water interface에서 일어난다. 이때 bile acid의 유화작용, 즉

           emulsifying action의 도움을 받는다.

  2)Lipid digestion관여 enzyme

        ⅰ.Pancreatic lipase(triacylglycerol lipase) : catalytic triad가짐

           -fatty acid의 Na, K염과 함께 triacylglycerol의 1,3번위치에서의 hydrolysis를 촉매,

            1,2-diacylglycerol과 2-acylglycerol을 형성

        ⅱ.Pancreatic phospholipase A2(그림23-2) : catalytic diad(functional site가 두 개)

  3)Lipid는 lipoprotein complex를 통해 운반된다.

    Lipoprotein lipase에 의하여 Chylomicron이나 VLDL이 가수분해되면 free fatty acid와

    glycerol이 나오는데, fatty acid는 adipose tissue에 의해서 uptake되고, glycerol은 간이나

    신장으로 운반된다. Blood stream으로 유리된 free fatty acid는 albumin과 결합한다.

2.Fatty acid oxidation(βoxidation)

  *Franz Knoop의 고전적 실험(그림23-6) -Fatty acid는 β-carbon atom에서 산화된다. C 2개씩

  1)Fatty acid activation(ATP-dependent acylation reaction) :667p그림23-7참조!

        *Activation process는 적어도 세 개의 acyl-CoA synthetase(thiokinase)의 촉매가 필요.

                Fatty acid + CoA + ATP ⇌ acyl-CoA + AMP + PPi

  2)Transport across the mitochondrial membrane(그림23-8, 23-9)

        *Carnitine + Fatty acyl-CoA ⇌ Acyl-carnitine + H-SCoA

         ⅰ.Carnitine palmitoyl transferase가 촉매

         ⅱ.specific Carnitine carrier protein의 도움이 필요

  3)βoxidation(그림23-10)

        ⅰ.mitochondria 안으로 운반된 fatty acyl-CoA는 C가 두 개씩 잘려나가는

          βoxidation을 거쳐 acetyl-CoA 형성.

        ⅱ.fatty acid oxidation은 매우 exergonic하다.

                α.C16 fatty acyl group을 갖고 있는 Palmitoyl-CoA 1분자의 oxidation

                   → 7FADH2, 7NADH, 8acetyl-CoA생성.

                β.8acetyl-CoA의 oxidation

                   → 8GTP, 24NADH, 8FADH2 생성

                γ.총 31NADH의 oxidative phosphorylation으로부터 93ATP생성.

                   총 15FADH2의 oxidative phosphorylation으로부터 30ATP생성.

             *123ATP + 8GTP - 2ATP(fatty acyl-CoA형성에 쓰인 것) = 129ATP생성!

3.Ketone bodies

        *Fatty acid의 oxidation에 의해 체내에 Acetyl-CoA농도가 증가

         Acetyl-CoA는 주로 간세포의 mitochondria에서

         acetoacetate 또는 D-β-hydroxybutyrate로 전환되는데, 이들을 acetone과 함께

         Ketone bodies라고 부른다.(그림23-22)

        *뇌는 정상환경에서 오직 glucose만을 energy source로 사용하지만, 기아상태에서는

         ketone bodies가 주연료가 된다.

        *당뇨환자의 경우 insulin을 투여하지 않았을 때에도 fatty acid로부터 ketone bodies형성

         kenone body에 의해 metabolic acidosis!(혈액pH↓), acetone냄새가 난다.

4.Fatty acid biosynthesis

  1)Pathway overview(그림23-25) ← NADPH from Pentose phosphate pathway

        *ACP(acyl-carrier protein)는 CoA와 구조유사

  2)Acetyl-CoA Carboxylase : Acetyl-CoA → Malonyl-CoA(682p. 그림참조)

        ⅰ.fatty acid biosynthesis의 first committed step을 촉매하며,

          그 rate-controlling step의 하나를 촉매한다.

        ⅱ.biotin-dependent enzyme으로서 CO2 activation과 carboxylation의 2 step을 통해

           작용한다. E.coli의 경우 biotin carboxylase와 transcarboxylase가 각각 촉매.

  3)Fatty acid synthase : Acetyl-CoA, Malonyl-CoA로부터 palmitic acid같은 fatty acid를

                         합성하는데 관여하는 enzyme complex(그림23-29)

   *Palmitate biosynthesis를 위한 overall reaction

    8Acetyl-CoA + 14NADPH + 7ATP→ palmitate + 14NADP + 8CoA + 6H2O + 7ADP + 7Pi

  4)Mitochondrial Acetyl-CoA의 cytosol내로의 운반 (그림23-31)

        *Acetyl-CoA는 tricarboxylate transport system을 경유하여 citrate형태로 cytosol에 들         어간다. Cytosolic ATP-citrate lyase가 촉매한다.

                Citrate + CoA + ATP ⇌ acetyl-CoA + oxaloacetate + ADP + Pi

5.Regulation of fatty acid metabolism(그림23-35)

        *PO4가 붙으면 inactivation되는 enzyme

          - Glycogen synthase, Pyruvate dehydrogenase, Acetyl CoA carboxylase

6.Cholesterol metabolism

  1)Cholesterol biosynthesis

     ; Acetate → isoprenoid intermediate → squalene → cyclization product → cholesterol

       (branched pathway:그림23-38)

        ⅰ.Acetyl-CoA는 Hydroxymethylglutaryl-CoA(HMG-CoA)의 형성으로 시작되는 일련의

           반응에 의해 isoprene unit으로 전환된다.(isoprene unit = C5)

        ⅱ.HMG-CoA는 2개의 isoprenoid intermediate

           (isopentenyl pyrophosphate&dimethylallyl pyrophosphate)의 precursor다.

                *HMG-CoA reductase의 inhibitor는 cholesterol LDL합성을 저해하여 고지혈증

                 치료제로 이용된다. Lovastatin, Provastatin(그림23-51)

  2)Cholesterol transport

        ⅰ.간에서 합성된 cholesterol은

                α.소화를 위해서 bile acid로 전환되거나

                β.VLDL(very low density lipoprotein)이라는 lipoprotein complex의 일부분으로

                   혈류에 분비되는 cholesteryl esters를 형성하기 위해 ACAT, 즉

                   Acyl-CoA:cholesterol acyl transferase에 의해 esterify된다.

        ⅱ.VLDL이 순환하면서 그 성분인 triacylglycerol과 apolipoprotein은 근육과 adipose

           tissue에서 제거된다.

           → IDL(intermediate-density lipoprotein)

           → LDL(low-density lipoprotein)

                *LDL은 cholesteryl ester 35-40%, protein 20-25%

                        free cholesterol 7-10%, fat 7-10%

                α.정상적인 경우, LDL은 rough ER에서 합성된 LDL receptor에 의해 세포내로

                   들어간다(그림23-49, 23-50)

                β.Familial hypercholesterolemia의 경우, 유전적으로 LDL receptor 합성에 결함

                γ.High cholesterol diet를 할 경우에도 LDL receptor 합성을 저해한다.

  3)Cholesterol utilization

        ⅰ.Cholesterol은 steroid hormone과 bile acid의 전구체다.

                α.steroid hormone은 5 categories로 그룹지을 수있다.(그림23-52)

                   ; androgens(testosterone), estrogens(estradiol),

                     glucocorticoids(cortisol), mineralocorticoids(aldosterone),

                     progestin(progesterone)

                β.주요 bile acid인 cholic acid와 chenodeoxycholic acid는 간에서 합성되고

                   glycine 또는 taurine형태로  gallbladder로 분비된다. 지방 또는 지용성비타민

                   의 소화와 흡수에 있어서 유화제(emulsifying agent)로 작용한다.(그림23-53)

7.Arachidonate metabolism

        *Prostaglandins(PGs)는 1930년대 초반 Ulf von Euler에 의해 처음으로 인간의 정액에서

         확인되었다. von Euler는 이것이 전립선에서 나왔다고 보고 이름을 붙였다.

         적혈구를 제외한 모든 mammalian cell은 prostaglandin, 그리고 그와 관련된

         prostacyclins, thromboxanes, leukotriens등을 생성하는데,  이들을 모두 eicosanoid라고          부른다. C20 compound인 Eicosanoids는 hormone처럼 매우 낮은 농도에서도 심대한

         생리학적 영향을 유발한다

                ①inflammatory response(rheumatoid arthritis, psoriasis)

                ②production of pain and fever

                ③regulation of blood pressure

                ④induction of blood clotting

                ⑤control of several reproductive function(induction of labor, 분만유도)

                ⑥regulation of the sleep/wake cycle 등에 관여하는데,

         세포내에서는 cAMP에 의해 매개되며, 호르몬과는 달리 합성된 장소에서 작용하는

         local mediator이다.

