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Glycerol-3-P DH와 acyl-CoA DH는 ETC의 Complex II와 어떤 관계가 있습니까?

Glycerol-3-P DH와 acyl-CoA DH는 ETC의 Complex II와 어떤 관계가 있습니까?



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이것이 순전히 정의 / 명명 질문 일 수 있다면 죄송합니다.

전자 수송 사슬(ETC)의 복합물 II는 석시네이트 탈수소효소로 전자를 유비퀴논으로 수송하고 2개의 양성자를 추가하여 유비퀴놀을 형성합니다.

글리세롤-3-포스페이트 탈수소효소(DH)와 아실 CoA DH는 모두 미토콘드리아 내부 막에 통합되어 유비퀴놀을 형성하며, 이는 석시네이트 DH와 매우 유사하게 ETC의 Complex III에서 사용할 수 있습니다. 그렇다면 이 2개의 효소가 "복합체 II"의 일부가 아니거나 TCA 회로의 일부가 아니기 때문에 "ETC 복합체"의 일부가 아닌 이유가 무엇인지 궁금합니다. 그들은 어떤 식으로든 ETC 슈퍼컴플렉스/레스피라솜과 관련이 있습니까?

감사합니다.


플라빈 아데닌 디뉴클레오티드

생화학에서는 플라빈 아데닌 디뉴클레오티드 (일시적 유행)는 다양한 단백질과 관련된 산화환원 활성 조효소로 대사에서 여러 효소 반응에 관여합니다. 플라보단백질은 FAD 또는 플라빈 모노뉴클레오타이드(FMN)의 형태일 수 있는 플라빈 그룹을 포함하는 단백질입니다. 석시네이트 탈수소효소 복합체의 성분, α-케토글루타레이트 탈수소효소 및 피루브산 탈수소효소 복합체의 성분과 같은 많은 플라보단백질이 알려져 있습니다.

  • 146-14-5 와이
  • 체비:16238 Y
  • CHEMBL1232653 N
  • DB03147 Y
  • C00016 엔
  • ZC44YTI8KK Y
InChI=1S/C27H33N9O15P2/c1-10-3-12-13(4-11(10)2)35(24-18(32-12)25(42)34-27(43)33-24)5- 14(37)19(39)15(38)6-48-52(44,45)51-53(46,47)49-7-16-20(40)21(41)26(50-16) 36-9-31-17-22(28)29-8-30-23(17)36/h3-4,8-9,14-16,19-21,26,37-41H,5-7H2, 1-2H3,(H,44,45)(H,46,47)(H2,28,29,30)(H,34,42,43)/t14-,15+,16+,19-,20 +,21+,26+/m0/s1 Y [PubChem] 키: VWWQXMAJTJZDQX-UYBVJOGSSA-N Y [PubChem]

FAD는 플라빈-N(5)-옥사이드, 퀴논, 세미퀴논 및 하이드로퀴논의 네 가지 산화환원 상태로 존재할 수 있습니다. [1] FAD는 전자를 받거나 기증함으로써 이러한 상태 사이에서 변환됩니다. 완전히 산화된 형태 또는 퀴논 형태의 FAD는 2개의 전자와 2개의 양성자를 받아 FADH가 됩니다.2 (하이드로퀴논 형태). 세미퀴논(FADH·)은 FAD의 환원 또는 FADH의 산화에 의해 형성될 수 있다.2 전자 하나와 양성자 하나를 각각 받거나 기증함으로써. 그러나 일부 단백질은 과산화된 형태의 플라빈 보조인자인 플라빈-N(5)-산화물을 생성하고 유지합니다. [2] [3]


의학 생화학 시험 II 검토 MFC

1) RAS 독립
IRS-1 --> PI3 키나제 --> PKB -->>>
-> 단백질 및 효소 활성의 변화(예: GLUT4가 막으로 이동)
-> 효소의 탈인산화(예: 글리코겐 합성효소의 활성화)

에피네프린 --> 스트레스에 반응
- 반응을 일으키다 근육 그리고

-> 활성화된 이화작용 --> 골격근 지방산 산화
-> ATP 소비 억제
-> Glut4 발현 증가 --> 포도당 흡수 증가

수용체가 어디에 있는지 알기

2단계:
1) 준비
- 6-C 포도당에서 3-C 글리세르알데히드-3-P로 전환
2) 보수
- G3P에서 Pyruvate로 이동

근육 운동 시 --> NADH 생산 증가 (높은 해당과정) --> 피루브산에서 젖산으로 전환

금지
HIGH Fructose 6-P가 있는 경우 --> GKRP는 글루코키나아제와 3원 복합체를 형성합니다. --> 복합체는 글루코키나아제를 억제합니다.

탈억제
과잉 포도당이 있는 경우(잘 먹은 상태) --> 글루코키나아제의 방출 --> 활성 글루코키나아제

여러 요인에 의해 조절되는 알로스테릭 효소

코엔자임 (낸시를 위한 다정한 사랑의 배려)
1) NS히아민 피로인산(TTP) --> 비타민 B1(티아민)
2) 이포산
3) 오엔자임 A(CoA) --> 비타민 B5(판토텐산)
4) NS라빈 아데닌 디뉴클레오티드(FAD) --> 비타민 B2(리보플라빈)
5) N이코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(NAD+) -->비타민 B3(니아신)

PDH 결핍 --> TCA 결핍 --> ATP 생성 결핍 --> 뇌 회백질 퇴화

피루브산 축적 --> 혈액 내 알라닌 및 젖산 축적 --> 젖산산증 --> 과호흡, 근육통 및 쇠약, 복통 및 메스꺼움

1) 구연산 합성 효소
- 구연산염은 구연산염 합성 효소를 억제합니다 --> 제품 억제

2) 이소시트레이트 탈수소효소(확정 단계)
- 고에너지 --> NADH, ATP --> 억제
- 저에너지 --> ADP, Ca2+ --> 활성화

내막
- 저분자 불투과성(O2, CO2, H2O, NH3 제외)
- 호흡 사슬(전자 수송 사슬)

O.I.L --> 입력 영형산화, 물질 오스 이자형전자

낮은 E0 --> 전자에 대한 더 낮은 친화력 --> 불쌍한 전자 수용체

NADH에 의한 O2 환원은 3ATP 생성

보조인자가 포함된 4개의 대형 단백질 복합체(MEMORIZE)로 구성:
1) 복합체 I --> FMN(플라빈 모노뉴클레오타이드), Fe-S
2) 착물 II --> Fe-S
3)복합체 III --> 시토크롬-b, 시토크롬-c1, Fe-S
4) 복합 IV --> 구리(Cu), 철(Fe), 시토크롬-a, 시토크롬-a3

운동 --> 낮음[ATP]/[ADP] --> ATP 합성효소 활성화 --> 막간 공간에서 양성자 섭취 --> [H+] 그래디언트 감소 --> 전자 수송 증가 --> 더 많은 H+ 펌핑 --> TCA 회로에서 생성된 NADH 사용 --> 고에너지 분자(예: NADH) 제거는 TCA 효소(이소시트레이트 DH, α-케토글루타레이트 DH)를 억제 --> TCA 사이클 가속화 --> 고에너지 분자(예: 시트레이트/ATP)의 감소 --> PFK-1의 탈억제 --> 해당과정 증가 ---> 증가 [ATP]

임상 사용
Barbiturate --> 불안, 불면증 및 간질 치료
허혈 재관류 동안 심장 근육 보호 --> ROS 생성 제한

아질산염 --> Hb(Fe+2)를 MetHB(Fe+3 착물 IV보다 높은 친화력)로 산화 --> CN-을 CNMetHb로 격리

2) 이동 양성자 운반체
- 내막을 통해 양성자를 결합하여 수송하는 지용성 물질
- 2,4-디니트로페놀(DNP)
- 고용량 아스피린

1) 떨림
- 근육의 국부적 수축은 열을 생성 --> ATP의 감소는 호흡 조절을 촉진함 --> 추가적인 열 생성

가역적임 --> 농도 구배에 따라 다름

수입:
해당과정 --> NADH --> NADH는 세포질-말레이트 탈수소효소를 통해 옥살초산을 말산으로 전환하는 동안 산화됩니다. --> 말산은 세포질에서 미토콘드리아 기질로 이동합니다. --> 말산은 미토콘드리아-말산 탈수소효소를 통해 옥살초산으로 전환하여 NAD를 감소시킵니다. NADH


키워드

지방산은 중요한 영양소이며 지방 조직에 트리글리세리드로 저장되기 때문에 인간은 장기간의 기아 또는 단식 및 열병 및 운동과 같은 기타 대사적으로 어려운 조건을 견딜 수 있습니다. 장쇄 지방산 분해의 주요 경로는 미토콘드리아 지방산 β-산화(FAO)입니다. FAO는 트리카르복실산(TCA) 회로와 산화적 인산화에 연료를 공급할 뿐만 아니라 간에서 케톤체의 합성을 촉진합니다.NS)-3-하이드록시부티레이트 및 아세토아세테이트. 인간 생리학에 대한 FAO의 중요성은 FAO 경로의 결함으로 인한 유전 질환 환자에 의해 강조됩니다. 이러한 환자는 일반적으로 생명을 위협하는 라이 유사 증후군으로 진행될 수 있는 저케톤성 저혈당으로 나타나는 낮은 공복 내성을 보입니다. FAO 장애를 가진 환자는 또한 골격근 및 심장 질환을 가질 수 있습니다.

1900년대에 독일 화학자 Georg Franz Knoop은 FAO의 기본 메커니즘을 발견했습니다(1). 홀수 및 짝수 사슬 ω-페닐 지방산을 사용한 그의 고전적인 실험은 지방산의 대사가 2개의 탄소 단편의 연속적인 제거에 의해 진행된다는 것을 보여주었습니다. FAO에 대한 연구의 역사는 FAO 및 그 중간체의 개별 단계를 설명하고 이러한 단계를 수행하는 개별 효소의 정제, 특성화 및 결정화로 이어지는 20세기의 주요 과학적 발전의 라인을 따라 계속됩니다(2) . 1970년대에 FAO의 첫 번째 유전병이 기술되었습니다. 20년 후, 분자 생물학의 발전으로 FAO와 관련된 효소, 수송체 및 기타 촉진 단백질을 암호화하는 유전자의 복제가 이루어지고 FAO 장애를 유발하는 이러한 유전자의 돌연변이가 후속적으로 확인되었습니다(3). 2002년 이 저널의 FAO에 대한 마지막 검토 이후(4), 환자 및 마우스 모델을 포함하는 생체 내 연구와 세포주를 사용한 시험관 연구를 통해 FAO 장애의 병태생리학적 과정에 대한 이해에 많은 진전이 있었습니다. 이러한 연구를 통해 트리헵타노인과 베자피브레이트가 새로운 치료 옵션으로 개발되었습니다(5, 6). 또한 FAO는 인슐린 저항성, 당뇨병, 비만, 신장 섬유증 및 심부전과 같은 일반적인 장애의 병태생리학에서 중요한 역할을 하는 것으로 나타났습니다.

이 리뷰에서 우리는 인간과 생쥐에서 FAO의 생화학 및 생리 기능에 대한 지식의 현재 상태를 제시합니다. 우리는 FAO 장애가 있는 환자와 해당 마우스 모델의 병태생리학에 대해 논의합니다.


결과

ER에서 GPI로 고정된 단백질을 Golgi로 수송하려면 지속적인 스핑고이드 염기 및/또는 세라마이드 합성이 필요합니다(Horvathet al., 1994 스크르지펙 et al., 1997 서털린et al., 1997). Barz와 Walter(1999)는 GPI에 의해 고정된 단백질이 골지 구획으로 이동하는 동역학의 감소 가능성을 제기했습니다. 지연1락1Δ 결실 균주는 스핑고지질 생합성의 변경으로 인한 것일 수 있습니다. 따라서, 우리는 스핑고리피드의 구성을 분석하기로 결정했습니다.지연1락1Δ 세포는 야생형 세포와 비교됩니다.

Lag1Δlac1Δ 균주는 스핑고지질 수준이 크게 감소했습니다.

효모에서 이노시톨을 스핑고리피드로 통합하는 것은 포스파티딜이노시톨(PI)에서 파생된 이노시톨포스페이트를 세라마이드 부분에 첨가함으로써 발생합니다(Becker and Lester, 1980). 생성된 이노시톨포스포릴세라마이드(IPC)는 만노실화되어 만노실이노시톨포스포릴세라마이드(MIPC)를 생성하며, 이는 성숙한 스핑고지질 M(IP) 합성을 위한 기질 역할을 합니다.2C(그림 1 참조). 이러한 복합 스핑고지질의 생합성 속도는 방사성 표지자로 [ 3 H]이노시톨을 사용하여 생체내 펄스 추적 라벨링 기술을 사용하여 조사되었습니다. 야생형 세포에 비해, 지연1락1Δ 세포는 이노시톨 함유 지질의 완전히 변경된 합성 패턴을 나타냈다(도2A, 레인 1 및 2). IPC-IV(C26:0-2OH의 피토세라마이드 함유) 및 M(IP)에 해당하는 밴드2C는 훨씬 덜 강렬했지만 IPC-III(C26:0-OH와 함께 피토세라마이드 함유) 및 MIPC는 검출할 수 없었습니다. PI의 합성 속도는 높게 유지되었지만 길쭉한 지방산이 있는 종(빠른 이동 PI 종)에 유리하게 질적으로 변경된 것으로 나타났습니다. lyso-PI의 양은 ​​다양했지만 항상 야생형 세포보다 높았다. 재미있게,지연1락1Δ 세포는 야생형 세포에 없는 밴드를 보여주었습니다(그림 2A, 별표로 표시된 아래 참조).

