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1. 개요
포도당 신생합성(Gluconeogenesis(GNG), 葡萄糖新生合成)은 탄수화물이 아닌 물질을 가지고 포도당을 합성하는 과정을 말한다. 동식물부터 진균, 세균 같은 미생물까지 존재하는 과정이며, 척추동물에서는 주로 간에서 일어난다. 공복, 단식, 저탄수화물식단, 또는 격렬한 운동 같이 탄수화물이 부족해지는 상황에서 혈당 수치를 유지한다. 몇몇 중간 과정에서의 예외를 제외하면 전체적으로는 해당과정의 역과정이며, 당합성(glycogenolysis)와는 다르다.탄수화물이 아닌 물질로 당을 만드는 과정이기는 하지만 아쉽게도 지방산 그 자체는 재료로 쓸 수 없다. 지방산의 베타 산화 과정에서 나오는 아세틸 CoA는 2개의 이산화탄소로 완전 산화되어 배출되기 때문. 대신 이 때 인체는 지방을 분해하여 지방산의 연결부인 글리세롤만을 가져다 신생합성에 쓴다. 물론 단백질을 재료로 만드는 과정에 비해서는 우선순위나 생산 비중에서 밀리는 편.
2. 기질
인간에서 포도당 신생합성의 기질은 피루브산 또는 해당과정의 중간체로 전환될 수 있는 물질(젖당, 글리세롤, 아미노산 등)이다. 주요 포도당 전구체는 젖산염, 글리세롤, 알라닌과 글루타민이다. 이 과정은 ATP 또는 GTP가 가수분해되기까지 에너지를 많이 생산하며 자발적이다.2.1. 아미노산
류신, 라이신, 피롤라이신[1], 카르니틴, 시트룰린, 오르니틴, 테아닌, GABA[2]를 제외한 아미노산은 포도당 신생합성의 기질로 쓰여져 포도당을 생성하는 포도당생성 아미노산(gluconeogenic amino acid)이다. 이중 이소류신, 페닐알라닌[3], 트레오닌, 트립토판, 티로신은 케톤생성 아미노산(ketogenic amino acid)이면서 포도당 생성 아미노산이다.
3. 과정
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| 포도당 신생합성 경로 |
총 11개의 효소를 거쳐 피루브산이 포도당이 된다.
pyruvate(피루브산)
- 1. pyruvate carboxylase: ATP 사용, 카르복시기를 결합
oxaloacetate(옥살아세트산)
- 2. 세포질로 수송하기 위해 말산으로 전환
malate(말산)
- 3. 세포질로 수송되고 옥살아세트산으로 전환
oxaloacetate(옥살아세트산)
- 4. PEP carboxykinase: GTP 사용, 인산기를 결합
PEP(phosphoenolpyruvate, 포스포에놀피루브산)
- 5. enolase: 글리세르산으로 전환
2PG(2-phosphoglycerate, 2-인산글리세르산)
- 6. phosphoglycerate mutase 1: 인산기 이동
3PG(3-phosphoglycerate, 3-인산글리세르산)
- 7. phosphoglycerate kinase 1: ATP 사용, 인산기를 결합
1,3-BPG(1,3-Bisphosphoglycerate, 1,3-글리세르산 이인산)
- 8. glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase: NADH 사용, 수소화
G3P(glyceraldehyde-3-phosphate, 글리세르알데하이드-3-인산)
- 9. triose isomerase: G3P를 DHAP으로 전환
DHAP(dihydroxyacetonephosphate, 디하이드록시아세톤 인산)
- 10. aldolase A: G3P와 DHAP로 과당 1,6-이인산 생성
fructose 1,6—bisphosphate(과당 1,6-이인산)
- 11. fructose 1,6—bisphosphatase: 탈인산화
fructose-6-phosphate(과당-6-인산)
- 12. phosphoglucose isomerase: 과당을 포도당으로 전환
glucose-6-phosphate(포도당-6-인산)
- 13. glucose-6-phosphatase: 탈인산화
glucose(포도당)
해당 과정의 역과정과 비슷하면서도 다른데, 피루브산이 옥살아세트산이라는 우회 루트를 통해서 PEP로 간다는 것이 가장 큰 차이이다. PEP가 피루브산이 되는 과정은 에너지를 많이 배출하는데, 이걸 직접 역반응의 과정으로 진행하기에는 너무 비효율적이라, 옥살아세트산이라는 우회 경로를 통해서 PEP로 넘어간다. 이 과정에서 ATP와 GTP를 추가 소모한다. 해당에서 PEP에서 피루브산으로 가는 과정에서 ATP 1개를 사용했는데, 포도당 신생합성 과정에서는 우회하는 과정에서 GTP를 하나 더 소모하게 된다.
보통은 포도당으로 완전 전환하지 않고 간에서 포도당 6-인산(G6P) 형태로 많이 놔두는데, 이는 언제든지 어느 쪽이든지 전환을 빨리 할 수 있게 하기 위함이다. G6P 상태에서 포도당이 필요하면 포도당으로, ATP가 필요하면 즉각 해당 과정으로 전환하며, 임시적인 저장이 필요하다면 글리코겐으로 합성하고, NADPH나 5탄당이 필요하다면 5탄당 인산경로로 신속하게 전환하고 불필요한 에너지 낭비를 막기 위해 필요한 조치이다.[4]