  1)Background

        ⅰ.Prostaglandin의 precursor(그림23-55)

                α.Eicosatrienoic acid → series 1 prostaglandin(PG1)

                β.Eicosatetraenoic acid(Arachidonic acid) → series 2 prostaglandin(PG2)

                γ.Eicosapentaenoic acid(EPA) → series 3 prostaglandin(PG3)

        ⅱ.Arachidonate는 phospholipid hydrolysis에 의해 생성된다.(그림23-56)

                α.phospholipase A2가 phospholipids의 C2에서 acyl group을 가수분해!

                β.phospholipase C가 phosphatidylinositol head group을 특이적으로 가수분해

                   → 일단 1,2-diacylglycerol생성.

                γ.1,2-diacylglycerol은 diacylglycerol lipase에 의해 직접 가수분해되어

                   arachidonic acid를 만들거나, 

                   diacylglycerol kinase에 의하여 phosphatidic acid가 된 뒤, 다시

                   phospholipase A2에 의하여 arachidonic acid 형성

        ⅲ.Arachidonic acid는 Leukotriens, Thromboxanes, Prostacyclins의 전구체다

  2)Cyclic pathway of Arachidonate metabolism (그림23-58)

        ⅰ.prostaglandins, prostacyclins, thromboxanes를 생성

        ⅱ.PGH2 synthase(Prostaglandin H2 synthase=Prostaglandin endoperoxide synthase)가

           Heme-containing enzyme으로서 두 개의 catalytic activity보유

                α.Cyclooxygenase activity : arachidonic acid에 산소 2분자의 addition을 촉매,                                              PGG2로 전환

                β.Peroxidase activity : PGG2의 hydroperoxy function을 OH group으로

                                       전환(PGH2로)

             *생성된 PGH2는 prostaglandins, prostacyclins, thromboxanes의 즉시전구체다.

              (prostacyclin synthase, thromboxane synthase가 필요)

                -Prostacyclin은 혈관확장작용, 혈소판응집억제작용

                 Thromboxane은 혈관수축작용, 혈소판응집자극작용

        ⅲ.NSAIDs(nonsteroidal anti-inflammatory drugs)

                α.PGH2 synthase의 cyclooxygenase activity를 억제 또는 불활성화함으로써

                   prostaglandins, prostacyclins, thromboxanes의 합성을 억제한다.

                β.Aspirin(acetyl-salicylic acid)은 PGH2 synthase의 Serine 530 residue를

                   acetylation하여 inactivation!(그림23-62) 진통, 해열, 소염작용.

                   이틀마다 75mg정도를 복용하면 thromboxane synthase를 억제하여

                   혈소판응집을 억제하고, 심장마비와 뇌졸중의 가능성을 줄여준다.

                γ.그러나 COX1은 위점막보호기능을 하는데, 이것까지 억제함으로써 peptic                     ulcer를 유발한다는 점이 문제였다.

                   → Ideal NSAIDs : COX2만을 inhibition하는 new aspirin

                               - "Meloxicam"(상품명 : MOBIC from Boehringer Ingelheim)

  3)Linear pathway of arachidonate metabolism

        ⅰ.Leukotriens 생성(그림23-57) : Lipoxygenase가 필요

        ⅱ.NSAIDs에 의해 inhibition되지 않음.

8.Sphingolipid storage disease

  1)Tay-Sachs disease : Hexoaminidase A 결핍, 정신지체, 실명, 3살이내 사망

  2)Gaucher's disease : Glucocerebrosidase 결핍, 간과 비장의 비대, 장골의 부식, 정신지체

Chapter 24. Amino acid Metabolism

        *α-Amino acid는 protein monomeric units이면서 또한 많은 생물학적으로 중요한

         nitrogen-containing compound, 특히 heme, 생리학적으로 활성이 있는 amines,

         glutathione, nucleotides, nucleotide coenzyme의 전구체이다.

         (toxic한 α-amino group은 대사과정에서 떨어져나가 Urea가 된 후, urine으로 배출)

1.Amino acid deamination(amino group removal)

  1)Transamination

        ⅰ.amino acid의 amino group을 α-keto acid에 transfer하여

           original amino acid의 α-keto acid와 new amino acid생성

                α.Amino acid + enzyme ⇌ α-keto acid + enzyme-NH2

                   α-Ketoglutarate + enzyme-NH2 ⇌ enzyme + glutamate

                β.aminotransferase(transaminase)가 촉매

                        *pyridoxine(vitaminB6)의 유도체이면서 aldehyde-containing enzyme인

                         Pyridoxal-5'-phosphate(PLP)의 참여를 필요로 한다.

                         PLP는 Schiff base(imine) linkage를 경유하여 enzyme에 공유결합

                         (enzyme의 Lysine residue의 ε-amino group과 PLP의 aldehyde가

                          condensation한다)

                γ.new amino acid로 glutamate를 생성하면서 α-ketoglutarate가

                   predominant amino group acceptor로 작용한다.

        ⅱ.The Reaction's overall stoichiometry

             * Amino acid 1 + α-keto acid 2 ⇌ α-keto acid 1 + amino acid 2

                α.대부분의 aminotransferase는 오직 α-ketoglutarate 또는 oxaloacetate만을

                   α-keto acid substrate로 받아들인다.

                β.유일한 amino acid products로서 glutamate 또는 aspartate 생성

                        Glutamate + oxaloacetate ⇌ α-ketoglutarate + aspartate

                        (Glutamate-oxaloacetate transaminase에 의하여 상호전환)

                        Glutamate + pyruvate ⇌ α-ketoglutarate + Alanine

                        (Glutamate-pyruvate transaminase)

                    *혈액내 GOT, GPT농도가 높은 것은 간세포의 손상을 의미함

  2)Oxidative deamination

        Glutamate dehydrogenase가 mitochondria에서 glutamate를 oxidative deamination!

        cofactor로서 NAD⁺, NADP⁺가 필요하다.

            *Glutamate + NAD⁺ + H2O ⇌ α-ketoglutarate + NADH + NH4(ammonia)

             (α-ketoglutarate는 다음 transamination반응에 사용되고, ammonia는 urea cycle로)

  3)Other deamination

        L-amino acid oxidase와 D-amino acid oxidase가 L-amino acid와 D-amino acid의 산화

        를 촉매하며 FAD가 그 redox coenzyme이다.

2.Urea cycle

        *유기생명체는 아미노산의 대사분해물로부터 과잉의 질소를 세가지 형태로 배설한다.

                ①수생동물:ammonia로 배설(ammonotelic)

                ②대부분의 육상척추동물:urea로 배설(ureotelic)

                ③조류와 육상파충류:uric acid로 배설(uricotelic)

        *Urea는 urea cycle의 enzyme에 의해 간에서 합성된다.(그림24-4)

                NH3 + HCO3^- + Aspartate → Urea + Fumarate(731p 그림)

  1)Carbamoyl phosphate synthetase(CPS):first urea nitrogen atom의 획득

        ⅰ.NH4와 HCO3의 condensation과 activation을 촉매하여 carbamoyl phosphate형성

           CPS가 urea cycle member는 아니고, carbamoyl phosphate가 urea cycle로 들어간다.

        ⅱ.Eukaryote는 두가지 형태의 CPS를 갖는다.

                α.Mitochondrial CPSⅠ: nitrogen donor로서 ammonia를 사용하고

                                        urea biosynthesis에 참여한다.

                        a.ATP에 의해 HCO3^-를 activation, carbamoyl phosphate와 ADP형성

                        b.carbonyl phosphate에 대한 ammonia의 공격, phosphate를 대치하고

                          carbamate와 Pi형성.

                        c.second ATP에 의해 carbamate를 phosphorylation,

                          carbamoyl phosphate와 ADP형성

                β.Cytosolic CPSⅡ:nitrogen donor로서 glutamine을 사용하고

                                   pyrimidine biosynthesis를 사용한다.

  2)Ornithine transcarbamoylase → citrulline

  3)Argininosuccinate synthetase → argininosuccinate(aspartate참여)

  4)Argininosuccinase → arginine

  5)Arginase → ornithine & urea

3.Metabolic breakdown of individual Amino acids(그림24-8)

  1)Glucogenic amino acid : 그 carbon skeleton이 pyruvate, α-Ketoglutarate, succinyl-CoA

                            fumarate, oxaloacetate로 분해되어 glucose precursor가 되는 것

  2)Ketogenic amino acid : 그 carbon skeleton이 acetyl-CoA, acetoacetate로 분해되어

                           ketone body의 precursor가 되는 것

  *S-Adenosylmethionine(SAM): One carbon donor(biological methyl donor) -그림24-14

4.생합성전구체로서의 아미노산

  1)Heme : Fe-containing prosthetic group

        ⅰ.glycine이 전구체 : Glycine + acetate → Heme

        ⅱ.bile pigment(색소)로 degradation(그림24-31)

                α.Heme oxygenase에 의해 ring A, ring B사이에서 porphyrin이

                   oxidative cleavage → Biliverdin형성

                β.Biliverdin의 ring C, ring D사이의 central methenyl bridge가 환원      

                   → Bilirubin(highly lipophilic)

                γ.대장에 있는 bacterial enzyme에 의하여 Urobilinogen으로 전환

                   그중 일부는 재흡수되어 혈류를 경유, 신장으로 운반되어 urobilin으로 전환,

                   → 소변 특유의 노란색을 만든다.