그림 2. 이노시톨 함유 스핑고리피드의 합성률 변화 지연1Δlac1Δ 세포. (A) [ 3 H]이노시톨 라벨링. 야생형 세포(레인 1), 지연1락1Δ(레인 2),지연1락1Δ 표현LAG1 (레인 3),지연1락1Δ 표현LAC1 (레인 4),지연1락1Δ 표현LAG1 그리고 LAC1 (레인 5)는 20분 동안 [3H]이노시톨로 표지된 펄스에 이어 60분 동안 추적되었습니다. NaN을 추가하여 추가 에너지 의존성 대사를 중단했습니다.3/NaF 및 표지된 지질을 추출하여 HPTLC 플레이트에서 분석하고, 용매 A에 용해하고, 형광분석을 실시했습니다. (B) [ 3 H]DHS 라벨링. 야생형 세포(레인 1) 및 지연1락1Δ(레인 2)는 2시간 동안 [ 3 H]DHS로 펄스 표지되었고 표지된 지질은 HPTLC 플레이트에서 추출 및 분석되었으며, 용매 B에 용해되었으며 형광분석을 수행했습니다. CER, 세라마이드 DHS, 디하이드로스핑고신 DHS-1P, DHS-1-포스페이트 IPC, 이노시톨포스포릴세라마이드 MIPC, 만노실리노시톨포스포릴세라마이드 M(IP)2C, 만노실디이노시톨포스포릴세라마이드 PC, 포스파티딜콜린 PE, 포스파티딜에탄올아민 PHS, 파이토스핑고신 PI, 포스파티딜이노시톨 미확인 지질은 별표로 표시됩니다.

의 결핍 지연1락1이중 결실 균주가 LAG1 또는 LAC1 centromeric 플라스미드 (그림 2, 레인 3 및 4). 두 가지를 모두 갖춘 보완LAG1 그리고 LAC1 (레인 5) 단일 보완 실험과 비교하여 스핑고지질의 합성을 증가시키지 않았습니다. Lag1p 또는 Lac1p의 성장 결함을 되돌리는 능력에 대해서도 유사한 효과가 관찰되었습니다.지연1락1Δ(Barz and Walter, 1999) 및 Lag1p 및 Lac1p의 중복 기능에 밑줄을 긋습니다.

스핑고지질 합성을 추가로 분석하려면지연1락1Δ 균주, 우리는 [ 3 H]DHS로 생체 내 표지를 반복했습니다. 복잡한 스핑고지질의 유사하게 크게 변경된 패턴이 관찰되었습니다(그림 2B). IPC, MIPC 및 M(IP) 거의 없음2C를 검출할 수 있었다. 또한, PHS 및 DHS-1P의 축적이 관찰되었다. 외인성 DHS는 장쇄 염기 키나제 Lcb4p 및 Lcb5p(Nagiec et al., 1998) 그런 다음 Ysr2p 또는 Ysr3p에 의해 탈인산화되어 세라마이드 또는 PHS로 효율적으로 전환될 수 있습니다(Mao et al., 1997만다라 et al., 1998 또한 그림 1 참조). [ 3 H]DHS 라벨링에서 스핑고이드 염기의 인산화와 후속적인 탈인산화는 변경되지 않은 것으로 보입니다. 지연1락1Δ 세포는 야생형 양의 DHS-1P 및 축적된 PHS를 나타냈다. 이러한 라벨은 다음을 암시합니다. 지연1락1Δ 균주는 스핑고이드 염기의 합성 또는 통합 후 단계에서 결핍됩니다.

펄스 추적 라벨링은 스핑고리피드의 새로운 합성을 반영합니다. 스핑고지질의 상대적 풀에 대한 개요를 보려면지연1락1Δ 균주, 우리는 세포에서 표지의 평형에 도달하기 위해 장기 표지에 의해 그들의 수준을 연구하기로 결정했습니다. 세포는 방사성 표지된 이노시톨, 세린, DHS 또는 포스페이트의 존재 하에 적어도 6세대 동안 성장시켰다. 도 3은 야생형에 전형적인 약한 염기 처리 지질 추출물과 지연1락1△ 세포. 감소된 합성 속도와 일치하여 스핑고지질의 양은 펄스 추적 실험에서 관찰된 것만큼 극적으로는 아니지만 일반적으로 결실 균주에서 감소했습니다. 이러한 데이터는지연1Δlac1Δ 균주는 아마도 대체 메커니즘에 의해 낮은 수준의 스핑고지질을 축적하기 위해 감소된 스핑고지질 합성 속도에 적응할 수 있습니다. 인산염 표지 지질의 정량화는 IPC가 ~13%로 감소하고 M(IP)2C에서 야생형 양의 ~75%(그림 3A). 돌연변이체에 축적된 두 개의 추가 밴드 X1 및 X2가 MIPC 아래로 약간 이동하고(그림 3B, 레인 2, 4, 6) [ 32 P]인산염, [ 3 H]이노시톨로 표지되었기 때문에 MIPC는 정량화되지 않았습니다. , [ 14 C]세린, 및 [ 3 H]DHS, 그러나 [ 3 H]만노스에 의한 것은 아닙니다(미공개 결과). 이러한 지질의 기원과 돌연변이체에 축적되어 세라마이드와 DHS(그림 3B, 레인 4, 6은 별표로 표시됨) 사이에서 이동한 기원에 대해 설명합니다. [ 3 H]이노시톨 또는 [ 14 C]세린으로 장기간 표지된 돌연변이 세포의 탈아실화된 지질 추출물은 항상 IPC/MIPC가 예상되는 영역의 TLC에서 감소된 표지를 나타내어 스핑고리피드 생합성 경로의 차단을 반영합니다 . 또한, PHS 및 DHS는 인산화된 대응물(그림 3B, 레인 4) 뿐만 아니라 축적되는 것으로 보입니다. 세린으로 표지된 돌연변이 세포(그림 3B, 레인 4)의 지질 추출물에 유리 지방산이 존재한다는 것은 인산화된 스핑고이드 염기의 축적을 나타내며, 이는 리아제 Dpl1p(Sabaet al., 1997 또한 그림 1 참조).

그림 3. 다양한 스핑고지질 전구체로 장기간 표지된 지질 추출물의 비교. 야생형(WT) 및지연1락1Δ(ΔΔ)는 (A) [ 32 P]포스페이트 또는 (B) [ 3 H]이노시톨(레인 1 및 2), [ 14 C]세린(레인 3 및 4), [ 3 H]로 밤새 표지되었습니다. 디하이드로스핑고신(레인 5 및 6). 전체 세포 지질 추출물을 준비하고, 탈아실화하고, 용매 B에 용해된 HPTLC 플레이트에서 분석했습니다. B의 오차 막대는 각각 3개의 측정이 있는 2개의 독립적인 실험을 나타냅니다. 약어: 도 2 FA의 범례 참조, 지방산 미확인 지질은 별표로 표시됩니다. X1 및 X2는 이전에 설명되지 않은 알칼리 안정 지질이며 모든 라벨링 실험에 존재했습니다. A의 인산염 함유 스핑고지질은 phosphoimager를 사용하여 정량화되었습니다.

Acyl-CoA 의존적 세라마이드 합성에 대한 이중 돌연변이 세포의 스핑고지질 합성 결함의 국소화

펄스 추적 및 장기 라벨링은 다음을 제안합니다.지연1락1Δ 균주는 스핑고이드 염기, 즉 ceramide synthase, ER에서 Golgi로의 ceramide 수송, 또는 IPC synthase 합성 후 단계에서 결핍된다. 에 의해 암호화된 IPC 합성효소의 활성 AUR1, 외인성 C6-세라마이드. 이러한 조건에서,지연1락1Δ 변형은 C를 만들 수 있습니다6-IPC(미공개 결과). 이 결과는 단계의 결함이 있음을 시사합니다.지연1락1Δ 균주는 세라마이드의 합성일 수 있다.

NS 지연1Δlac1Δ 균주는 아실-CoA 의존적 세라마이드 합성의 억제제인 ​​Fumonisin B1에 내성이 있습니다(미공개 결과). 이 결과와 우리의 데이터는 드 노보 합성 스핑고지질지연1Δlac1Δ 및 이 억제제로 처리된 야생형 세포. 세포가 [ 3 H]palmitate로 60분 동안 펄스 표지되었을 때 표지된 스핑고지질은 야생형 세포에서 회수될 수 있었지만지연1락1Δ 세포(그림4). 다른 스핑고이드 기본 종과 X1/X2 외에도 돌연변이 세포는 야생형 세포에서 일반적으로 발견되지 않는 일부 특이한 지질을 축적했습니다(별표로 표시된 그림 4는 토론 참조).FB1과 2시간 사전 배양 후, 동일한 특이한 지질이 야생형 세포에서 표지되었습니다. 대조적으로, 돌연변이 세포로부터의 지질 프로파일은 세포가 세라마이드 합성효소 억제제로 처리될 때 변하지 않은 채로 유지되었다. 이러한 관찰은 변경된 지질 프로필이 존재한다는 것을 강력하게 시사합니다. 지연1락1Δ 결실 균주는 FB1 민감성 세라마이드 합성효소 반응의 차단으로 인해 발생합니다.

그림 4. 지질 추출물 지연1Δlac1Δ세포는 FB1 처리된 야생형 세포의 세포와 유사합니다. 야생형(레인 1 및 2)의 하룻밤 배양 및지연1락1Δ(레인 3 및 4)를 1 ml의 SC-배지에서 ~10 7 세포의 밀도로 재현탁하고, 100 μM 푸모니신의 존재(레인 2 및 4) 또는 부재(레인 1 및 3)에서 120분 동안 사전 인큐베이션했습니다. B1(FB1) 및 후속적으로 60분 동안 5 μCi [ 3 H]팔미테이트로 표지되었습니다. 전체 세포 지질 추출물은 용매 B에 용해된 HPTLC 플레이트에서 분석되었습니다. TLC 상단의 짧은 노출과 TLC 플레이트 하단의 긴 노출이 표시됩니다. 약어: 그림 3의 범례 참조. PA, 팔미테이트. 돌연변이체에 축적되는 지질은 FB1 처리된 야생형 지질 추출물에도 존재합니다(별표로 표시됨).

위의 데이터는 Lag1p와 Lac1p가 FB1에 민감한 세라마이드 합성효소를 통한 생체내 세라마이드 합성에 필요함을 시사합니다. 따라서 우리는 체외 분석을 사용하여 세라마이드 합성효소를 보다 직접적으로 측정하기로 결정했습니다. [ 3 H]DHS를 기질로 사용하는 시험관 내 세라마이드 합성효소 활성은 마이크로솜 분획, ATP(Funato and Riezman, 미공개 결과), CoA, 및 스핑고이드 염기 키나아제와 다른 인자를 제공하는 세포질을 필요로 합니다(Funato 및 Riezman, 미공개 결과). 이 접근법에 의해, 야생형 막은 일반적으로 디히드로세라미드와 피토세라미드를 모두 합성했습니다(그림 5A, 레인 3). 이 두 가지 형태의 세라미드는 산성 용매 시스템을 사용할 때 각각 파이토세라미드보다 약간 아래로, 디히드로세라미드 아래로 이어지는 두 개의 약한 미확인 밴드로 아주 잘 분리되었습니다. 전체 양에 대한 두 가지 형태의 세라마이드의 상대적 기여도는 멤브레인 배치에 따라 다양했습니다. 이 분석에서 만들어진 복합 스핑고지질의 수준은 매우 낮았기 때문에(미공개 결과), 비록 우리가 세라미다제에 의한 세라마이드 가수분해를 배제할 수는 없지만, 우리가 감지하는 세라마이드의 양이 분석 동안 만들어진 양을 반영한다고 가정할 수 있습니다. 강력한 세라마이드 합성효소 억제제인 ​​오스트랄리펀진(만다라et al., 1995 레인 1) 또는 FB1(왕 et al., 1991 레인 2), 세라마이드에 해당하는 밴드는 감지할 수 없었지만 별표로 표시된 미확인 지질은 변경되지 않았거나 심지어 축적되었습니다. 따라서 이 밴드는 FB1에 민감한 세라마이드 합성효소의 산물이 아닙니다. 의 패턴지연1락1Δ 균주는 FB1으로 처리된 야생형 세포와 유사했습니다. 디하이드로- 및 피토세라마이드가 거의 검출되지 않았습니다. 이것은 Lag1p와 Lac1p가 FB1에 민감한 세라마이드 합성효소 반응에 필수적임을 보여줍니다.