                δ.Urobilinogen의 대부분은 미생물에 의해 짙은 적갈색의 Stercobilin이 된다.

                   → 똥의 주요 색소

  2)생리활성이 있는 Amine의 생합성

        ⅰ.Epinephrine (그림24-34)

                *Tyrosine → L-DOPA(dihydroxyphenylalanine) → Dopamine

                 → Norepinephrine(methyl이 없다) → Epinephrine

             α.Dopamine, Norepinephrine, epinephrine은 Catecholamine에 속한다.

             β.dopamine이 결핍되면 Parkinson's disease

                        -shaking palsy를 일으키는 degenerative condition

        ⅱ.Serotonin (그림24-33)

                α.Tryptophan → 5-Hydroxytryptophan

                    (Tryptophan hydroxylase가 촉매, Tetrahydrobiopterin이 필요)

                β.→ Serotonin(5-Hydroxytryptamine)생성

                    (aromatic amino acid decarboxylase가 촉매, PLP가 필요)

                γ.Serotonin은 smooth muscle contraction을 일으킨다.

        ⅲ.GABA(γ-Aminobutyric acid) :그림24-32

                *Glutamate → GABA(뇌에서의 major inhibitory neurotransmitter)

                 (glutamate decarboxylase가 촉매, PLP가 필요)

        ⅳ.Histamine(그림24-32)

                *Histidine → Histamine

                 α.histidine decarboxylase가 촉매, PLP가 필요

                 β.allergy반응에 관여, hormone으로 H2 receptor에 작용, 위산분비의 조절

  3)Glutathione(GSH;γ-glutamylcysteinylglycine) :760p그림참조

        ⅰ.glutathione peroxidase에 의한 peroxide detoxification,

           생성된 GSSG는 glutathione reductase에 의해 다시 GSH로 전환

        ⅱ.thiol transferase modulation of protein thioldisulfide balance

        ⅲ.glutathione-S-transferase에 의한 leukotriens의 생합성

  4)Tetrahydrofolate(THF) -그림24-37

        ⅰ.THF는 몇몇 oxidation state에서 C1 unit를 transfer하는 기능(1 carbon donor)

                α.Folate ⇌ DHF(7,8-Dihydrofolate) ⇌ THF(그림24-38)

                    *dihydrofolate reductase(DHFR)가 촉매

                β.포유류는 folic acid를 합성하지못하기 때문에 음식이나 장내미생물에 의해

                   공급받아야한다.

             *THF 생합성과 관련하여 815쪽 그림26-20 꼭 참조!

        ⅱ.Sulfonamides(sulfa drugs)

                α.THF의 p-aminobenzoic acid 성분과 구조적으로 유사한 antibiotic.

                β.procaryotes는 p-aminobenzoic acid가 vitamin으로 기능하여 folic acid합성.

                   sulfonamide는 p-aminobenzoic acid incorporation step에서 bacteria의

                   THF 합성을 competitive inhibition, abnormal folic acid생성.

                   One carbon donor로서의 역할을 제대로 못하게되니까

                   DNA합성이 안되어 정균작용을 하게된다(eukaryote는 영향이 없다.)

5.Amino acid biosynthesis(Table 24-2 인체에서 필수, 비필수아미노산)

        (1)Essential - Valine, Leucine, Isoleucine, Phenylalanine, Tryptophan

                      Methionine, Threonine, Lysine, Arginine, Histidine

        (2)Nonessential - Glycine, Alanine, Proline, Tyrosine, Serine, Cysteine......

Chapter 25 Energy metabolism : Integration and Organ specialization

1.Major pathways and strategies of energy metabolism(그림25-1)

  1)Glycolysis  2)Gluconeogenesis  3)Glycogen degradation and synthesis

  4)Fatty acid degradation and synthesis  5)Citric acid cycle

  6)Oxidative phosphorylation  7)Pentose phosphate pathway 

  8)Amino acid degradation and synthesis

2.Organ specialization(그림25-2)

  1)Brain : 아주 높은 호흡률을 갖고 있으며, resting O2 소비량의 20%를 차지한다.

        ⅰ.nerve impulse transmission을 위해서 요구되는 membrane potential은

           plasma membrane (Na⁺-K⁺)-ATPase에 의해 유지되는데, 뇌의 에너지

           대부분이 이 효소에 힘을 주기위해 봉사한다.

        ⅱ.정상적인 상태에서는 오직 glucose만을 연료로 사용하지만, 위기상태에서는

           점점 ketone bodies로 전환한다.

  2)Muscle

        ⅰ.주연료는 glycogen으로부터의 glucose와 fatty acid, ketone bodies.

          에너지 저장은 glycogen형태로 하는데, 이는 빠르게 G6P로 전환되어 glycolysis로

          들어갈 수 있기 때문이다.

        ⅱ.운동을 안하고 있을 때의 energy source는 fatty acid

           최고로 운동을 하고 있을 때의 energy source는 glucose

                α.glucose의 1/4만 간에 있고, 3/4은 근육에 있다.

                β.근육에서 생성되는 fatty acid는 간으로 보내져 glucose재합성에 이용한다.

        ⅲ.Muscle contraction은 High exertion상태에서는 anaerobic이다.

                α.근육수축은 ATP hydrolysis에 의해 drive된다. ATP는 다시 재생.

                        Phosphocreatine + ADP ⇌ Creatine + ATP

                        Phosphocreatine은 resting muscle에서 다시 합성된다.

                β.심한 운동시 G6P가 anaerobic하게 lactate로 전환되어(Cori cycle)

                   혈류를 경유하여 간으로 보내지고 거기에서 glucose로 다시 전환된다.

        ⅳ.Muscle fatigue는 protective function을 한다.

                근육세포들이 ATP supply의 고갈에 의하여 자살하는 것을 예방한다.

        ⅴ.Heart muscle

                α.심한 운동시를 제외하면 심장근육은 전적으로 호기성대사에 의존한다.

                   따라서 산소가 반드시 필요하며 Mitochondria가 억수로 많다.

                β.energy source는 glucose, fatty acid, ketone bodies, pyruvate, lactate.

                  그 에너지 소비는 규칙적이다.

                γ.에너지의 저장기능은 없다.

  3)Adipose tissue : Adipocyte는 triacylglycerol을 가수분해하여 fatty acid와 glycerol을

                    형성하는데, 이때 glucagon, insulin, epinephrine의 농도가 영향을 주며,

                    Hormone-sensitive lipase가 촉매작용을 한다.

3.Metabolic adaptation - Starvation과 Diabetes Mellitus

  1)Insulin-dependent or juvenile-onset Diabetes mellitus(typeⅠ)

        ⅰ.유년기에 갑자기 발생한다.

        ⅱ.원인 : pancreas가 βcell을 결핍하거나 결함이 있는 βcell을 갖고 있어서

                 insulin이 충분히 분비되지 못하는 것

        ⅲ.치료 : 매일 insulin 주사

  2)Noninsulin-dependent or maturity-onset diabetes mellitus(typeⅡ)

        ⅰ.원인 : insulin level은 정상이거나 그 이상으로 분비되지만, insulin receptor가

                 결핍되거나 결함이 있어서 insulin이 target cell을 충분히 자극하지 못함

                 overeating으로 인한 insulin생성의 증가도 insulin receptor합성을 억제한다.

        ⅱ.치료 : Diet(살빼기가 아니고 식이요법, 즉 가려먹기! 골고루 먹는게 꼭 좋은 건 아냐)

Chapter 26 Nucleotide Metabolism

        *Nucleotide는 거의 모든 생화학과정에 참여하는 물질이다.

                ①nucleic acid(핵산)의 monomeric unit를 형성한다.

                ②대부분의 energy-releasing pathway의 에너지가 풍부한 end product는

                  Nucleoside triphosphate이다(ATP)

                ③대부분의 metabolic pathway는 ATP, ADP, AMP등의 nucleotide에 의해

                  조절된다. 많은 hormonal signal들도 cAMP, cGMP등에 의하여 매개된다.

                ④Adenine nucleotide는 NAD, NADP, FMN, FAD, coenzyme A 등 조효소의

                  성분이다.