그림 5. 시험관 내 세라마이드 합성효소 분석. (A) 야생형 또는지연1락1Δ(ΔΔ) 세포는 ATP 재생 시스템인 차갑고 표지된 디히드로스핑고신(0.5μCi)의 혼합물인 야생형 시토졸과 함께 15시간 동안 오스트랄리펀진(레인 1) 또는 푸모니신 B1(레인 2)의 존재 하에 사전 인큐베이션되었습니다. 10°C에서 최소 세라마이드 합성효소 반응은 CoA 및 헥사코사노산과 포스파티딜이노시톨의 리포솜 혼합물을 첨가하여 시작되었습니다. 24℃에서 추가로 120분 동안 배양한 후, 반응을 클로로포름/메탄올 1:1 [vol/vol]로 중단하고 지질을 약한 염기로 가수분해하고 탈염하였다. 동일한 양을 HPTLC 플레이트에 스팟팅하고 용매 C에서 해결했습니다. (B) CoA 의존성. 실험은 CoA를 생략한 것을 제외하고 A와 동일한 조건에서 수행됩니다(레인 2, 3, 5). 지질은 삼중수소에 민감한 스크린과 Cyclone phosphorimager를 사용하여 시각화되고 정량화되었습니다. 디하이드로세라마이드와 파이토세라마이드 스팟은 신호 강도가 매우 다르기 때문에 피토세라마이드의 노출 시간이 더 짧은 것으로 나타났습니다. 약어: AF, 오스트랄리펀진 DH-CER, 디하이드로세라마이드 FB1, 푸모니신 B1 PH-CER, 피토세라마이드. 미확인 지질은 별표로 표시됩니다.

최근 마오쩌둥과 동료들(마오 et al., 2000a, 2000b) 두 개의 유전자를 확인했습니다. YPC1 그리고 YDC1, FB1 내성 및 아실-CoA 비의존성 세라마이드 합성효소에 관여합니다. 이 데이터를 통해 우리는 CoA 의존성을 테스트하게 되었습니다.LAG1/LAC1-의존적 세라마이드 합성효소 활성. 시험관내 분석법을 사용하여 세라마이드 합성효소 활성을 CoA의 존재 또는 부재하에 시험하였다. CoA가 분석에서 생략되었을 때, 야생형 막은 FB1의 존재에서 발견된 양과 유사한 수준으로 세라마이드 수준이 크게 감소했음을 보여주었습니다(그림 5B, 레인 1-4). 한편, 합성 패턴은 지연1락1Δ 이중 돌연변이 균주는 CoA의 영향을 받지 않았습니다(그림 5B, 레인 5 및 6). 이러한 결과는 CoA 의존적 세라마이드 합성이 Lag1p 및 Lac1p를 필요로 하고 이중 돌연변이 세포에 존재하는 낮은 수준의 세라마이드 합성이 CoA 비의존적임을 입증한다.

Lag1p 및 Lac1p의 세라마이드 합성효소 활성을 추가로 특성화하기 위해 우리는 야생형 세포에서 단백질 중 하나 또는 둘 모두를 과발현하고 시험관내 분석에 의해 이들 세포에서 세라마이드 수준을 측정하기로 결정했습니다. 이러한 실험은 이들 단백질의 과발현이 전체 세라마이드 수준의 약간의 증가만을 초래한다는 점에서 명확한 결과를 제공하지 않았습니다(미공개 결과). 그러나 이러한 결과는 그리 놀라운 것이 아닙니다. 세라마이드는 신호전달 분자이므로 그 수준을 엄격하게 조절해야 합니다. 농도의 약간의 변화는 세포 반응을 유도하는 것으로 나타났습니다(Perry and Hannun, 1998). 예를 들어, 효모 세포가 열 충격에 노출되면 세라마이드 수준은 3배만 증가하는 반면 다른 분자는 훨씬 더 풍부해집니다(C20-PHS 및 C20-DHS 100배 딕슨 증가 et al., 1997). 또는 다음과 같을 수 있습니다. LAG1 그리고LAC1 세라마이드 합성을 증가시키기 위해 과발현되어야 하는 유일한 유전자는 아닙니다(토론 참조).

이중 결실 균주에서 세라마이드 합성의 결함은 직접적으로 결실로 인한 또 다른 결함의 간접적인 결과일 수 있습니다. 이 경우 유전자 중 하나의 조건부 대립 유전자를 보유하는 균주에서 세라마이드 합성 결함의 출현에 지연이 발생할 것으로 예상됩니다. 이 문제를 해결하기 시작하려면지연1락1Δ 균주는 LAG1(지연1–1 TS ). 허용 온도(24°C)에서 이 균주는 야생형 속도로 성장하는 반면, 비허용 온도(37°C)에서는 성장 속도가 야생형과 동일한 범위의 수준으로 급격히 감소합니다.지연1락1Δ 변형률(미공개 결과). 허용 온도에서 스핑고지질 패턴은지연1락1-NS지연1–1 TS 및 야생형 균주는 생체 내 [ 3 H]DHS 라벨링으로 판단한 것과 유사했습니다(그림 6, 레인 1-4). 대조적으로, [ 3 H]DHS의 IPC로의 통합은 세포가 비허용 온도에서 이동되었을 때 즉시 차단되었습니다. 37°C에서 1분간 배양한 후에도 라벨링에서 IPC 합성이 감지되지 않았습니다(그림 6, 레인 5 및 6). 이러한 결과는 LAG1, 그리고 가장 가능성이 높은 LAC1, 세라마이드 합성에 직접 관여할 수 있습니다. 그러나 정량화할 수 있는 결과를 얻기 위해 IPC에 충분한 통합을 얻기 위해서는 상당한 양의 라벨링 시간이 필요하기 때문에 실제로 ceramide synthase 활성의 손실이 더 긴 시간이 필요하다는 것을 배제할 수 없습니다. 흥미롭게도, 온도에 민감한 세포가 미리 성장하고 비허용 온도에서 표지되었을 때, 스핑고리피드는 이중 결실 돌연변이체에서와 같이 약간 검출 가능했으며(미공개 결과), 균주가 아실-CoA 의존적 세라마이드 합성의 손실에 적응할 수 있음을 보여줍니다.

그림 6. LAG1의 온도에 민감한 대립유전자. NS지연1락1Δ 균주는 LAG1(지연1–1 TS ). 세포를 초기 대수기까지 SDYE 배지에서 24℃에서 밤새 성장시키고, 10 OD/ml의 흡광도까지 SD 배지에 재현탁시켰다. 그런 다음 아우레오바시딘 A의 존재 하에 24°C 또는 37°C에서 1분 동안 인큐베이션한 후 표시된 온도에서 2시간 동안 0.5ml의 세포를 [ 3 H]DHS(4 μCi, 최종 농도 0.15 μM)로 표지했습니다. (AbA 레인 2 및 4). NaN을 추가하여 추가 에너지 의존성 대사를 중단했습니다.3/NaF 및 표지된 지질을 추출하고 순한 염기로 가수분해하고 용매 B를 사용하여 TLC 플레이트에서 분석했습니다. 지질은 삼중수소-민감성 스크린 및 Cyclone phosphorimager를 사용하여 시각화 및 정량화되었습니다.

Lag1Δlac1Δ 균주에서 세라미다제 Ypc1p 및 Ydc1p의 과잉 생산은 부분적으로 성장 및 스핑고지질 합성을 복원합니다

스핑고지질 생합성에 대한 조사를 시작하기 전에 우리는 Lag1p와 Lac1p의 억제인자를 찾아내서 Lag1p와 Lac1p의 기능을 특성화하려고 했습니다. 지연1락1Δ 결실 표현형. Lag1p 및 Lac1p와 함께 기능하는 단백질을 식별하기 위해 삭제 배경에서 높은 복사 억제인자 스크린을 수행했습니다. high-copy genomic library를 사용하여 이중 결실 균주의 성장 결함을 억제하는 플라스미드를 보유하는 135개의 콜로니를 선택하였다. 이들 억제자 균주 중 115개는 야생형과 동일한 속도로 성장했으며 콜로니 PCR에 의해 LAG1 또는 LAC1. 나머지 20개의 억제제는 야생형 비율의 ~80%로 성장을 회복했습니다. 이 돌연변이 중 8개의 플라스미드는 이전에 설명되지 않은 2개의 유전자와 중첩된 삽입물을 가지고 있었습니다.YBR183w 그리고YBR184w. 서브클로닝은 의 과발현을 보여주었다. YBR183w단독으로 성장 결함의 부분적인 복귀에 충분했습니다(그림 7, 행 3). 나머지 12개의 플라스미드를 사용한 PCR은 모든 플라스미드에YBR183w. 전체 아미노산 서열은 Lag1p 또는 Lac1p와 유의한 상동성을 나타내지 않았다. 그러나, 그것은 유전자에 의해 암호화되는 다른 추정되는 막 단백질과 71% 동일했습니다. YPL087w. 일지라도YPL087w high-copy suppressor screen에서 확인되지 않았으며, 이 유전자의 클로닝 및 과발현은 plasmid pWB824를 사용하여 지연1락1Δ 결실 균주는 야생형 비율의 ~65%까지 성장을 회복했습니다(그림 7, 4행).YBR183w 역작용이 있는 알칼리성 파이토세라미다제를 암호화하는 것으로 밝혀졌으며YPC1 (마오 et al., 2000a). YPL087wYdc1p(Mao et al., 2000b). Ypc1p와 마찬가지로 Ydc1p는 역세라미다제 작용을 나타내지만 Ypc1p보다 낮은 정도로 우리가 스크리닝에서 이를 감지하지 못한 이유를 설명합니다. 우리의 발견과 일치하게, 저자들은 원래 YPC1 FB1에 대한 내성을 부여한 플라스미드에 대한 높은 복제 억제인자 스크린에서. 이 특성은 세라미다아제의 FB1 내성 세라마이드 합성 활성으로 인한 것이며 YPC1 그리고 YDC1 CoA 비의존성 및 FB1 비민감성 세라마이드 신타제 활성을 인코딩합니다. 성장 결함의 구조가 스핑고지질 생합성의 회복의 결과인지 여부를 명확히 하기 위해 우리는 억제 균주에서 장기간 인산염 표지에 의해 스핑고지질 수준을 분석했습니다. 의 과잉 표현 YPC1 또는 YDC1 ~에지연1락1Δ 세포는 M(IP)의 양을 증가2C는 적어도 야생형 수준(그림 8A)으로, 그리고 이 스핑고지질은 과발현된 유전자에 따라 다른 형태로 나타났다. 이것은 피토세라마이드와 디하이드로세라마이드에 대한 두 세라미다제의 특이성의 차이와 일치합니다(Mao et al., 1997,2000b) 상위 대역은 M(IP)2C는 디하이드로세라마이드로, 하단 밴드는 피토세라마이드로. 유사한 관찰이 [ 3 H]DHS 장기 라벨링에서 나왔습니다(그림 8B). 의 과잉 표현 YPC1 또는YDC1 ~에 지연1락1Δ 세포는 M(IP) 수준을 증가시켰습니다.2C 그러나 인산염 라벨링과 비교할 때 그 정도는 적습니다. 사실, 이중 녹아웃 배경에서 대부분의 외인성 DHS는 두 개의 추가 지질인 X1과 X2에 통합되었으며, 아마도 이 차이에 대한 설명일 것입니다. 그러나 M(IP) 비율의 상승2C/(X1+X2)의 작업을 강조 표시합니다. YDC1 그리고 YPC1. 따라서 돌연변이 세포 성장 표현형의 억제는 세라마이드를 만드는 대체 경로의 도입으로 가장 가능성이 높습니다.

그림 7. YPC1 및 YDC1의 과발현은 의 성장 결함을 부분적으로 구제합니다. 지연1Δlac1Δ 세포. 높은 복제 억제인자 선별검사를 실시하여 억제인자를 식별했습니다.지연1락1재료 및 방법에 설명된 Δ 성장 결함. 고복사 플라스미드 인코딩YPC1 (3행) 및 YDC1 (행 4)는 각각 다음으로 재변환되었습니다.지연1락1Δ 배경 및 야생형과 비교하여 결정된 상대 성장률(1행, 100%로 설정) 및 지연1락1Δ (행 2).

그림 8. YPC1과 YDC1은 스핑고지질 수치를 조절합니다.지연1Δlac1Δ 돌연변이 세포. 야생형 세포(WT),지연1락1Δ 셀(ΔΔ),지연1락1Δ 세포 과발현YPC1 (ΔΔ YPC1),지연1락1Δ 세포 과발현YDC1 (ΔΔ YDC1), 또는 4중 결실 균주지연1락1ypc1ydc1Δ(ΔΔΔΔ)는 (A) [ 32 P]포스페이트 또는 (B) [ 3 H]디히드로스핑고신의 존재 하에 밤새 성장시켰다. 전체 세포 지질 추출물을 약한 염기로 가수분해하고, 탈염하고, 용매 B에 용해된 HPTLC 플레이트에서 분석했습니다. 표지된 지질을 인광영상기의 사용으로 정량화했습니다. 약어: 그림 3의 범례 참조.지연1락1ypc1ydc1Δ 스핑고지질 IPC 및 M(IP) 변형2C는 완전히 부재합니다.