1.Chemical structures of Nucleotides, Nucleosides and Bases

  1)그림26-1 : Ribonucleotides와 Deoxyribonucleotides의 화학적구조

  2)Table26-1 : Nucleic acid bases, Nucleosides, Nucleotides의 이름과 생략형표시

        ⅰ.Adenine(Ade) → Adenosine(Ado) → Adenylic acid(Adenosine monophosphate)

        ⅱ.Guanine(Gua) → Guanosine(Guo) → Guanylic acid(Guanosine monophosphate)

        ⅲ.Cytosine(Cyt) → Cytidine(Cyd) → Cytidylic acid(Cytidine monophosphate)

        ⅳ.Uracil(Ura)   → Uridine(Urd) → Uridylic acid(Uridine monophosphate)

        ⅴ.Thymine(Thy) → Deoxythymidine(dThd) → Deoxythymidylic acid(dTMP)

2.Synthesis of purine ribonucleotides

        *그림26-2 : purine ring atom의 biosynthetic origin

                    -aspartate, glutamine, glycine, formate, HCO3^-

  1)Inosine Monophosphate(IMP)의 합성 :purine ribonucleotides의 전구물질이 되는 것이 IMP다.

         *purine 생합성의 starting material은 pentose phosphate pathway의 product인                 α-D-ribose-5-phosphate이다. ribose phosphate pyrophosphokinase가 이 compound를

           activation, 5-phosphoribosyl-α-pyrophosphate(PRPP)를 형성한다.

           → Glutamine + H2O가 들어와 β-5-Phosphoribosylamine(PRA)형성

           → IMP 형성(중간과정생략, 그림26-3참조)

  2)IMP로부터 Adenine ribonucleotide와 Guanine ribonucleotide의 합성(그림26-6)

        ⅰ.AMP의 합성

                α.aspartate의 amino group이 IMP에 link. GTP가 GDP + Pi로 가수분해되면서                    에너지를 공급하면 adenylosuccinate형성

                β.adenylosuccinate lyase가 adenylosuccinate로부터 fumarate를 제거하여 AMP        ⅱ.GMP의 합성

                α.IMP가 NAD reduction을 경유하면서 dehydrogenation,

                   xanthosine monophosphate(XMP)을 형성

                β.XMP가 ATP가수분해에 의해 drive되는 반응에서 glutamine amide nitrogen

                   의 transfer에 의하여 GMP로 전환된다.

  3)Regulation of Purine nucleotide biosynthesis(그림26-7) : Feedback inhibition

  4)Salvage of purines

     -대부분의 cell은 그들의 nucleic acid의 active turnover를 갖고 있다.

       nucleic acid는 degradative process를 통하여 adenine, guanine, hypoxanthine같은       

       free purine을 release하는데, 이 free purine은 salvage pathway를 통하여 그에 상응하는

       nucleotides로 다시 전환된다. 포유류에서 purine은 대부분 두가지 효소에 의하여  

       salvage된다.

        ⅰ.Adenine phosphoribosyltransferase(APRT)

                PRPP에 adenine을 transfer하여 AMP형성을 매개하고 PPi release

                Adenine + PRPP ⇌ AMP + PPi

        ⅱ.Hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase(HGPRT)

                Hypoxanthine + PRPP ⇌ IMP + PPi  &  Guanine + PRPP ⇌ GMP + PPi

3.Synthesis of Pyrimidine ribonucleotides

        *그림 26-8 Pyrimidine ring의 생합성기원 : aspartate, glutamine, HCO3^-

  1)UMP의 합성 : 전구물질은 orotic acid(uracil-6-carboxylic acid)

        *그림 26-9 UMP의 de novo synthesis를 위한 metabolic pathway

                2ATP + HCO3^- + glutamine + H2O → Carbamoyl phosphate

                (Carbamoyl phosphate synthetase Ⅱ가 작용)

                → Carbamoyl aspartate → Dihydroorotate → Orotate

                → PRPP가 들어오며 orotate phosphoribosyl transferase가 작용

                → Orotidine monophosphate(OMP) : IMP와 같은 위치를 차지한다.

                → Uridine monophosphate(UMP)

  2)UTP → CTP의 합성(CTP synthetase가 촉매, ATP와 glutamine필요)

  3)Regulation of Pyrimidine nucleotide synthesis(그림26-11) : Feedback inhibition

4.Deoxyribonucleotide의 형성

        *DNA는 두가지면에서 RNA와 화학적으로 다르다.

                ①ribose residue가 아니라 2'-deoxyribose residue를 갖는다.

                ②uracil대신에 thymine(5-methyluracil) base를 갖는다.

  1)Deoxyribose residue의 production(806쪽 그림)

      *ribonucleotide reductase가 촉매

        ⅰ.E.coli ribonucleotide reductase

                α.철을 포함하는 ribonucleotide reductase가 ribonucleoside diphosphate를

                   상응하는 deoxyribonucleoside diphosphate로 환원한다.

                        NDP → dNDP

                β.α2β2 tetramer다. R1(α2), R2(β2) 두 개의 catalytically inactive dimer로

                   분해될 수있으며 둘이 합쳐 enzyme의 두 active site를 형성한다(그림26-12)

                   Cysteine(SH)이 중요한 역할.

        ⅱ.Ribonucleotide reductase의 physiological reducing agent

            -Thioredoxin & Glutaredoxin(810쪽 그림과 그림26-16) : 기질은 diphosphate!

        ⅲ.dNTP는 dNDP의 phosphorylation에 의해 생성된다.

                dNDP  + ATP ⇌ dNTP + ADP

  2)Origin of Thymine

        ⅰ.Thymidylate Synthase(TS) : methyl donor로서 N5N10-methylenetetrahydrofolate의                                         도움을 받아 dUMP로부터 dTMP를 합성(813쪽 그림)

        ⅱ.5-Fluorodeoxyuridylate(5-FdUMP) : 강력한 antitumor agent

                α.Thymidylate Synthase의 비가역적 inhibitor.

                β.mechanism-based inhibitor

                γ.암세포와 같이 빠르게 증식하는 세포들은 dTMP의 계속적인 공급을 필요로

                   하는데, FdUMP를 투여하면 dTMP생성을 억제하여 증식을 못하게된다.

             *5-Fluorouracil과 5-Fluorodeoxyuridine도 salvage reaction을 통하여

              FdUMP로 전환되기 때문에 유효한 antitumor agent이다.(Prodrug)

        ⅲ.Antifolates : folate cofactor의 작용을 방해하는 물질, Anticancer agents(그림26-20)

                α.Dihydrofolate reductase(DHFR)을 inhibition.

                   DHFR의 촉매작용이 차단되면 THF의 공급이 제한되고,

                   dTMP합성이 차단됨은 물론 purine, histidine, methionine의 합성같은

                   모든 THF-dependent biological reaction이 차단된다.

                β.Methotrexate(amethopterin), aminopterin, trimethoprim

                        a.DHF와 구조적으로 유사하여 dihydrofolate reductase가 DHF대신에

                          Methotrexate와 결합, competitive inhibition으로 THF합성억제.

                        b.folic acid metabolism이 차단되어 DNA합성이 억제된다.

                        c.Child leukemia(어린이 백혈병), Choriocarcinoma(융모막암)치료

                          정상세포를 잘 구별못해서 부작용이 심하다.

5.Nucleotide degradation : Uric acid의 운명

  1)인간과 영장류에 있어서 purine degradation의 최종산물은 uric acid이며 뇨로 배설된다.

    (그림26-22 : purine catabolism)

  2)Gout(통풍)

        ⅰ.체액에 uric acid의 농도가 상승하여 생기는 질환으로, 난용성의

           sodium urate crystal이 침착된다. 참기 어려운 관절통증이 특징.

           Renal damage와 urinary tract obstruction!

        ⅱ.치료제는 Allopurinol

                α.xanthine oxidase inhibitor로서 hypoxanthine analog이다.

                β.xanthine oxidase는 hypoxanthine을 그렇게 했던 것처럼, Allopurinol을

                   가수분해하여 alloxanthine을 생성.

                γ.이 alloxanthine이 enzyme의 reduced form에 단단하게 결합한 채로 남아있어

                   inactivation시킴 

                   → uric acid production의 속도를 감소시키고, 더 soluble한 hypoxanthine과

                      xanthine의 농도를 증가시켜 통풍의 증세를 완화시켜준다.

  3)Catabolism of pyrimidines(그림26-29)

        -end product는 β-alanine, β-aminoisobutyrate

         → transamination, activation을 거쳐 malonyl-CoA & methylmalonyl-coA로 전환

Chapter 27. DNA : The Vehicle of Inheritance

1.Genetics : A review

        ☞세포가 증식할 때는 DNA→DNA의 replication과 DNA→protein합성이 모두 일어나고

          증식이 아닐 때는 DNA→protein합성만 일어난다(transcription, translation) 

          Replication은 S phase에서 일어나며 8시간정도가 걸린다(Cell cycle전체는 24시간)

  1)Chromosomes (basic dye에 의해 염색, 그리스어로 chromos는 color, soma는 body)

      *세포분열시 DNA가 condensation하여 어떤 형태를 띠게되고 염색이 가능해서 눈으로

       볼 수있게된 것을 chromosome이라고 한다. Cell cycle상 interphase에서는 안보이고,

       M phase에서 보인다(1039p. 그림31-28참조)        

        ⅰ.모든 somatic cell(체세포)에는 각 chromosome의 2 copy가 있다.