Quadruple lag1Δlac1Δypc1Δydc1Δ 돌연변이체에서는 스핑고지질이 검출되지 않습니다

Lag1p와 Lac1p는 CoA-의존성 및 FB1-민감성 세라마이드 합성효소를 통한 세라마이드의 정상적인 생산에 필요한 것으로 보이기 때문에 우리는 지연1락1Δ 세포는 역 활성을 통해 세라미다제에 의해 합성되었습니다. 우리는 의 삭제 균주를 구성했습니다. YPC1 그리고 YDC1, 각각, 따라서 짝짓기와 포자 형성에 의해 네 가지 결실의 다른 조합을 얻었다. 이중 삭제YPC1 그리고 YDC1 명백한 결함이 없었고 야생형과 유사한 지질 패턴이 있었습니다(미공개 결과). 4중 결실 균주는 치명적이지는 않았지만, 지연1락1Δ 이중 삭제. 그것은 액체 매체에서 비슷한 속도로 성장했지만지연1락1Δ, 한천 플레이트에서 단일 콜로니 형성이 크게 감소했습니다(미공개 결과). 놀랍게도, 스핑고지질의 발생에 대한 조사는지연1락1ypc1ydc1포스페이트를 사용한 생체 내 표지 및 인광 이미지 장치를 사용한 정량화에 의한 Δ 균주는 M(IP)의 완전한 부재를 나타냅니다.2C(그림 8A). 대신, X1과 X2는 에서 발견된 지질과 똑같이 이동했습니다.지연1락1Δ 세포는 약한 알칼리 가수분해 후 가장 두드러진 밴드였다. 도 8B는 [ 3 H]DHS로 표지된 정상 상태인 염기 처리된 전체 세포 지질 추출물을 나타낸다. 유사한 조건에서 동일한 균주의 인산염 표지 추출물(그림 8A)과의 비교는 LAG1 그리고LAC1 세라미다제 유전자가 결실될 때 이 표현형의 중증도의 증가를 입증한다.

이노시톨포스포릴세라마이드 합성효소의 억제제인 ​​아우레오바시딘 A가 치명적이고 유전자(AUR1) 이 효소를 인코딩하는 것은 필수적입니다(Nagiec et al., 1997). 처음에는 특히 스핑고지질이 완전히 없는 우리의 결과와 일치시키기 어렵습니다.지연1락1ypc1ydc1Δ 변형. 그러나 이 화합물의 독성과 치사율에 대한 대체 설명은 aur1Δ 돌연변이는 치사율이 스핑고지질의 부재보다는 오히려 세라마이드의 축적에 의해 유발된다는 것일 수 있습니다. 이를 테스트하기 위해 ~5μg/ml 아우레오바시딘 A를 포함하는 YPUAD 플레이트에서 돌연변이 균주의 성장을 조사했습니다(그림 9). 실제로, 이중 및 사중 돌연변이체는 이 농도에서 성장했지만 동종 야생형 세포는 성장하지 않았습니다. 이러한 데이터는 세라마이드 생산이 Lac1p 및 Lag1p의 CoA 의존적 세라마이드 합성효소 활성에서 주로 유래하는 반면, Ypc1p 및 Ydc1p의 CoA 비의존적 세라마이드 생성은 미미하고 집락 형성을 억제하는 데 필요한 세라마이드 수준에 도달하기에 충분하지 않다는 것을 의미합니다.

Fig. 9. Aureobasidin-independent growth지연1Δlac1Δ 그리고lag1Δlac1Δypc1Δydc1Δ 세포. 아우레오바시딘 A를 약 5㎍/ml의 농도로 YPUAD 플레이트에 도포하였다. 지정된 균주를 플레이트에 스트리킹하고 24°C에서 2일 동안 인큐베이션했습니다. 약어: WT, 야생형 ΔΔ,지연1락1ΔΔΔΔΔ,지연1락1ypc1ydc1Δ.

이러한 결과는 아우레오바시딘 A에 의한 치사율이 스핑고리피드의 부재보다는 세라마이드의 축적에 기인함을 시사한다.


효소

16.7 테르펜/테르페노이드 경로

테르펜 또는 테르페노이드는 30,000개 이상의 제품을 갖는 가장 큰 부류의 2차 대사산물을 구성합니다. 이 부류의 다양한 물질은 일반적으로 물에 녹지 않으며 아세틸 CoA 또는 해당 중간체에 의해 생합성됩니다. 모든 테르펜은 이소펜탄의 분지형 탄소 골격을 갖는 5개 탄소 화합물의 융합으로 인해 생성됩니다. 테르펜의 기본 구조 요소는 테르펜이 더 높은 온도에서 분해되어 이소프렌을 형성할 수 있기 때문에 때때로 이소프렌 단위로 명명됩니다. 따라서 테르펜은 이소프레노이드로 표시됩니다. 저분자량 ​​테르페노이드와 같은 헤미테르펜, 모노테르펜 및 세스퀴테르펜은 일반적으로 자연 상태에서 휘발성을 유지하며 특정 식물 종의 전형적인 풍미와 향에 기여합니다. 이들 중에서 주목할만한 것은 이소프렌, 유칼립톨, 게라니올, 리날로올, 피넨, 미르센, 진기베린, 크라이오필렌, β-파르네센 등이 있습니다. 테르펜은 그들이 구성하는 5개의 탄소 단위의 수로 분류됩니다.

모든 테르페노이드는 보편적인 5가지 탄소 전구체인 이소펜테닐 이인산(IPP) 및 디메틸알릴 이인산(DMAPP)에 의해 생성됩니다. 테르페노이드 생합성은 서로 다른 세포내 구획에 국한된 2개의 대체 생합성 경로에서 파생되는 DMAPP에 대한 IPP의 헤드 투 테일 추가로 주로 구성됩니다. IPP 및 DMAPP 합성을 위한 세포질에서 작동하는 주요 경로는 3개의 아세틸 CoA의 축합에서 유래하는 메발론산(MVA) 경로로 알려져 있습니다. 또 다른 경로는 2-C-메틸에리트리톨-4-포스페이트(MEP) 경로로 알려진 색소체에서 작동하여 탄수화물 대사에서 유래한 피루브산 및 글리세르알데히드-3-포스페이트로부터 IPP 및 DMAPP를 형성합니다. 두 경로의 세포하 구획화로 둘 다 독립적으로 작동할 수 있지만 두 경로 사이에 대사 혼선이 존재합니다.

세포질에서 발생하는 MVA 경로는 2개의 아세틸-CoA 분자의 축합으로 시작하여 효소 아세틸-CoA 아세틸 트랜스퍼라제(2.3.1.9)에 의해 아세토아세틸-CoA를 생성합니다. 아세틸-CoA의 또 다른 분자는 효소 하이드록시메틸 글루타릴-CoA 합성효소(2.3.3.10)의 존재하에 아세토아세틸-CoA와 결합하여 β-하이드록시-β-메틸-글루타릴-CoA(HMG-CoA)를 형성합니다. 후자는 효소 HMG-CoA 환원효소(HMGR 1.1.1.34)에 의해 작용하여 메발론산으로 들어갑니다. 효소는 두 개의 NADPH+H + CoASH를 사용하여 방출되고 >C=O는 CH로 환원됩니다.2OH(메틸렌) 그룹. HMGR은 진핵생물에서 고도로 보존된 효소이며 MVA 경로에서 IPP 생합성의 속도 제한 단계를 촉매합니다. 고등 식물에서 효소 HMGR은 핵 게놈의 다중 유전자 패밀리에 의해 암호화됩니다. HMGR 활성은 광 억제제, 성장 조절제, 인산화, 대사 피드백, 상처 등을 포함한 일련의 환경 및 생리학적 신호에 대해 매우 민감합니다. 생성된 메발론산은 이후에 첫 번째 안정한 5C 화합물인 이소펜테닐 피로포스페이트(IPP)로 전환됩니다. IPP는 isopentenyl diphosphate isomerase(5.3.3.2)에 의해 이성질체인 dimethylallyl pyrophosphate(DMAPP)로 이성질화됩니다. IPP와 DMAPP는 모두 함께 결합하여 더 큰 분자를 생성하는 테르펜 생합성의 활성화된 빌딩 블록입니다. 먼저, IPP와 DMAPP가 반응하여 피로인산을 제거함으로써 효소 게라닐 이인산 합성효소/디메틸알릴 전이효소(GDS 2.5.1.1)의 도움으로 제라닐 피로인산(GPP)을 생성합니다. 결과적인 10-탄소 전구체인 GPP는 거의 모든 모노테르펜을 생성하며, 반응은 테르펜 합성효소(TPS 4.2.3.47)에 의해 촉매됩니다. 그런 다음 GPP는 다른 IPP 분자에 결합하여 15개 탄소 화합물인 파르네실 피로포스페이트(FPP)를 생성할 수 있습니다. 반응은 효소 fornesyl diphosphate synthase(FDS 2.5.1.68)에 의해 촉매됩니다. 모 전구체(GPP 및 FPP)는 산화, 환원, 이성질화, 수화, 접합 및/또는 기타 변형을 통해 여러 구조적 변형에 들어가 궁극적으로 수많은 테르페노이드에 기여합니다. FPP는 거의 모든 세스퀴테르펜의 전구체로 작용하며 반응은 TPS에 의해 촉매됩니다. FPP에 GGDP(geranylgeranyl diphosphate)에 의해 매개되는 IPP 분자를 하나 더 추가하면 디테르펜의 전구체인 20개 탄소 화합물인 geranylgeranyl pyrophosphate(GGPP)가 생성됩니다. 또한 FPP는 이량체화되어 트리테르펜을 생성하는 스쿠알렌을 생성할 수 있습니다(C30) 스쿠알렌 합성효소와 스테로이드에 의해 분해되는 반면, GGPP의 이량체화는 테트라테르펜을 빈티지화하는 파이토엔을 생성합니다(C40).

색소체에서 발생하는 대안적인 MEP 경로는 피루베이트 및 d-글리세르알데히드 3-포스페이트(GAP)로부터 IPP 및 DMAPP의 형성에 관여합니다. 경로는 7가지 효소 단계로 구성됩니다(그림 16.2). 경로의 첫 번째 커밋된 단계는 1-데옥시-d-자일룰로스-5-포스페이트(DOXP)를 생성하기 위해 피루브산과 GAP의 트랜스케톨라제 유사 탈카르복실화 반응을 통해 티아민 피로포스페이트 의존 DOXP 합성효소(DXS 2.2.1.7)에 의해 촉매됩니다. 효소의 활성을 위해서는 Mg 2+ 또는 Mn 2+가 필요합니다. 그런 다음 DOXP는 DOXP 환원이성화효소/MEP 합성효소(DXR 1.1.1.267)에 의해 2-C-메틸-d-에리트리톨 4-포스페이트(MEP)로 변환됩니다. 대사 산물 MEP는 첫 번째 안정적인 중간체이며 결과적으로 이 경로에서 이름이 유래되었습니다. MEP 생성은 NADPH를 조효소로 사용하는 효소 DXR에 의해 촉매되는 분자내 재배열 및 환원을 통해 발생합니다. 일련의 효소 반응은 궁극적으로 IPP 및 DMAPP를 생성하며, 이는 앞서 논의한 바와 같이 궁극적으로 다양한 테르페노이드로 전환될 수 있습니다.

그림 16.2. 테르페노이드 생합성의 색소체 MEP 경로.

Nagegowda, D.A., 2010. 식물 휘발성 테르페노이드 대사: 생합성 유전자, 전사 조절 및 세포내 구획화. FEBS 렛. 584, 2965-2973.


인슐린 저항성을 유발하는 지질 신호

지질 축적 및 인슐린 저항성.

인슐린 저항성은 제2형 당뇨병 발병의 주요 원인이며 신체의 인슐린 의존적 과정에 의해 인슐린에 대한 감수성이 감소하는 것으로 광범위하게 설명됩니다. 골격근은 인슐린 매개 포도당 처리의 주요 부위이며 전신 포도당 청소율의 약 75%를 차지합니다(14). 근육 TAG 함량과 지방과 무관한 인슐린 감수성 사이의 부정적인 관계를 설명하는 첫 번째 논문이 발표된 지 15년만입니다(101, 128, 131). 이러한 연구는 골격근 인슐린 작용에서 지질의 역할을 조사하는 새로운 연구 물결에 영감을 주었습니다. 근세포 지질-대사 상호작용을 조사하는 데 사용되는 일반적인 실험 모델에는 세포 배양 배지에 지방산 추가, 인간 및 기타 종의 고지방 섭식, 지방산 공급을 증가시키기 위한 Intralipid 및 헤파린 에멀젼 주입이 포함되지만 이에 국한되지 않습니다(140). , 지방산 가용성을 감소시키기 위한 지방세포 지방분해의 약리학적 차단(180), 지질 흐름을 조절하기 위한 단백질의 유전적 녹아웃/과발현(80). 근육세포내 TAG가 인슐린 저항성 상태에서 반복적으로 증가하는 것으로 나타났지만, TAG가 별개의 지질 방울 내에 저장되어 인슐린 신호전달에 직접 영향을 미칠 가능성이 없기 때문에 TAG가 인슐린 저항성을 직접적으로 야기할 가능성은 거의 없다는 것이 일반적인 합의입니다(위 참조). ).

글리세로지질.

글리세로지질 합성 경로의 중간체는 인슐린 저항성의 발병기전에 연루되어 있습니다. DAG와 인슐린 저항성을 연결하는 증거는 강력하지만 논쟁의 여지가 없는 DAG는 긴 사슬 포화 지방산에 의해 인슐린 저항성을 만드는 근관에 축적되고(122) 비만한 인슐린 저항성 설치류(177, 188)와 인간(85)의 근육에서 상승합니다. ), 혈장 유리 지방산의 급성 상승은 근육 DAG 축적 및 인슐린 저항성과 일시적으로 연관되며(202), DGKδ를 억제하면 DAG 함량이 감소하고 마우스에서 인슐린 작용이 개선됩니다(34). 기계적으로, DAG는 새로운 PKC isoforms 및 아마도 IKKβ(30, 96)를 활성화하여 차례로 인슐린 수용체 기질-1(IRS-1)의 세린/트레오닌 인산화를 유도하고 다운스트림 인슐린 신호를 손상시키는 것으로 생각됩니다(그림 2). 이 계획은 잘 가입되어 있지만 여전히 모호합니다(36, 144, 157). 예를 들어, 지구력 훈련을 받은 인슐린에 민감한 운동선수는 2형 당뇨병 환자와 유사한 근육 DAG 수준을 보입니다(6). 주요 장애물은 인슐린 저항성을 유발하는 것으로 알려진 다른 지질 유형과 독립적으로 세포 내 DAG 수준을 선택적으로 조작한 실험적 접근 방식이 거의 없다는 것입니다. 더욱이, 특정 DAG 종은 시험관 내에서 PKC 이소형에 대해 더 높은 활성을 갖는 것으로 가정되며, 향후 연구에서는 특정 DAG가 인슐린 저항성과 상관관계가 있는지 여부를 적어도 결정하기 위해 DAG 함량 자체보다는 DAG 종을 측정하는 것을 고려해야 합니다. 마지막으로, DAG의 세포내 국소화 및 구획화는 다른 조건에서 변경되어 잠재적으로 PKC 활성화 및 PKC 반응의 진폭을 변경할 수 있습니다.

그림 2.세포내 지질 신호 및 인슐린 저항성. 검은색 화살표, 프로세스 빨간색 선 활성화, 프로세스 파선 억제, 아직 입증되지 않은 추정/가상 프로세스. 대사 경로의 효소는 파란색, 지방분해 갈색, 글리세로지질 합성/에스테르화 녹색, 인슐린 신호 주황색, 스핑고지질 빨간색, PAT 단백질 노란색, 세포 소기관 라벨과 같은 색상으로 그룹화됩니다. 3-KDS, 3-케토디히드로스핑고신 AS160, 160kDa의 Akt 기질 DGAT, GCV, 소포 GlcCer, 글루코실세라마이드 GlcCer 합성을 포함하는 포도당 수송체 4(GLUT4), 글루코실세라마이드 합성효소 IKKβ, IRS 키나제 서브인슐린 β 억제제, 인슐린 수용체 기질 1 JNK, c-Jun NH2-말단 키나제 LPAPL, 리소포스파티딘산 인지질 리파제 MLK3, 혼합 계통 키나제 3 mTORC2, 라파마이신 복합체 2 P의 포유동물 표적, 인산화 p85/p110, 포스파티딜이노시톨 3-키나제 서브유닛 p85(조절) 및 p110(촉매) 팜산 CoA, 팔미토일-CoA PDK-1, 포스포이노시티드 의존성 키나제-1 PP2A, 단백질 포스파타제 2A ROS, 반응성 산소종 SMS, 스핑고미엘린 합성효소 SPT, 세린 팔미토일트랜스퍼라제 TLR4, 톨 유사 수용체 4.

글리세로지질 경로의 다른 구성원은 덜 연구되지만 인슐린 작용의 변화를 유발할 수 있습니다. 배양된 근관에 LPA를 추가한 연구는 이 지질의 인슐린 민감성 효과를 주장하지만(201), 근육 내에서 생성된 LPA가 골격근 인슐린 저항성의 주요 기여자는 아닐 것입니다. 왜냐하면 이 경로를 통한 흐름은 일반적으로 매우 빠르기 때문입니다. 미토콘드리아 아실-CoA:글리세롤-에 대한 연구sn감소된 LPA를 가질 것으로 예상되는 -3-포스페이트 아실트랜스퍼라제 1 null 마우스는 골격근 인슐린 감수성에 영향을 미치지 않음을 보여줍니다(124). 특히, LPA는 간 인슐린 작용의 동반 향상과 함께 이들 마우스의 간에서 감소되었습니다. 마지막으로 Cazzoli et al. (32) 불포화 지방산 인슐린 저항성 생성에서 PA(특히 dilinoleoyl-PtdH)의 역할을 입증하기 위해 몇 가지 새로운 세포 기반 접근 방식을 사용했습니다.

스핑고지질.

스핑고지질 세라마이드(sphingolipid ceramide)는 골격근에서 인슐린 저항성의 핵심 매개체로 간주됩니다. 세라마이드는 인슐린 저항성 인간(3, 168), 비만인 인슐린 저항성 설치류(76, 188, 190) 및 팔미테이트 노출에 의해 인슐린 저항성이 된 근육 세포(153)에서 상승합니다. 또한, 새로운 세라마이드 합성의 약리학적 억제는 인슐린 저항성 설치류에서 인슐린 작용을 향상시킵니다(76, 179, 198). 세라마이드는 주로 Akt/PKB(169)에서 인슐린 신호 전달을 억제하고 가능하면 세린/트레오닌 키나제 c-Jun 말단 아미노 키나제(151)의 활성화를 통해 인슐린 저항성을 유도하며, 이는 차례로 인슐린 수용체 기질 단백질(77)을 비활성화합니다. 한 보고서는 세라마이드가 인슐린 신호 전달에 대한 세라마이드 효과와 무관하게 GLUT4 전위 및 포도당 흡수를 약화시키는 Rac의 활성화를 방지함으로써 액틴 리모델링을 차단한다는 것을 나타냅니다(그림 2)(87).

증거의 무게가 세라마이드의 인슐린 둔감화 역할을 지지하지만, 인슐린 내성 조건에서 일반적으로 관찰되는 세라마이드 함량의 양적 작은 변화(~30-50%)로 인해 현장에서 약간의 회의론이 있습니다(검토는 참고 문헌 참조 77). 그러나 세라마이드의 국소화는 세포 기능의 중요한 결정 요인일 가능성이 있으며 다른 세포 유형에 대한 연구는 유익했습니다. 지방 세포에서 원형질막의 카베올린이 풍부한 막 내에 국한된 세라마이드는 PKCζ를 모집하여 Akt 활성의 억제 및 결합을 촉진합니다(23). 이와 관련하여 인슐린 저항성 마우스에서 골격근 막/세포질 세라마이드 비율이 증가하여(27), 이러한 기전이 근육에 존재할 수 있음을 시사합니다. 다양한 인슐린 저항성 상태에서 골격근 내 세라마이드 국소화를 조사하는 추가 연구가 필요합니다. 마지막으로, 흥미로운 새로운 개념은 Toll-like receptor 4(TLR4)에 의해 촉발된 타고난 면역 신호 경로의 활성화가 근육에서 포화 지방산 유도 세라마이드 생합성과 인슐린 저항성에 필요하다는 것을 시사합니다(75).

혈장 유래 세라마이드가 근육에서 인슐린 신호를 부정적으로 조절하는 것도 가능합니다. 혈장 세라마이드와 인슐린 감수성 사이에 음의 상관관계가 있다는 여러 보고가 있으며(73, 76, 82, 149), 일부 증거는 세라마이드가 TLR4를 통해 신호를 보내 근육을 인슐린에 둔감하게 할 수 있음을 시사합니다. 지질다당류는 TLR4에 대한 고전적인 리간드이며, 최근 연구에 따르면 LPS의 지질 A 활성화 성분과 구조적 유사성을 공유하는 포화 지방산 팔미테이트가 TLR4 활성화 및 골격근 인슐린 저항성의 발병기전에 기여한다고 제안합니다(138). 내인성 세라마이드는 지질 A 내의 지방산과 유사한 지방산 부분(C16-C24)을 포함하고 세라마이드는 LPS와 다른 구조적 유사성을 공유합니다(90). 이 가설을 추가로 뒷받침하는 것은 단쇄 세라마이드가 TLR4에 대한 추정 리간드라는 발견입니다(53).

gangliosides와 glucosylceramide를 포함한 glycosphingolipids의 생산은 인슐린 저항성의 발달과 관련이 있습니다(그림 2). 글루코실세라마이드 합성효소(4)의 약리학적 억제는 인슐린 저항성을 유발하는 것으로 알려진 다른 지질의 변화 없이 골격근 글루코실세라마이드 함량을 감소시키며, 동시에 인슐린 감수성도 향상됩니다. 임상적 관점에서 고셔병은 글루코실세라마이드의 이화작용 결함과 인슐린 저항성을 특징으로 한다(56). 강글리오사이드는 인슐린 수용체를 포함한 여러 수용체 티로신 키나제의 활성을 조절하며, 글리코스핑고리피드 합성(204) 또는 유전적 GM3 합성효소 결실(197)의 소분자 억제제를 사용한 연구는 인슐린 저항성 발달에서 글리코스핑고리피드 축적의 역할을 설명합니다. 이러한 효과가 직접적인 근육에 의한 것인지 또는 2차적인 효과에 의한 것인지는 확인되지 않았습니다. 우리는 근육 인슐린 작용에 대한 락토실세라마이드와 같은 다른 스핑고리피드의 직접적인 효과를 조사한 연구를 알지 못합니다.

이 분야가 직면한 주요 문제는 인과 관계를 확인하기 위해 단일 지질 유형을 선택적으로 조절할 수 없다는 것입니다. 지방산은 근육에서 다양한 지질 유형을 형성하는 데 사용되며, 하나의 생합성/분해 경로의 작용을 차단하는 것은 지방산을 대체 운명으로 재지정하는 것으로 보입니다. 예를 들어, 세린 팔미토일트랜스퍼라제 짧은 헤어핀 RNA 또는 약리학적 세린 팔미토일트랜스퍼라제 억제에 의한 팔미테이트 유도 세라마이드 축적을 감소시키면 근관에서 DAG(187) 또는 설치류 근육(179)에서 TAG 쪽으로 팔미테이트의 분할이 유도됩니다. 따라서 단백질/지질 대사 경로를 수정할 때 근육 리피돔의 전반적인 변화와 하류 대사 과정에 대한 영향을 고려해야 합니다.

지방산 산화의 부산물이 인슐린 저항성을 유발합니까?

연구자들은 지질 과잉이 인슐린 저항성을 유발하는 방법을 설명하기 위해 상당한 노력을 기울였습니다. 최근까지 많은 사람들이 근육 세포의 지방산 저장을 줄이고 흡수를 줄이거나 산화를 증가시키면 "생체 활성 지질 대사 산물"에 의해 부과되는 세포 내 "지질 스트레스"를 완화하고 근육 인슐린 작용을 향상시킬 것이라는 이론에 동의했습니다(위 참조) . 실제로, 골격근에서 선택적으로 지방산 산화를 증가시킨 실험적 조작은 지방산 과부하 설정에서 인슐린 저항성의 감소를 보여줍니다(19, 27, 35, 99, 130). 특히, 이것은 항상 근육 지질 함량의 감소와 관련이 있는 것은 아니며, 유입되는 지방산의 미토콘드리아 흐름을 증가시키는 것이 근육 세포를 어떻게든 보호한다는 것을 의미합니다. 이 결론은 증가된 지질 이화작용, 미토콘드리아 지방산 플럭스 및 지질 유도 인슐린 저항성에 대한 보호를 입증(추론)하는 급성 운동/수축 연구에 의해 어느 정도 뒷받침됩니다(152, 174, 175).

Koves et al. (100)은 골격근에서 지질 과잉 공급과 인슐린 저항성 사이의 대사 연결이 과도한 미토콘드리아 β-산화와 TCA 회로를 통한 흐름 사이의 단절로 설명된다고 제안하는 대안적이고 도발적인 개념을 제시했습니다. 연구자들은 아실카르니틴의 생성 및 축적을 수반하는 β-산화의 증가와 TCA 주기 중간체의 동시 감소가 미토콘드리아 스트레스 상태를 반영하여 인슐린 저항성을 유발한다는 개념을 뒷받침하기 위해 여러 실험 모델을 사용했습니다. 따라서 이 이론에 따르면 골격근의 결함 있는 인슐린 작용은 지방산이 주요 기질일 때 조절되지 않은 미토콘드리아 생체 에너지와 밀접하게 연결되어 있습니다. 이 개념은 인슐린 신호 전달의 수반되는 감소와 함께 심한 비만 대 마른 사람(17) 또는 제2형 당뇨병 대 비만 인간 대상(193)에서 얻은 원발성 근관에서 증가된 "불완전한" 지방산 산화를 입증하는 연구에 의해 뒷받침됩니다. . 비만 표현형은 과도한 지방산에 노출된 마른 피험자의 근육 세포에서 요약되었습니다. 그러나 ETC 용량이 감소되고 TCA 주기 플럭스로부터 분리되는 철 결핍 모델에서는 인슐린 저항성의 증거가 없었습니다(69).

이 가설과 관련하여 풀리지 않은 주요 질문은 과도한 β-산화와 함께 인슐린 저항성을 매개하는 신호 전달 이벤트는 무엇입니까? Acetylcarnitine은 인간의 고지방 섭취로 골격근에 축적되지만(136), 특정 acetylcarnitine이 신호 분자로 작용하거나 간접적으로 단백질 아세틸화를 수정하는지 여부는 알려져 있지 않습니다. 대안적으로, β-산화를 통한 과도한 플럭스는 인슐린 작용을 조절하는 주요 단백질에 대한 아세틸트랜스퍼라제 활성을 위한 과도한 아세틸-CoA를 제공할 수 있습니다. 그러나 IRS-1의 아세틸화는 인슐린 자극 신호 전달을 향상시키는 것으로 보이며(91), 히스톤 데아세틸라제 활성을 억제하여(따라서 아세틸화를 촉진) 인슐린 감수성을 촉진하는 것으로 보입니다(114, 118).