           → homologous pairs(상동염색체) : 1번과 1번, 2번과 2번......

                α.haploid number : unique한 chromosome number(N)

                        *종이 다르면 반드시 haploid number가 다르다. 인간은 23개

                β.diploid number : chromosome의 total number(2N)

        ⅱ.체세포는 Mitosis에 의해서 분열된다.(그림27-2)

           : Interphase→Prophase→Metaphase→Anaphase→Telophase

                α.각 chromosome의 duplication에 의해 4N chromosome을 갖는 세포 형성

                β.diploid daughter cell은 parent cell과 똑같이 2N chromosome을 갖는다.

        ⅲ.Germ cell은 Meiosis에 의해 형성된다(2회분열, 감수분열) : 그림27-3

           : Interphase→Middle prophase→Late prophase→MetaphaseⅠ

             →AnaphaseⅠ→MetaphaseⅡ→AnaphaseⅡ→TelophaseⅡ

                α.male gamete(sperm,N)  female gamete(ovum,N)

                β.fertilization(zygote) : 2N

        ⅳ.sex chromosome : X & Y chromosome

                *그러면 그 나머지는? Autosome!

  2)Mendelian Inheritance terminology

        ⅰ.dominant(우성, F1에서 나타나는 특성)  recessive(열성, alternative한 특성)

        ⅱ.allele : 하나의 gene에 대응하는 gene

        ⅲ.genotype(유전형, genetic composition) ; homozygous(RR, rr) heterozygous(Rr)

  3)Chromosomal theory of inheritance

        ⅰ.Sex linked : gene이 X chromosome위에 있을 때.

        ⅱ.Genes direct protein expression‎

                α.One gene-one enzyme? No!

                β.One gene-one polypeptide? No!

                   *mRNA에서 단백질합성하는 과정말고도 tRNA, rRNA까지만 만들기도 한다.

Chapter 28 Nucleic acid structures and Manipulation

1.Chemical structure and Base composition

  1)Nucleic acid는 successive sugar residue의 3'과 5‘ position을 phosphate bridge로 연결하는

    nucleotide의 linear polymer다.(그림28-1 tetranucleotide)

        ⅰ.base와 ribose, phosphate로 구성된 기본 unit가 phosphodiester bond에 의해 연결,

           polynucleotide를 구성한다. polynucleotide의 phosphate는 acidic하며 생리적 pH에서

           nucleic acid는 polyanion이 된다.

        ⅱ.DNA base composition은 Chargaff's rule에 의해 지배된다.

           - adenine과 thymine residue의 수가 같고, guanine과 cytosine residue의 수가 같다.

2.Double Helical structures

  1)Watson-Crick structure of B-DNA(오른쪽으로)

        ⅰ.두개의 polynucleotide strand로 구성(right-handed double helix)

                α.두개의 strand가 antiparallel(반대방향으로 달린다) 5'→3'과 3'→5'으로.

                β.Plectonemic coiling - 두 strand는 helix를 풀지않는 한 분리될 수없다.

        ⅱ.Complementary base pairing(그림28-6)

                -adenine과 thymine사이에는 2개, guanine과 cytosine사이에는 3개의 수소결합

        ⅲ.이상적인 B-DNA는 1 turn당 10개의 base pair를 갖는다.

                α.minor groove : C1'-helix axis-C1' angle이 180도 미만

                β.major groove : 각 base pair의 반대쪽 edge를 향해 open

        ⅳ.DNA replication은 semiconservative하다(Meselson-Stahl experiment, 그림28-7)

                -한 strand는 원래 DNA의 strand이고, 다른 strand는 새로 복제된 strand

                 E.coli를 ¹⁵NH4Cl 배지에서 증식함으로써 질소의 동위원소인 ¹⁵N으로 label

                 ¹⁴N medium으로 옮겨 density gradient ultracentrifugation, monitoring!(28-7)

            *Z-DNA는 left-handed helix   

Chapter 29 Transcription

        *단백질합성에 참여하는 세가지 종류의 RNA는 모두 transcription에 의해 합성된다.

                ①ribosomal RNA(rRNA) ②transfer RNA(tRNA) ③messenger RNA(mRNA)

        *Central dogma of molecular biology(그림29-1)

          "DNA는 자신의 replication과 RNA로의 transcription을 지시하고,

           RNA가 단백질로의 translation을 지시한다.“

1.단백질합성에 있어서 RNA의 역할

        *단백질은 mRNA에 의해 특정되며, ribosome에서 합성된다.

  1)Enzyme induction 

        ⅰ.bacteria는 환경변화에 대한 반응으로 특정효소의 합성속도를 변화시킨다

           E.coli는 3000가지의 다른 polypeptide를 합성할 수있다. 그 비율은 제각각이어서

           ribosomal protein이 cell당 10000copy이상인 반면 어떤 regulatory protein은 cell당

           10copy미만으로 존재한다.

           E.coli는 glucose가 없으면 lactose를 이용해야하기 때문에 lactose를 분해할 효소를

           만들어야한다.

                α.constitutive enzyme은 세포의 기본적인 housekeeping기능을 수행하며,

                   다소 변함없는 속도로 합성된다.

                β.adaptive or inducible enzyme은 합성속도가 환경에 따라 변한다.

                    *합성을 촉진하는 inducer(916,917쪽 그림)

                        a. lactose : inducer로 기능한 후, β-galactosidase에 의해 가수분해

                        b. 1,6-allolactose : lactose의 isomer, 역시 기능한 후 가수분해

                        c. isopropylthiogalactoside(IPTG)

                            ;β-galactosidase에 의해 분해되지않아 계속 inducer로 기능

                        d. X-gal(blue color) : 902쪽 그림

        ⅱ.lac System gene은 Operon을 형성한다.(그림29-3)

                α.Regulatory gene(I) : disulfide의 lac repressor생성

                        *lac repressor가 Operator에 결합하면 RNA polymerase가

                         promotor에 결합하지 못하게된다.

                β.Lactose operon

                        a. Control sites

                                protomer(P) - RNA polymerase의 binding site

                                operator(O) - repressor가 binding하는 site

                        b. Structural genes

                                Z(β-galactosidase합성) Y(galactoside permease합성)

                                A(thiogalactoside transacetylase합성)

  2)Messenger RNA

        ⅰ.operator-repressor-inducer system(그림 29-5)

                α.inducer가 없을 때 : repressor가 operator에 binding,

                                      lac operon의 transcription을 억제

                β.inducer가 있을 때 : inducer가 repressor에 binding하여 complex형성,

                                      operator에 binding할 수없게되어, lac structural gene의

                                      transcription과 translation이 일어난다.

        ⅱ.두가지 acting  - element는 DNA sequence를 factor는 단백질을 의미한다.

                α.cis-acting elements

                   :오직 같은 DNA분자에 대해서만 활성이 있는 control sequence(O gene)

                β.trans-acting factors

                   :조절하는 유전자와는 다른 DNA분자에 위치한 operator에도 영향

                    E.coli gene과 F factor넣어 실험

2.RNA polymerase : DNA지시에 의한 RNA의 합성에 대하여 책임을 지는 enzyme

                    3'→5'으로부터 5'→3'mRNA를 만든다.

        *bacteria에 있어서는 한종류의 RNA polymerase가 DNA replication에 사용되는 짧은

         RNA primers를 제외한 모든 세포의 RNA를 합성한다.

  1)Enzyme structure

        ⅰ.E.coli RNA polymerase의 소위 holoenzyme은 449kD단백질로

          α2ββ'σ subunit를 갖는다.

                α.core enzyme은 α2ββ' - 실제 polymerization process 수행

                β.RNA합성이 initiation되면 σsubunit(σfactor=σ70)이 core enzyme과 떨어져

                   분리되어나온다. promotor인식 역할.

                γ.β'subunit는 두 개의 Zn ion을 갖고있으며, enzyme의 catalytic function참여

        ⅱ.Active enzyme은 Mg²⁺ ion의 존재를 필요로 한다.

  2)Template binding : RNA합성은 DNA template의 특정한 site에서만 initiation된다.

        ⅰ.Holoenzyme은 Promotors라고 알려진 base sequence를 통하여 그 initiation site에만

          특이적으로 결합한다.(그림29-10)

                α.Pribnow box(TATAAT) : -10 position, TATA box(good promotor)

                                         처음의 TA와 마지막 T가 매우 conservative하다.

                        *GC pair는 AT pair에 비해 안정(수소결합이 3개)

                β.TTGACA : -35 position,

                γ.initiating nucleotide(CAT or CGT) : +1 position, 가운데 A or G!

        ⅱ.Initiation은 Open complex의 형성을 필요로 한다.

           RNA polymerase가 promotor에 결합한 후, +3～-10 base pair position에서 DNA부분

           을 풀어 Open complex형성해야 RNA합성이 initiation된다.

  3)Chain initiation

        ⅰ.10개 base transcription후, σ70이 떨어져나가 다시 다른 promotor에 결합,

           initiation을 유발.

        ⅱ.RifamycinB와 반합성유도체 Rifampicin은 Prokaryotic transcription initiation을 억제

                α.선택적으로 prokaryotic transcription initiation만을 억제하는 antibiotic.

                β.Gram(+)균과 결핵에 유효

                γ.작용기전은 prokaryotic RNA polymerase의 βsubunit에 결합하는 것이다.

                   이미 RNA chain initiation이 시작된 후, chain elongation에 대해 효과없다.

                   Eukaryote는 βsubunit가 없으므로 OK!

  4)Chain elongation(그림29-12)

        ⅰ.core enzyme에 의한 elongation으로 5'→3'방향으로 일어난다.

        ⅱ.in vivo에서 transcription속도는 37도에서 1초당 20-50nucleotide.

           error frequency는 불과 10⁴ transcription마다 1개에 불과.

           (많은 RNA polymerase가 DNA에 결합한 모양의 Arrowhead structure, 그림29-13)

                *elongation factor!

        ⅲ.Inhibitor

                α.cordycepin(3'-deoxyadenosine)

                     :3'-OH group이 없는 adenosine유사 antibiotic. RNA합성 억제.

                     Chain elongation이 5'→3'방향임을 확인해준 약물

                β.Actinomycin D from Streptomyces antibioticus

                     :intercalating agent로서 RNA와 DNA polymerase모두를 억제,

                     따라서 transcription과 DNA replication을 모두 억제한다.

                     유용한 항암제이지만 선택성이 없어 eukaryotic cell에도 작용.

                γ.ethidium과 proflavin도 intercalating agent로서 핵산합성을 억제한다.

  5)Chain termination :

        ⅰ.특정 termination sequence에서 발생(그림29-15)

                α.4-10개의 consecutive A+T rich sequence

                β.palindromic(twofold symmetric) sequence를 가진 G+C rich sequence

                   RNA hairpin structure와 poly(U)tail이 transcription termination을 촉발

                   → Rho-independent termination

        ⅱ.종종 Rho factor의 도움을 필요로 하는 경우도 있다(rho-dependent termination)

           : NTPase activity

                *Rho factor:RNA-DNA와 RNA-RNA double helix를 unwinding하는 것을 촉매

                           그 힘은 NTPs(nucleotide triphosphate)의 가수분해에 의해 획득.

  6)Eukaryotic RNA polymerase

        ⅰ.RNA polymerase Ⅰ

                α.nucleoli에 위치하며 대부분의 ribosomal RNA의 precursor를 합성

                β.eukaryotic cell에서 rRNA gene의 한 promotor만 인식

                   core promotor element(-31～+6)가 필요하며,

                   upstream promotor element(-187～-107)도 필요하다.

        ⅱ.RNA polymerase Ⅱ

                α.nucleoplasm에 위치하며 mRNA precursor를 합성한다.

                β.인식되는 promotor는 더 길고 복잡다양하다.

                        a. GC box : housekeeping gene인 경우 하나 이상의 GGGCGG 갖는다

                        b. TATA box : structural gene인 경우, -27 position

                        c. CCAAT box : 많은 eukaryotic structural gene의 경우,

                                -70～-90 position. sequence가 변하면 transcription속도감소

                γ.Enhancer는 promotor에서 1kb이상 떨어져있으나 promotor의 full activity를                    위해 필요하다. Eukaryote에서 selective한 gene expression‎을 매개한다.

                   Enhancer는 인접한 promotor에 결합하기위해 RNA polymerase Ⅱ를 자극

                   하는 'transcription factor'라는 특이 단백질에 의해 인식된다.

                     *Transcription factor(1154쪽 그림33-47)

        ⅲ.RNA polymerase Ⅲ

                α.nucleoplasm에 위치하며 5S ribosomal RNA, tRNA의 precursor합성

                β.RNA polymerase Ⅲ promotor는 그 transcription start site에서 downstream

                   에 존재한다.

        ⅳ.Amatoxin or α-Amanitin : Inhibitor of RNA polymerase Ⅱ&Ⅲ

                α.독성이 있는 버섯인 Amanita phalloides(death cap)의 성분

                β.RNA polymerase Ⅱ와는 1:1로 tight하게, RNA polymerase Ⅲ와는 그보다

                   좀 느슨하게 결합하여 elongation step을 차단한다.

                γ.독성은 높지만, 작용은 느리다. 대개 먹은 후 며칠 지나 간기능부전으로 사망

3.Control of transcription in Prokaryotes

        *prokaryote는 영양분의 유입과 같은 환경변화에 반응하여 적절한 단백질합성을 유도.

         transcription과 translation이 밀접하게 couple되어있기 때문에 몇분이면 된다.

  1)Promotors : 높은 농도의 inducer가 존재하면 lac operon이 빠르게 transcription된다.

  2)lac Repressor :RNA polymerase가 Productive initiation complex를 형성하는 것을 막는다

        ⅰ.lac repressor가 결합하는 site인 operator는 transcription start site에 대해서

           lac operon의 -7～+28 position을 차지한다.(그림29-20)

        ⅱ.initiation complex에서 RNA polymerase는 -20과 +20 position사이에서

           DNA와 단단하게 결합한다. 따라서 lac operator와 promotor site가 overlap.

        ⅲ.lac repressor와 RNA polymerase가 동시에 lac operon에 결합한다는 것은

           lac repressor가 initiation process를 방해한다는 것을 보여준다.

  3)Catabolic repression : 이용할 수 있는 glucose가 많으면 E.coli는 lactose같은 catabolite를

                         발효하는데 관여하는 특정단백질의 완전한 발현을 못하게된다.

        ⅰ.cAMP는 second messenger로서 Glucose의 결핍을 신호한다.

           glucose가 있으면 cAMP의 level이 크게 감소한다.

        ⅱ.CAP(catabolite gene activator protein) or CRP(cAMP receptor protein)

                α.CAP는 dimeric protein(210-residue)

                β.cAMP와 결합하여 large conformational change발생.

                   → CAP-cAMP complex는 lac operon에 결합하여 lac operon의 저효율

                      promotor(weak promotor)로부터 transcription을 자극한다.

                        ①CAP는 positive regulator : turn on transcription

                        ②lac repressor는 negative regulator : turn off transcription

                γ.cAMP와 결합하지않은 CAP 그 자체는 DNA sequence에 결합못한다.

        ⅲ.왜 target operon의 transcription을 자극하는데 CAP-cAMP complex가 필요한가?

                α.CAP-cAMP는 RNA polymerase와 직접적인 interaction을 통해서

                   transcriptional initiation을 자극한다.

                β.CAP-cAMP complex가 promotor에 결합하는 것은 이 DNA에

                   conformational change를 일으켜 transcriptional initiation을 촉진한다.

             *lac operon은 약한(저효율) promotor를 갖고있는데, -10과 -35 sequence는

              TATGTT와 TTTACA로서 strong promotor의 TATAAT와 TTGACA와는

              차이가 있다. weak promotor는 효율적 transcriptional initiation을 위해 도움필요

  4)trp Operon (Chorismate로부터 Tryptophan합성과 관련된 gene)

        ⅰ.Attenuation : transcriptional control mechanism. bacteria는 이를 통하여 아미노산

                        생합성과 관련된 operon의 표현을 조절한다

                α.E.coli의 trp operon의 유전자지도(그림29-29)

                        -tryptophan의 합성을 매개하는 enzyme을 합성한다.

                β.trp repressor의 control하에 trp operon gene이 발현된다.

                        a. 독립적인 operon을 형성하는 trpR gene의 product

                        b. trp repressor는 pathway의 최종산물인 L-tryptophan에 결합하여

                           trp operator(trpO)에 특이적으로 결합하는 complex를 형성,

                           trp operon transcription속도를 70배 감소시킨다.

        ⅱ.Attenuation은 Tryptophan biosynthesis도 조절한다.

             *tryptophan이 이용가능하면 trp operon transcription의 premature termination발생

             *Model of attenuation(그림29-32)

                α.High tryptophan

                        a. translation시 사용할 tryptophanyl-tRNA가 많으면 ribosome이

                           trpL mRNA를 translate한다.

                        b. segment 2위에 ribosome이 존재하여 2.3 hairpin이 형성되는 것을

                           막고 3.4hairpin이 형성(stop signal을 가진 transcription terminator)

                β.Low tryptophan

                        a. tryptophanyl-tRNA의 부족으로 ribosome이 segment 1의

                           tandem trp codon위에서 지체한다.

                        b. 3.4 hairpin형성이 차단되고, 2.3 hairpin이 형성된다(antiterminator)

                           transcription이 계속된다.

4.Posttranscriptional processing

  1)Messenger RNA processing

        ⅰ.Cap structure(eukaryotic mRNA)

                5'-5' triphosphate bridge를 경유하여 transcript's initial(5') nucleoside에

                결합되어있는 7-methylguanosine으로 이루어져있다(guanylyltransferase가 작용)

                Cap은 eukaryotic translational start site를 정의한다.