다음으로, 배양된 제제에서 측정되는 "불완전하게 산화된" 대사 산물의 정체는 미스터리로 남아 있으며 이러한 분자에 대한 통찰력은 인슐린 저항성에 대한 대사 연결을 제공할 수 있습니다. Seifert et al. (156)은 골격근 미토콘드리아에서 팔미테이트 연소의 대사 산물 서명을 식별하기 위해 새롭고 편향되지 않은 대사체학 프로파일링 접근법을 활용했습니다. 이러한 초기 연구에서 TCA 회로 중간체(시트레이트, α-케토글루타레이트, 숙시네이트, 말레이트) 및 케톤체 생성이 향후 조사의 가능한 대상인 것으로 나타났습니다.다른 가능한 후보로는 세린 키나제를 활성화하고 인슐린 신호 전달을 방해할 수 있는 활성 산소종(ROS)이 있습니다. 팔미토일-l-카르니틴 기질은 H를 증가시킵니다.2영형2 피루브산에 비해 고립된 미토콘드리아에서 방출되는 반면(8), 고지방식이는 H2영형2-호흡 기능의 변화가 없을 때 골격근 미토콘드리아의 방출 잠재력, 결과적으로 세포 내 산화 환원 환경이 더 산화된 상태로 전환됩니다(7). 따라서 지방산 β-산화는 급격하게 더 많은 ROS를 생성하고 장기간 지방산 노출은 미토콘드리아 기질에 관계없이 ROS 생성을 촉진하는 안정적인 변화를 유도합니다. 지방산에 장기간 노출되면 H가 어떻게 변합니까?2영형2-골격근에서 미토콘드리아의 방출 잠재력은 불분명하지만, 아마도 이것은 전자 수송 시스템으로부터의 전자 누출의 조절 또는 H의 비율의 변화를 포함할 것임에 틀림없다.2영형2 미토콘드리아 기질에서 청소. 참고로, 미토콘드리아 지방산 산화 동안 ROS 형성은 시험관 내에서 매우 낮은 농도(4.5μM 팔미토일카르니틴)에서 발생하며 복합 III(복합 I가 아님) 및 덜 평가된 막 전위-비의존성으로 ROS 생성의 여러 부위를 포함하는 복잡한 과정을 포함합니다. 전자 전달 플라보단백질과 전자 전달 플라보단백질 산화환원효소는 ROS 생성의 가능성이 있는 부위입니다(155). (독자는 이 주제에 대한 추가 정보를 위해 이 저널의 향후 호에 Dr. Scott Powers의 리뷰로 안내됩니다.)

해결되지 않은 또 다른 질문은 일반적으로 TCA 회로에서 생성된 신호가 지방산 이화작용에 관여하는 여러 효소(예: CPT I, β-케토티올라제)의 활성을 엄격하게 조절하는 피드백을 제공할 때 미토콘드리아 지방산 수송 및 이화작용이 TCA 플럭스를 초과하는 이유입니다. ? 이 피드백 시스템의 조절장애가 실제로 존재합니까, 아니면 이 둔감함이 시험관 내에서 분리된 미토콘드리아 및/또는 불멸화 세포에서 실험을 수행하는 것이 부적절함을 반영하는 것입니까? 타협.


기질에서 플라빈으로 산화환원 당량의 이동 모드(d)

포화된 아실-CoA 기질에서 산화된 플라빈으로 전자의 이동에 대해 몇 가지 가능성을 생각할 수 있습니다. 공유 중간체를 통한 전달(그룹 전달), 수소화물 또는 단일 1e-단계(급진적 메커니즘)를 통한 전달이 [47] 논의되었으며, 후자는 Cornforth의 초기 제안으로 거슬러 올라갑니다 [ [66] ]. 두 번째 문제는 전자 흡수에 관여하는 플라빈 고리의 궤적입니다. 두 질문 모두 MCAD의 플라빈을 5-deazaFAD로 ​​대체한 실험에서 단호하게 답변되었습니다[[55] ]. 후자는 두 가지 중요한 특성을 가지고 있습니다. 첫째, 환원된 형태의 플라빈 C(5)-H2 수소는 용매와 교환되지 않고 그들의 입체특이성을 유지할 것입니다 [ [67, 68] ] 둘째, 5-데아자플라빈은 단일 전자 전달 반응을 겪지 않습니다 [ [69] ]. MCAD의 특정한 경우, 정상 기질은 아마도 열역학적 이유 때문에 산화된 5-deazaFAD를 환원하지 않습니다[[55] ]. 그러나 환원된 5-deazaFAD는 C(5)-H 중 하나를 전달하는 것으로 밝혀졌습니다.2 에노일-CoA에 대한 천연 MCAD의 속도와 유사한 속도로 [[55] ](단계 k−3 반응식 1). 이러한 발견은 플라빈 N(5) 위치에 수소화물로서 기질의 βC-H를 직접 전달하는 것과 양립가능하다. 실제로 3D 구조는 기판 βC가 플라빈 N(5) 위치 바로 위에 위치하여 βC-H 결합의 궤도가 N(5)에서 요구되는 플라빈 LUMO의 확장에 놓일 수 있음을 보여줍니다. 수소화물 전달 [ [46] ] (첨부 문서 [ [5] ] 참조).


심장 비대 및 심부전의 포도당 대사

*서신: Zhao V. Wang, PhD, 심장내과, University of Texas Southwestern Medical Center, 5323 Harry Hines Blvd, Dallas, TX 75390-8573. 이메일:

심장내과 , 내과 , 텍사스 대학교 사우스웨스턴 메디컬 센터 , , , , , , 텍사스

심부전은 전 세계적으로 주요 사망 원인 중 하나이며 신흥 전염병으로 분류되었습니다. 1, 2 5년 생존율이 50%인 심부전은 우리의 경제 및 의료 시스템에 엄청난 부담을 줍니다. 광범위한 관심과 가장 중요한 임상 요구에도 불구하고 심부전에 대한 우리의 이해는 아직 불완전합니다. 결과적으로 현재 치료법이 없습니다.

고혈압은 심부전의 가장 중요한 위험 요소 중 하나입니다. 고혈압에서는 심실 벽에 스트레스가 가해집니다. 라플라스의 법칙에 따르면 심장 벽 두께의 증가는 벽 스트레스를 효과적으로 개선할 수 있습니다. 3 이러한 소위 동심성 심장 성장은 근절 생합성의 상향 조절 및 성인 심장의 제한된 복제 능력으로 인한 개별 심장 근육 세포의 확대에 의해 달성됩니다. 그러나 지속적인 스트레스에 대한 반응으로 이 한 번 적응된 비대 성장은 대상부전과 심부전으로 진행될 수 있습니다. 지난 수십 년 동안 수많은 신호 분자 및 경로가 심장 비대 성장 및 심부전에서 확인되었습니다. 4 이러한 과정에는 신진대사, 구조 및 전기생리학에서 광범위한 심장 리모델링이 포함됩니다. 증가하는 증거는 대사 리모델링이 전부는 아니지만 대부분의 다른 병리학적 변화에 선행하고 심장 비대 및 심부전에 필수적인 역할을 할 수 있음을 나타냅니다. 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 허혈성 심장 질환은 심부전의 또 다른 중요한 요인입니다. 심근경색증(MI)에서 살아남은 환자는 주요 대사 장애를 가진 심장에서 광범위한 병리학적 리모델링을 겪을 수 있습니다. 여기, 우리는 포도당 활용에 초점을 맞춘 혈역학적 스트레스와 심장 허혈에 대한 응답으로 심장 대사 변화의 최근 발견을 검토합니다. 우리는 또한 이 파괴적인 심장 질환을 해결하기 위한 탄수화물 대사 경로의 잠재적인 치료 목표에 대해 논의합니다.

심장의 포도당 대사

심장은 잡식성으로 끊임없이 연료를 소비하고 이용 가능한 모든 기질을 사용합니다. 8 ATP 생성 및 회전율의 높은 비율은 혈액과 산소를 ​​다른 기관에 전달하기 위해 심장 수축성을 유지하는 데 중요합니다. 정상적인 조건에서 심장 ATP는 주로 지방산(FA) 산화(FAO)에서 파생되며 포도당 대사는 덜 기여합니다. 그러나 스트레스 조건에서는 FAO가 감소할 수 있으며 이는 증가된 포도당 이용과 함께 발생합니다. 9 심근세포의 포도당 흡수는 포도당 수송체(GLUT)에 의해 매개되며, GLUT1과 GLUT4가 가장 풍부한 동형입니다. 11, 12, 13, 14, 15, 16 GLUT1은 태아 심장에서 높게 발현되는 반면, GLUT4는 성인 심장에서 우세합니다. 심장 근육 세포 내에서 포도당은 먼저 헥소키나아제에 의해 포도당 6-인산으로 인산화되거나 폴리올 경로에 의해 소르비톨로 전환될 수 있습니다. 포도당 6-인산은 이후 해당과정, 오탄당 인산 경로(PPP) 및 헥소사민 생합성 경로를 포함한 여러 대사 경로를 거칩니다(HBP 그림 1). 6 심장 비대 및 허혈성 심장 질환에서 이러한 경로의 병리학 적 변경은 손상된 신호 전달, 교란 된 이온 및 산화 환원 항상성 및 수축 기능 장애와 관련이 있습니다.

그림 1. 심장의 포도당 대사 경로. 심근세포에서 포도당은 포도당 운반체 GLUT 1 또는 GLUT 4를 통해 운반됩니다. 폴리올 경로에서 파생된 소르비톨과 과당은 해당 작용을 위해 AGE 또는 과당 6-P로 전환될 수 있습니다. 세포내 포도당은 헥소키나아제(HK)에 의해 포도당 6-인산으로 인산화될 수 있습니다. 그런 다음 포도당 6-인산은 해당과정, 오탄당 인산 경로(PPP) 및 헥소사민 생합성 경로(HBP)를 포함한 여러 경로로 대사됩니다. 세포질에서 피루브산은 알라닌 또는 젖산을 형성하는 데 사용될 수 있습니다. 미토콘드리아에서 피루브산은 트리카르복실산 회로를 위해 아세틸-CoA로 전환됩니다. PPP에서 추출한 Ribulose 5-P는 pyrimidine/purine 합성에 사용하거나 해당과정의 중간체로 전환할 수 있습니다. HBP의 최종 산물인 UDP ‐Glc NA c는 프로테오글리칸, 히알루로난, 당지질, GPI 앵커, O-Glc NA c 변형 및 N-글리칸의 합성을 위한 기질 역할을 합니다. AGE s는 진행된 당화 최종 산물인 fructose 6-P, fructose 6-phosphate GLUT, 포도당 수송체 glyceraldehyde 3-P, glyceraldehyde 3-phosphate GPI, glycosylphosphatidylinositol O-Glc NA c, O-linked β-N-acetylglucosamine ribulose 5-P , 리불로스 5-포스페이트 UDP -Glc NA c, 우리딘 디포스페이트 N-아세틸글루코사민.

해당과정

해당 과정은 피루브산, NADH 및 ATP를 생성하는 세포에서 포도당 대사를 위한 가장 중요한 경로입니다. 그러나 해당과정으로 인한 ATP 수율은 정상 심장에 있는 전체 ATP 풀의 작은 부분에만 기여합니다. 17 세포질에서 피루브산은 알라닌 트랜스아미나제에 의해 알라닌을 형성하기 위해 추가로 이용되거나 젖산 탈수소효소에 의해 젖산으로 환원될 수 있습니다. 다른 한편으로, 피루브산은 미토콘드리아에서 트리카르복실산 회로에 연료를 공급하는 피루브산 탈수소효소에 의해 산화되어 아세틸-CoA를 생성합니다(피루브산 산화 또는 포도당 산화로 알려짐). hexokinase, PFK(phosphofructokinase), pyruvate kinase를 포함한 3가지 효소는 해당과정의 비가역적 반응을 촉매하므로 해당과정을 관장하는 중요한 효소로 제안된다. 18 해당과정의 조절은 효소와 기질, 호르몬, 산소 결핍 또는 기타 다른 조건에 따라 다양하게 분포됩니다. 19 Hexokinase는 해당과정의 첫 번째 효소입니다. 포도당 수송의 제어는 인슐린의 존재하에 폐지되는 반면 포도당의 사용은 케톤의 존재하에 선호됩니다. 해당 작용의 두 번째 조절 효소는 PFK1과 PFK2의 2가지 이소형을 갖는 PFK입니다. 과당 6-인산은 각각 PFK1 및 PFK2에 의해 과당 1,6-이인산 및 과당 2,6-이인산(과당 2,6-BP)으로 전환됩니다(그림 2). fructose 2,6-BP는 fructose 1,6-bisphosphate 생성과 해당 과정에 따라 PFK1의 강력한 활성제입니다. 20 해당과정의 최종 효소인 Pyruvate kinase는 이 경로로부터의 플럭스를 조절합니다. 케톤이나 인슐린 또는 둘 모두가 있는 상태에서 포도당으로 심장 관류하는 동안 해당 작용의 제어가 증가합니다. 19 연구에 따르면 해당 작용은 해당 작용 유래 ATP와 이온 펌프 ATPase의 긴밀한 결합으로 인해 수축 기능을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 21

그림 2. 심장의 해당 경로. 해당과정의 일련의 효소 반응은 포도당을 피루브산으로 전환하고, 이는 젖산으로 환원되거나 TCA 회로에 의해 추가로 이화될 수 있습니다. 해당 과정에서 파생된 ATP는 심장의 수축 기능을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 녹색 화살표는 과당 2,6-이인산에 의한 PFK 1의 활성화를 나타냅니다. ALT는 alanine transaminase fructose 1,6-BP, fructose 1,6-bisphosphate fructose 2,6-BP, fructose 2,6-bisphosphate fructose 6-P, fructose 6-phosphate GAPDH, glyceraldehyde transporter GLUT GLUT glyceraldehyde 3-P, glyceraldehyde 3-phosphate HK, hexokinase LDH, lactate dehydrogenase PDH, pyruvate dehydrogenase PFK, phosphofructokinase PK, pyruvate kinase TCA, tricarboxylic acid.