        ⅱ.Poly(A) tails :성숙한 eukaryotic mRNA는 20-50개 nucleotide의 3'-poly(A)tail보유.

                α.cleavage and polyadenylation specificity factor(CPSF)에 의하여 activation

                   된 poly(A)polymerase의 단계적 작용을 통해 ATP로부터 poly(A)tail이

                   만들어진다. Cleavage factor Ⅰ,Ⅱ와 cleavage stimulating factor작용.

                β.poly(A) binding protein(PABP)에 의하여 poly(A)tail의 binding촉진

        ⅲ.Heterogeneous nuclear RNA는 cytosol로 운반되지 않는다.

             *Eukaryotic gene의 pre-mRNA의 expressed sequence와 unexpressed sequence

                α.introns : intervening sequences(IVSs)

                β.exons : expressed sequences(그림29-36)

             *Gene splicing : intron이 잘려나가고 exon이 연결되는 과정(그림29-34,35)

                5' GU and 3' AG, Branch point는 (A), two transesterification.

                mRNA의 다양성을 가져온다. splicing위치가 달라지면 다른 exon끼리 붙어

                하나의 gene으로부터 다른 단백질이 합성된다.

                Splicing은 snRNA(small nuclear RNA)에 의해 매개된다.

        ⅳ.RNA editing : 318쪽 그림11-50과 표11-7

            -인간은 하나의 gene에서 두가지 ApolipoproteinB를 발현한다.

                α.ApoB-48 : 소장에서 만들어져 triacylglycerol을 장에서 간과 말초조직으로

                             운반하는데 있어서 chylomicron에서 기능한다.

                β.ApoB-100 : 간에서 만들어져 cholesterol을 간에서 말초조직으로 운반하는데

                             있어서 VLDL, IDL, LDL에서 기능한다.

                     *Cytidine deaminase가 ApoB-100 mRNA의 CAA를 UAA로 바꾼다.

                      ApoB-48 mRNA에서는 ribosomal polypeptide synthesis를 끝내는

                      stop codon이다.

  2)Ribosomal RNA processing(그림29-40) : rRNA는 RNA가운데 80%를 차지한다.

        45S primary transcript of rRNA(그림29-42) - 28S, 18S. 5.8S

  3)Transfer RNA processing

        ⅰ.tRNA cloverleaf secondary structure(그림29-45,46)

                α.CCA sequence

                β.splice-site consensus sequnece가 없다

                γ.transesterification reaction이 없다.

                δ.Endonuclease ribonuclease P에 의해 5' nucleotide가 제거된다.

        ⅱ.Eukaryotic tRNA transcript는 3' end에 CCA sequence가 결여,

           tRNA nucleotidyltransferase에 의해 immature tRNA에 부착된다.

Chapter 30 Translation(the mRNA-directed biosynthesis of polypeptides)

        *genetic code : nucleic acid sequence와 polypeptide sequence사이의 일치

         tRNA : translation process를 매개하는 amino acid-bearing entities

         ribosome : mRNA-specified amino acid사이에 peptide bond형성을 촉매하는

                    complex molecular machines

1.Genetic code

  1)triplet code : 1 codon = 3 nucleotide = 1 amino acid

        ⅰ.20개의 amino acid를 code하기 위해서 오직 4개의 base가 이용된다.

        ⅱ.4³개인 64개의 다른 triplet이 존재

  2)start codon : AUG(methionine code이기도 하다), GUG(덜 흔하다)

  3)stop codon(nonsense codon) : UAG, UAA, UGA.

2.Transfer RNA and it's aminoacylation

      *bacteria에는 30-40개의 tRNA가 있으며 동물과 식물세포에는 약50개가 있다.

  1)structure(그림30-11, clover잎모양)

        ⅰ.5'-terminal phosphate group을 가진 5' end로부터 시작

        ⅱ.acceptor or amino acid stem

                :7-base pair stem이 5'-terminal nucleotide를 포함하고,

                 G.U같은 non-Watson-Crick base pairs를 포함할 수도 있다.

        ⅲ.대개 76 nucleotide, 60-95 nucleotide를 갖는다

        ⅳ.5-base pair stem이 anticodon을 포함하는 loop로 끝난다.

        ⅴ.모든 tRNA는 free 3'-OH group과 함께 CCA sequence로 끝난다.

           (amino acid attachment site)

  2)Aminoacyl-tRNA Synthetase(aaRSs) : 20 amino acid에 대해 aaRSs도 20개 존재

        ⅰ.정확한 translation을 위한 요구사항

                α.tRNA에 covalent attachment할 정확한 아미노산의 선택

                        -Aminoacyl-tRNA Synthetase가 촉매한다.

                β.mRNA에 의해 특정된 amino acid-charged tRNA의 선택

            *Amino acid + tRNA + ATP ⇌ aminoacyl-tRNA + AMP + PPi

  3)Codon-Anticodon Interaction : Crick's Wobble Hypothesis(워블가설) -code degeneracy

        ⅰ.아미노산을 특정하는 61개의 codon이 다른 tRNA에 의해 읽혀진다.

                α.stop codon 3개를 제외했기 때문에 61개!

                β.61개의 coding triplet을 translate하기위해 적어도 31개의

                   tRNA anticodon이 필요하다.

        ⅱ.처음 두 개의 codon-anticodon pairing은 정상적인 Watson-Crick pair.

           세 번째 codon-anticodon pairing은 정확히 일치하지않아도 된다(Wobble base pair)

                G → C or U,  U → A or G, 

        ⅲ.단지 20개의 아미노산에 해당하는 codon은 여러개 존재한다.

                (예외) Methionine(AUG), Tryptophan(UGG)

3.Ribosomes

  1)Ribosome structure

        ⅰ.Prokaryotic ribosome(70S)

                α.small 30S subunit : 16S rRNA, 21개의 다른 polypeptides

                β.large 50S subunit : 5S rRNA, 23S rRNA, 31개의 다른 polypeptides

        ⅱ.Eukaryotic ribosome(80S)

                α.small 40S subunit : 18S rRNA, 33개의 다른 polypeptides

                β.large 60S subunit : 5S rRNA, 5.8S rRNA, 28S rRNA,

                                      49개의 다른 polypeptides

        ⅲ.ribosome의 기능 : tRNA가 mRNA에 단단하게 결합하도록 하고, tRNA가 mRNA의

                            정확한 codon에 위치할 수있게 도와준다.

                            mRNA를 5'에서 3'방향으로 읽는다.

                α.small subunit :  P site(peptidyl-tRNA binding)

                                   A site(aminoacyl-tRNA binding)

                                   mRNA binding site

                β.large subunit : peptide bond formation 촉매

                γ.ribosomal RNA : peptide bond formation의 enhancer로 추정.

                                   (peptidyl transferase역할)

        ⅳ.Eukaryotic polyribosome : 하나의 mRNA에 여러개의 ribosome이 붙어있는 형태

                                    80nucleotide간격으로.

                α.monosome(한 mRNA에 한 ribosome이 결합)disome(한 mRNA에 두 리보좀)

                β.세포질을 sucrose gradient에 넣으면 polysome은 밑으로 disome, monosome

                   은 위로 분리, ABS측정

  2)Chain initiation

        ⅰ.small subunit이 initiation factor(IF)와 binding(P site), complex를 형성.

                α.prokaryotic initiation factor : formylmethionyl-tRNA, IF-1, IF-2, IF-3

                β.eukaryotic initiation factor : methionyl-tRNA, eIF-1, eIF-2, eIF-3

                                              GTP와 complex형성!

        ⅱ.complex가 mRNA에 binding, mRNA를 따라 이동하다가 initiation codon(AUG)을

           만나면 initiation factor가 release, large subunit과 small subunit이 binding.

                α.prokaryotic initiation : Cap구조가 없는 대신에 Shine-Dalgarno sequence

                                        → polycistronic

                        *N-formylmethionine이 첫 번째 아미노산

                β.eukaryotic initiation : AUG(methionine)가 1개(monocistronic)

  3)Chain elongation(그림30-44)

        ⅰ.Aminoacyl-tRNA binding

            ;Aminoacyl-tRNA가 ribosome의 small subunit의 A site에 결합(에너지사용)

        ⅱ.Transpeptidation 

                α.A site에 있는 3'-linked aminoacyl-tRNA의 amino group에 의한

                   P site tRNA의 nucleophilic displacement를 통해 peptide bond형성

                β.peptide bond formation을 촉매하는 peptidyltransferase center는

                   large subunit에 있다.

        ⅲ.Translocation(가장 많은 에너지를 사용) : 5' → 3' 방향

                α.uncharged P-site tRNA가 E site로 transfer.

                β.A site에 있는 peptidyl-tRNA가 P site로 옮겨진다.

                γ.elongation factor(EF-G)가 필요하다.

  4)Chain termination(그림30-48)

        ⅰ.termination codon(UAA, UGA, UAG)을 포함하는 natural mRNA의 translation은

           free polypeptide의 생성을 가져온다.

             *E.coli의 경우 termination codon은 release factor(RF)에 의하여 인지된다.

                α.RF-1은 UAA, UAG를 인지하고

                β.RF-2는 UAA, UGA를 인지한다.

                γ.RF-3는 GTP-binding protein으로 RF-1, RF-2의 ribosomal binding을 자극

        ⅱ.amino acid대신 H2O가 들어가 COOH기 만들어 완성된 free polypeptide형성.

           더 이상 translation되지않는다.

  5)Translational accuracy : 10의 4승개의 amino acid에서 1개의 error가 발생한다.

                            25개의 protein중 1개의 protein에서 error가 발생한다.

        ⅰ.aminoacyl-tRNA synthetase: 정확한 tRNA에 정확한 amino acid를 결합시킨다.

                *부정확한 amino acid가 결합하면 제거!

        ⅱ.proofreading mechanism : tRNA anticodon과 mRNA codon이 정확하게 base pairing.

                α.elongation factor가 맞지않는 codon/anticodon base pairing제거

                β.elongation 시작할 때, elongation factor에 결합되어있는 GTP가 GDP로 되며

                   시간이 지연된다. 그동안에 부정확한 tRNA anticodon이 떨어져나가고

                   정확한 tRNA만이 다음 step으로 간다.

  6)Protein synthesis inhibitors : Antibiotics(Table30-9)

        ⅰ.Chloramphenicol : prokaryotic large subunit에 있는 peptidyl transferase를 억제

                            (eukarytote의 mitochondria의 translation에 영향!)

        ⅱ.Erythromycin : prokaryotic large subunit에 의한 translocation을 억제

        ⅲ.Streptomycin(aminoglycoside) 

            : prokaryote에서 mRNA miscoding을 일으키고, chain initiation complex로부터

             chain elongation ribosome으로의 transition을 억제한다.

        ⅳ.Tetracycline 

            : prokaryotic small subunit(A site)에 대한 aminoacyl-tRNA의 결합을 억제

        ⅴ.Fusidic acid : prokaryote의 elongation을 억제

        ⅵ.Cycloheximide : eukaryotic large subunit에서 peptidyl transferase를 억제,

                          translocation차단.

        ⅶ.Ricin/abrin : eukarytotic large subunit를 촉매적으로 불활성화할 수 있는      

                       독성의 식물 단백질

        ⅷ.Anisomycin : eukaryotic large subunit에서 peptidyl transferase를 억제

        ⅸ.α-Amanitin : eukaryotic RNA polymerase Ⅱ에 결합, mRNA합성 차단

        ⅹ.Diphtheria toxin(monomeric 535residue)

              bacteriophage인 corynephageβ를 가지고 있는 Corynebacterium diphtheriae

              - eukaryotic elongation factor인 eEF-2를 불활성화.

                α.가수분해가 일어나며 A, B fragment로 분리

                β.B fragment는 plasma membrane의 specific receptor에 결합하면서

                   A fragment가 endocytosis에 의하여 cytosol에 uptake되도록 촉진한다.

                γ.cytosol에 들어간 A fragment는 NAD⁺에 의하여 eEF-2의 His residue의

            *Cholera toxin도 이와 유사하대.

                   ADP-ribosylation을 촉매한다.

      ☞prokaryote와 eukaryote에 모두 작용하는 약물

        ⅹ.Puromycin : prokaryote와 eukaryote 모두에서 premature chain termination을

                       일으킬 수 있는 aminoacyl-tRNA analog(그림30-47)

        ⅺ.Actinomycin D : DNA에 결합, RNA polymerase가 이동하는 것을 차단하여

                           RNA합성 방지.

Chapter 31 DNA replication, repair and recombination

1.DNA replication : overview

  1)세포가 분열할 때 DNA replication이 일어나며, cell cycle상으로는 S phase에서 8시간에

    걸쳐 일어난다.

  2)replication speed

        ⅰ.bacteria : 500 nucleotide per second

        ⅱ.mammal : 50 nucleotide per second

                    histone단백질 때문에 속도가 다소 느리지만, 대신 여러개의 origin이 존재

  3)error를 일으키는 빈도 : 1 per 10⁹(10억)

        RNA야 잘못되어도 큰 지장 없지만, DNA가 잘못되면 후손에게까지 영향이 미치기

        때문에 DNA polymerase는 매우 정밀하다.

     *Problems in the copying of DNA by DNA polymerase

        ⅰ.unwinding

        ⅱ.directionality(antiparallel helix)

        ⅲ.priming

  4)Replication fork(at Replication origin=replicon) : asymmetrical Y shape

        DNA의 double helix가 melting되어 replication bubble을 형성

                α.replication origin위치를 인식시켜주는 initiator protein의 결합 필요

                β.DNA helicase(hexameric DnaB)가 결합하여 helix open

                    -ATP, GTP, CTP등을 가수분해하면서 5' → 3'방향으로

                     lagging strand template를 따라 translocating한다.

                γ.Single-strand binding protein(SSB) ; 그림31-15

                      Helix destabilizing protein!

                    - Helicase가 open한 single strand들이 hair pin을 형성하는 것을 방지

                δ.Sliding clamp : DNA polymerase가 안정하게 결합하도록 도와준다.

  5)Semidiscontinuous replication(그림31-5)

        ⅰ.Leading strand : 3' → 5'에 대해서 5' → 3'을 연속적으로 합성하는 strand

        ⅱ.Lagging strand : 5' → 3'에 대해서 불연속적으로 합성되는 strand

                α.Okazaki fragments

                β.DNA ligase가 Okazaki fragment의 공유결합을 촉매한다.

  6)RNA primer : DNA polymerase는 RNA polymerase와는 달리 RNA primer를 필요로 한다.

        α.Primase가 합성하는 10개정도의 짧은 RNA Oligonucleotide로 free 3' OH가 있다.

        β.Leading strand에는 1개의 primer, Lagging strand에는 여러개의 primer가 필요하다.

  7)Termination : termination sites(TER) binds to Tus

        *Tus stop replication by preventing helicase from unwinding duplex DNA

2.Enzymes of replication in prokaryotes : leading strand & lagging strand 동일

      *replication origin은 oriC(245bp)

        -DnaA protein의 결합부위이며, 반복적인 9bp(9mer), 13bp(13mer) sequence보유

         oriC에 인접하여 AT-rich segment가 존재한다.

                α.DnaA가 4개의 9mer에 결합, DNA wrapping, large complex형성

                β.AT-rich region에서 unwinding(DNA helicase)

                γ.single-strand binding protein결합

                δ.Helicase/primase가 primosome형성

  1)DNA polymerase Ⅰ(PolⅠ)

        ⅰ.5' → 3' exonuclease activity

                α. 새로 합성된 DNA의 5' end에서 RNA primer를 제거한다(Nick translation)

                β. gap filling during DNA repair

        ⅱ.3' → 5' exonuclease activity : proofreading

                growing DNA strand의 3' end로부터 mispaired nucleotide를 절단

  2)DNA polymerase Ⅱ(PolⅡ)

        DNA damage에 대한 SOS response

  3)DNA polymerase Ⅲ(PolⅢ) : functional enzyme at the growing fork in E.coli

        βsubunit가 DNA주변에 closed ring을 형성, 빠져나가는 것을 방지한다.

        γcomplex는 이 ring을 열거나 닫는 역할을 한다.

  4)Primosome : DNA helicase와 DNA primase가 결합

3.Eukaryotic DNA replication

  1)The Cell cycle(그림31-28)

  2)Eukaryotic DNA replication enzyme

        ⅰ.T antigen(multifunctional protein) : helicase activity

        ⅱ.Replication factor A(RFA) : single-strand binding protein 역할

        ⅲ.DNA polymerase α : lagging strand합성에 필요(subunit 으로 primase가 있다)

                *Replication factor C(RFC)가 short stretch 합성을 자극

        ⅳ.DNA polymerase δ : leading strand합성에 필요

                *Proliferating cell nuclear antigen(PCNA)과 complex를 형성한다.           

  3)Telomere and Telomerase(그림31-34)

        ⅰ.Telomere : repetitive oligomeric sequences

                      TTGGGG(protozoa Tetrahymena) TTAGGG(human)

        ⅱ.Telomerase : Telomeric DNA의 G-rich strand를 합성한다.

                α.Telomerase의 작용이 없으면 DNA replication과 cell division할때마다

                  chromosome은 양끝에서 RNA primer길이만큼 짧아진다.

                β.multicellular organism의 somatic cell은 telomerase activity를 결여하므로

                   이는 노화와 관련이 있다.     

             *Cancer cell은 active telomerase를 보유!

▶ 출처<The source > : http://suwon2000.com.ne.kr/ : 개인홈페이지(약학자료)

▶ 원문<The original>  : http://suwon2000.com.ne.kr/docu/생화학2.hwp

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   eliminate.