비대심장에서의 해당과정

심장 비대 성장 및 병리학적 리모델링 동안 FAO에서 포도당 이용으로의 현저한 대사 이동이 있습니다. 이 변경은 비대된 심장에서 해당과정의 증가와 관련이 있습니다(표). 22, 23, 24, 25 기계적인 수준에서 심장이 압력 과부하에 직면할 때 심근세포의 세포 내 유리 AMP가 증가하여 결과적으로 AMP 활성화 단백질 키나아제를 통해 신호를 전달합니다. 그 결과, PFK1의 활성제인 fructose 2,6-BP의 합성이 상향 조절되고 sarcolemmal 막으로의 포도당 수송체 이동이 향상됩니다. 23 일관되게, 심근세포에서 키나제 결핍 PFK2를 과발현하는 형질전환 마우스 모델은 낮은 수준의 과당 2,6-BP로 인해 해당 작용이 감소했습니다. 24 이 마우스는 압력 과부하에 대한 반응으로 대조군 동물보다 더 깊은 비대, 섬유증 증가 및 심장 기능 장애를 나타냅니다. 25 따라서 fructose 2,6-BP 및 해당 분해를 증가시키지 않으면 심장의 해로운 구조적 및 기능적 변화에 기여할 수 있습니다. 종합하면, 과당 2,6-BP 및 PFK1의 활성화를 통한 해당과정의 상승은 심장 압력 과부하에 대한 적응적 반응입니다. 그러나 해당과정의 증가는 감소되거나 정상적인 포도당 산화를 동반하며, 이는 포도당 섭취와 산화 사이의 분리로 이어질 수 있습니다. 이 불균형은 심장의 병리학적 비대 리모델링과 관련이 있습니다. 22

표 1. 포도당 대사가 변경된 동물 모델의 표현형

동물 모델배경상태이벤트심장 결과참고문헌GLUT4의 심장 관련 녹아웃C57BL/6, FVB기준선

↑인슐린 비의존성 포도당 흡수

↓인슐린 의존성 포도당 흡수

↑인슐린 비의존성 포도당 흡수

↑포도당 산화, [G-1-P], [젖산], [글리코겐], ATP 합성

↑FA 대사, OXPHOS 유전자

↓당분해, 포도당 산화

↓당분해, 포도당 산화

↑[G-6-P], [F-6-P], [UDP-GlcNAc], [글리코겐]

↑섬유증, 심장 기능 장애

↓당분해, PFK 활성, 급성

↑당분해, PFK 활성, 회복

↑심장 비대, 섬유증

↓저산소증으로 인한 심근세포 수축 억제

↑지질과산화유래 알데히드류

↑병적 심장 비대

↔GLUT1, GLUT4, CPT1, AOX mRNA

↓ FA 대사 관련 유전자의 mRNA 수준

↔심장기능, 생존

주산기 사망 및 심부전

↑아포토시스, 섬유증, ER 스트레스

↓GLUT1, HK2, GPD1, GPAT, PPARγ mRNA 수준

↑mRNA 수준에서 미토콘드리아 관련 유전자

↑호흡 기능, DNA 함량, 미토콘드리아 표면적

↓ATP, 크레아틴 인산, 젖산

↓GAPDH, GPD1, GPAT 활동

↑당분해 유전자, GPD1, GPAT, PPARγ mRNA 수준

↓mRNA 수준의 미토콘드리아 관련 유전자

↓호흡 기능, DNA 함량, 미토콘드리아 표면적

AOX는 acyl-CoA oxidase 1 AR, aldose reductase ATP-5O, ATP synthase subunit 5 COX 5B, cytochrome C oxidase subunit 5B COX IV, cytochrome C oxidase subunit 4 CPT1, carnitine palmitoyltransferase FA, 지방산 FAO, 지방산 산화를 나타냅니다. CD36, 지방산 트랜스로카제/분화 클러스터 36 G6PD, 포도당 6-인산 탈수소효소 GAPDH, 글리세르알데히드 3-인산 탈수소효소 GATA4, GATA 결합 단백질 4 GLUT1, 포도당 운반체 유형 1 GLUT4, 포도당 운반체 유형 4 GPAT, 글리세롤 인산 아실트랜스퍼라제 GPD1, 3-phosphate dehydrogenase HK2, hexokinase 2 I/R, ischemia/reperfusion LV, left ventricle MCAD, middle chain acyl-CoA dehydrogenase MI, 심근경색 OGT, O-GlcNAc transferase OXPHOS, oxidative phosphorylation PDK4, pyruvate pyruvate dehydrogenase , phosphofructokinase-2 PGC1-β, PPARγ coactivator 1 β PGC1-α, PPARγ coactivator 1 α PPARα, peroxisome proliferator-activated receptor α ROS, 활성산소 SDH, sorbitol dehydrogenase SDHA, 숙신산 탈수소효소 복합체 소단위 A SERCA2, 근형질/소포체 칼슘 ATPase 2 TAC, 흉부 대동맥 수축 TAG, 트리글리세리드 TGFβ2, 변형 성장 인자 β2 VDAC, 전압 의존성 음이온 채널.

해당 작용, 포도당 산화 및 FAO에 대한 심장의 대사 변경은 동물 모델, 실험 설정, 심장 비대 및 기능 장애의 단계 및 중증도, 다양한 병리학적 자극에 따라 달라질 수 있습니다. 감소된 FAO 및 증가된 포도당 이용을 뒷받침하는 증거가 증가하고 있지만, 비대심장에서 변화되지 않거나 증가된 FAO 및 변화되지 않거나 감소된 해당작용이 또한 발견되었습니다. 39 안지오텐신 II는 FAO 및 해당작용의 보존(약간 감소하지만 유의하지는 않음)과 함께 심장 비대 및 기능 장애를 유도하고 포도당 및 젖산 산화를 감소시킵니다. 40 여기서 해당과정은 PFK1 억제 41 및 심장 인슐린 저항성 발달을 통한 지속적인/높은 FAO 비율에 의해 조절될 수 있습니다. 안지오텐신 II는 인슐린 저항성을 유발하는 것으로 밝혀졌으며 42 이는 인슐린 의존성 포도당 흡수 및 해당 작용의 장애를 유발할 수 있습니다. 일관되게, 인슐린 유도 GLUT4 전위의 결함은 복부 대동맥 수축 심장에서 해당 작용의 감소를 유발할 수 있습니다. 39 인슐린 저항성이 있으면 FA와 포도당을 활용하는 대사 유연성이 손상됩니다. 따라서 포도당 산화, 해당 작용 및 FAO의 조정되지 않은 조절은 ATP 결핍 및 심부전의 발병을 초래할 수 있습니다.

생리학적 맥락에서 운동은 해당작용과 PFK 활성을 급격히 억제할 수 있으며 회복 단계에서 증가합니다. 26 규칙적인 운동으로 인한 포도당 이용의 변화는 미토콘드리아 건강과 생리적 심장 성장을 유지하는 데 중요하지만, 지속적으로 높은 해당 속도는 병적 비대를 유발한다는 것을 암시합니다. 26 , 27

허혈성 및 쇠약해진 심장의 해당과정

심장 허혈의 결과는 불충분한 산소 공급 및 대사 폐기물의 부적절한 세척을 포함합니다. 43 충분한 산소 부족은 FA를 분해하는 심근세포의 능력을 약화시키고, 이는 차례로 세포 구연산염 수준을 감소시키고 간접적으로 포도당 흡수 및 해당 작용을 활성화합니다. 결과적으로, 해당작용 플럭스는 허혈 동안 증가합니다. 43 , 44 , 45 , 46 , 47 , 48 경증 허혈에서는 포도당 섭취가 증가하는 반면 중증 허혈에서는 실제로 감소할 수 있습니다(관상동맥 흐름의 거의 완전한 차단). 43 관상동맥 유속이 점진적으로 감소하면 중등도의 허혈이 중등도가 되었다가 중증이 됩니다. 이 전환 동안 해당 과정은 ATP를 생성하고 이온 항상성을 유지하여 유익한 효과를 제공합니다. 그러나 심한 허혈에서는 해당과정이 유익한 것보다 해로울 수 있습니다. 세척 부족은 혐기성 ATP 생성의 이점을 가리는 해로운 영향으로 이어질 수 있습니다. 관류 불량으로 인한 세포 내 양성자의 축적은 피드백 방식으로 해당 작용을 억제할 수 있습니다. 43 , 45 더 해로운 영향은 Na + , Na + /K + ATPase 및 Ca 2+ ATPase의 Na + , Ca 2+ 유출 용량을 약화시켜 이온 항상성의 붕괴를 포함하여 수축 기능을 손상시킬 수 있습니다.또한 해당과정에서 생성된 피루브산은 피루브산 산화에 들어가기보다는 젖산을 형성하여 훨씬 높은 수준의 젖산과 낮은 포도당 산화 속도를 유발할 수 있습니다. 종합적으로, 병리학적 심장 비대에서 제안된 것과 유사한 방식으로 증가된 해당과정은 포도당 산화의 분리 및 젖산 및 양성자 수준의 상승을 동반할 수 있으며, 이는 함께 심근 손상에 기여합니다.

허혈 후 회복(허혈/재관류 I/R)은 심장 손상을 완화하고 임상 결과를 개선하는 가장 효과적인 접근 방식입니다. 49 그러나 재관류 동안 포도당 산화의 병행 증가 없이 해당 속도가 여전히 높기 때문에 심장 효율이 지속적으로 감소합니다. 44, 45, 46, 47, 48 또한, I/R은 세포외 pH를 복원하고 Na + /H + 및 Na + /Ca 2+ 교환을 유도하여 Na + 및 Ca 2+의 심각한 세포내 과부하를 유발할 수 있습니다. 따라서 이온 불균형은 수축 장애의 원인으로 간주되는 재관류 동안 지속됩니다. 46 재관류 동안, FAO의 증가는 포도당 산화의 감소를 동반하며, 이는 포도당 산화와 해당과정 사이의 추가 분리를 유발합니다. 50 , 51

울혈성 심부전에서는 FA 이용률이 유도되는 반면 포도당 이용률은 억제됩니다. 52, 53 높은 수준의 혈장 노르에피네프린은 지방분해 및 재에스테르화를 통해 증가된 혈장 유리 FA를 설명할 수 있으며, 이는 차례로 포도당 산화 감소를 유발합니다. 54 FAO 억제는 심근 에너지 항상성을 향상시키는 유망한 전략을 나타낼 수 있습니다.

앞서 언급한 동물 연구에 따라 해당 작용과 포도당 산화 간의 분리가 인간의 쇠약해진 심장에서도 발견되었습니다. 55, 56 게다가, 박출률이 보존된 고염식으로 유발된 심부전은 포도당 산화의 변화 없이 비대 및 확장기 기능 장애의 발달과 함께 해당 분해의 점진적인 증가를 보여줍니다. 초기 단계에서 해당과정과 포도당 산화 사이의 불일치는 박출률이 보존된 심부전의 발병을 유발할 수 있습니다. 56 커플링의 회복은 심부전 치료를 위한 잠재적인 치료 수단이 될 수 있습니다. 44, 45, 46, 56

FAO의 감소는 박출률이 보존된 심부전의 발병에서 관찰되지 않고 후기 단계에서만 관찰된다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 56 이를 뒷받침하기 위해 FAO 및 지질 통합을 포함한 FA 이용률은 만성 경색 쥐 심장에서 심장 기능 장애의 정도와 반비례합니다. 57 FAO와 포도당 산화는 중등도의 관상동맥 미세색전술로 인한 심부전이 있는 개에서 변하지 않습니다. 58 게다가, 중등도 심부전 환자의 기질 이용(예: FAO)은 건강한 대조군과 유사합니다. 59 이러한 데이터는 심부전의 후기 단계에 감소된 FA 이용이 상당한 기여를 함을 시사합니다. 대사 리모델링의 차이는 심장 질환의 유형과 중증도에 따라 결정됩니다. 향후 임상 적용을 위한 기본 메커니즘을 분석하기 위한 추가 연구가 필요합니다.

폴리올 경로

폴리올 경로는 2가지 효소 단계로 구성됩니다(그림 3). 첫 번째 반응은 포도당을 소르비톨로 환원시키기 위한 알도스 환원효소(AR)에 의해 조절됩니다. 두 번째는 소르비톨 탈수소효소가 소르비톨을 과당으로 산화시키는 작용을 포함합니다. 정상혈당 조건 하에서, 3% 미만의 글루코스가 폴리올 경로에 의해 이용되는 반면, 30% 초과의 글루코스는 고혈당 하에 온전한 토끼 수정체에서 이 과정을 통해 대사된다. 60, 61 그러나 심장에서 폴리올 경로를 통한 대사율은 정의되지 않은 채로 남아 있습니다. AR과 소르비톨은 외부 삼투압의 변화에 ​​반응하여 신장 세포의 부피와 세포 내 환경을 조절하여 삼투 균형을 유지하는 것으로 알려져 있습니다. 62 고삼투압 조건에서 AR은 쥐의 신장 간막 세포, 차이니즈 햄스터 난소 세포, 63 JS1 Schwann 세포, 64 및 쥐 심근세포에서 유도됩니다. 65 또한, AR이 항산화 효소로 작용할 수 있다는 압도적인 증거가 있습니다. 66, 67 혈관 염증, 68, 69 허혈, 70 철 과부하, 71 및 알코올성 간 질환과 같은 높은 산화 스트레스 조건에서 72 AR이 상승합니다. 기능적 수준에서 AR의 유도는 차이니즈 햄스터 섬유아세포 세포주에서 산화 스트레스에 대한 세포 보호를 표시합니다. 73 게다가, AR은 해당과정과 포도당 산화와 같은 다른 포도당 대사 경로를 조절할 수 있습니다.

그림 3. 심장의 폴리올 경로. 폴리올 경로에서 알도스 환원효소(AR)는 포도당을 소르비톨로 변환하고, 이는 후속적으로 소르비톨 탈수소효소(SDH)에 의해 과당으로 산화됩니다. AR은 또한 독성 알데히드를 무독성 알코올로 촉매하여 항산화 효소로 작용합니다. AGE s는 최종 당화 생성물인 과당 6-P, 과당 6-인산 GAPDH, 글리세르알데히드 3-인산 탈수소효소 GLUT, 포도당 수송체 GR, 글루타티온 환원효소 GSH, 환원된 글루타티온 GSSG, 산화된 글루타티온 종 ROS를 나타냅니다.

비대심장에서의 폴리올 경로

제한된 연구는 병리학적 심장 비대의 발달에서 폴리올 경로의 역할을 해부하기 위해 지시되었습니다. 최근에, 심장 AR 발현 28 및 그 생성물(과당 및 소르비톨) 74이 비대된 심장에서 유도되고 AR의 소실은 보다 심각한 비대 성장 및 심장 기능 장애를 초래한다고 보고되었습니다. 28 AR은 지질 과산화에 의해 생성된 반응성 알데히드의 해독 활성을 유지하는 것으로 나타났습니다. 따라서 비대해진 심장에서 AR 결핍은 반응성 알데히드 제거를 손상시켜 4-하이드록시노넨알(HNE)-단백질 및 아크롤레인-단백질 부가물과 같은 알데히드 변형 단백질의 상승을 초래할 수 있습니다. 이러한 변형된 단백질은 ATP 생산, 단백질 접힘 및 자가포식에 참여합니다. 28 비대증식 초기의 자가포식은 적응적이지만 과도한 자가포식은 부적응 심장 재형성을 유발할 수 있다. 75 따라서 심장 비대에서 AR의 급성 증가는 알데히드를 해독하고 자가포식을 통제하기 위한 적응 방어 반응으로 작용할 수 있습니다. 28 그러나 폴리올 경로가 심장 병리학적 리모델링을 조절하는 기계론적 통찰력에 대한 더 나은 이해를 위해서는 추가 연구가 필요합니다.

허혈성 및 쇠약해진 심장의 폴리올 경로

AR은 HNE 및 반응성 알데히드와 같은 지질 과산화 생성물의 독성 효과로부터 심장과 동맥을 보호하는 항산화 효소 역할을 합니다. 61, 69, 76 특히, 산화질소의 생성과 단백질 키나아제 C의 활성화는 허혈성 전처리의 후기 단계에서 AR의 작용에 필요하며, 이는 결과적으로 지질 과산화 산물로 인한 손상을 감소시킵니다. 70 개의 심장 마비에서 AR 발현 및 활동의 감소는 비정상적인 지질 과산화 유도 알데히드 대사를 초래하고 반응성 알데히드의 과도한 축적에 기여하여 만성 산화 스트레스를 증폭시킬 수 있습니다. 77

많은 연구 결과가 허혈 중 폴리올 경로의 유익한 효과를 뒷받침하지만 일부 연구에서는 당뇨병에서 심혈관 합병증의 취약성에 기여하는 것으로 나타났습니다. 78, 79, 80, 81, 82 허혈, 29, 83, 84, 85, 86 , 87, 88 및 노화. 89 AR 활성화는 허혈성 심장에서 관찰되었으며, 이는 I/R 후 심장 손상을 악화시키고 노화된 마우스에서 심장 기능 장애를 일으킬 수 있습니다. 29 여기서 AR은 포도당을 과당으로 전환하고 FA 활용을 감소시킬 수 있습니다. 29 또한 AR은 산화 스트레스(말론디알데히드 함량 증가 및 미토콘드리아 항산화 망간 슈퍼옥사이드 디스뮤타제 활성 감소)를 유도하여 미토콘드리아 막 기능 손상으로 I/R 손상을 악화시킬 수 있습니다. 87

또한, AR의 억제는 당뇨병 79, 80, 82 및 허혈 마우스에서 심장 보호를 보여줍니다. 83 , 84 , 85 , 86 , 87 , 88 , 90 항허혈 효과는 심장 에너지 대사 및 수축 기능 개선 83 , 90 , 86 , 88 산화 스트레스 억제 , 84 , 85 , 88 , 90 미토콘드 보존 , 90 기능. 87 실제로, 폴리올 경로 억제는 해당과정의 더 높은 속도와 더 두드러진 ATP 생성과 관련이 있습니다. 92 증가된 해당과정과 AR 억제에 의한 산화 스트레스의 감소는 소르비톨 탈수소효소를 통한 NAD + 사용의 약화에 의해 NADH/NAD +의 감소를 유발하는 것으로 제안되었으며, 따라서 NAD +는 해당과정에서 글리세르알데히드 3-인산 탈수소효소에 대해 보존됩니다. 84, 93 AR 억제의 항산화 효과에 대한 추가 증거는 글루타티온 환원효소 경로에 연료를 공급하기 위해 NADPH를 비축할 수 있다는 것입니다. AR의 억제는 지질 과산화의 부산물인 활성 산소종(ROS), malondialdehyde, 91 및 thiobarbituric acid 반응성 물질의 감소와 함께 I/R 손상을 완화합니다. 85 게다가, AR 억제제는 I/R 동안 Na + 및 Ca 2+의 상승을 약화시킬 수 있습니다. 이 효과는 부분적으로 AR 억제제에 의한 Na + /K + ATPase 및 Na + /Ca 2+ 교환기의 활성화로 인한 나트륨 및 칼슘 유출의 유도로 설명되었습니다. 94 또한, AR의 억제는 티로신 니트로화를 약화시키고 이 펌프의 S-글루타티오닐화를 정상화함으로써 Ca 2+ ATPase의 활성을 회복합니다. 88 심장의 이소성 지질 축적은 심혈관 질환의 발병에 기여할 수 있습니다. 95, 96, 97 AR은 코어프레서 복합체 상호작용을 위해 히스톤 데아세틸라제 3과 경쟁하여 심장에서 지질 축적을 촉진하여 분해를 위한 유리 히스톤 데아세틸라제 3을 생성합니다. 이 작용은 peroxisome proliferator-activated receptor γ와 retinoic acid 수용체 경로의 하향 조절을 유도하고 결과적으로 지질 축적을 유도합니다. 98

당뇨병에서 산화 환원 스트레스에 대한 폴리올 경로의 역할이 부상하고 있습니다. 99 NADPH의 감소된 함량은 당뇨병성 폐와 췌장에서 발견되었습니다. 101 AR에 의한 NAPDH의 사용은 환원된 글루타티온을 유지하기 위해 글루타티온 환원효소에 대한 NAPDH 가용성을 감소시키고 과산화물 생성을 유도할 수 있습니다. 더욱이, NADH 수준은 해당 분해 감소, 미토콘드리아 기능 손상 및 ROS 생성 증가를 포함하는 만성 고혈당에서 상승합니다. 102 NADH의 이러한 증가는 폴리올 경로와 관련이 있을 수 있습니다. 폴리올 경로의 두 번째 단계인 소르비톨 탈수소효소에 의한 NAD+의 사용은 해당과정을 위한 NAD+의 함량을 감소시키고 NADH를 생성할 수 있습니다. 또한 폴리올 경로에 의해 생성된 과당은 과당 3-인산으로 전환되어 최종 당화 생성물 형성의 전구체인 3-데옥시글루코손을 생성합니다. 따라서 AR은 최종 당화 생성물 생산을 촉진하고 산화 스트레스를 유발할 수 있습니다. 사전 당화 최종 생성물의 과도한 축적은 당뇨병 합병증의 발병기전에 기여합니다. 103 , 104

당뇨병에서 활성화된 폴리올 경로의 삼투압 결과가 잠재적인 병리학적 메커니즘 중 하나라는 점은 언급할 가치가 있습니다. 소르비톨의 축적은 당뇨병성 백내장, 감소된 Na + /K + ATPase 활성, 증가된 산화 스트레스, 106 및 ATP 결핍의 발병과 관련된 고삼투압 스트레스를 유발합니다. 107 배양된 쥐 심근세포에서 AR은 글루타티온 함량의 고갈뿐만 아니라 고삼투압 스트레스 유발 세포자살에도 기여합니다. 65 종합하면, 심장에서 폴리올 경로 또는 AR의 역할은 병리학적 심장 질환의 맥락에 따라 달라질 수 있습니다. 폴리올 경로가 다양한 병리학 적 맥락에서 심장 손상을 방어하거나 악화시키는 신호를 감지하는 방법을 이해하기 위해 더 많은 작업이 남아 있습니다.

오탄당 인산염 경로

PPP에는 산화 및 비산화의 두 가지가 있습니다. 산화성 PPP는 NAPDH와 ribulose 5-phosphate를 생성합니다(그림 4). 반면에, 비산화 분지는 리불로스 5-인산을 뉴클레오티드 생합성 또는 해당 경로의 중간체 생성을 위해 5-탄소당으로 대사합니다(즉, 글리세르알데히드 3-인산 및 과당 6-인산). 비산화 반응은 가역적이며 해당 반응 중간체로부터 리불로스 5-포스페이트를 재생성할 수 있습니다. 산화성 PPP는 감소된 글루타티온 수준을 유지하는 세포질 NADPH의 중요한 공급원입니다. 30 또한, NAPDH는 NADPH oxidase와 nitric oxide synthase의 활성화를 통해 세포질 ROS의 생성에 기여합니다. 따라서 PPP는 산화환원 균형 조절에 이중 역할을 할 수 있습니다. 6

그림 4. 심장의 오탄당 인산 경로. 오탄당 인산 경로(PPP)의 산화 단계는 주로 동화 작용에 사용되는 NADPH와 리불로스 5-포스페이트(리불로스 5-P)를 생성합니다. PPP의 비산화 단계는 일련의 가역적 반응으로 5탄당의 상호 전환을 자극합니다. PPP의 급성 활성화는 산화 스트레스에 대한 심장 보호를 제공하는 반면, PPP의 지속적인 상향 조절은 산화 손상을 악화시키고 심근병증에 기여할 수 있습니다. 6 GPD는 6-phosphogluconate dehydrogenase fructose 6-P, fructose 6-phosphate G6 PD , glucose 6-phosphate dehydrogenase GLUT , 포도당 수송체 glyceraldehyde 3-P, glyceraldehyde 3-phosphate HK , hexokinase ribose 5-P, xylulose 5-phosphate를 나타냅니다. 5-P, 자일룰로스 5-포스페이트.

비대심장에서의 PPP

세포질 산화환원 항상성의 유지에 있어서 PPP의 역할은 PPP의 속도 제한 효소인 G6PD(glucose 6-phosphate dehydrogenase)에 대한 연구에서 보고되었습니다. 세포 산화 스트레스에 대한 반응으로 G6PD 활성은 세포질에서 세포 표면 막으로의 상응하는 전위와 함께 빠르게 증가합니다. 30 시험관 내 및 생체 내 수준 모두에서 G6PD는 자유 라디칼 손상에 대한 심장 보호 효과를 나타내는 반면 G6PD의 고갈은 심장 수축에 역경을 야기합니다. 30 또한, G6PD 결핍 마우스는 진행성 병리학적 구조 모델링을 나타내고 9개월령에 중등도 비대가 발생합니다. 30 이러한 동물의 심장 산화 스트레스는 MI 또는 압력 과부하에 대한 반응으로 증가합니다. 31 헥소키나아제에 의한 포도당 인산화는 포도당 이용을 시작하는 첫 번째 단계입니다. hexokinase 2의 과발현은 쥐에서 페닐에프린에 의해 유발된 비대성 심근세포와 이소프로테레놀에 의해 유발된 심장 비대 모두에서 항비대 효과를 나타냅니다. 33 중요하게, hexokinase 2의 유익한 효과는 증가된 G6PD 활성과 연관되어 PPP를 통한 향상된 포도당 이용과 약화된 ROS 축적으로 이어집니다. 33 종합하면, 다양한 병리학적 조건에서 G6PD의 증가는 심장 근육 세포를 손상으로부터 보호하는 방어 메커니즘으로 작용할 수 있습니다.

허혈성 및 쇠약해진 심장의 PPP

산화 PPP의 해로운 영향은 심장 I/R에서 발견되었습니다. 108 급성 I/R 동안 산화성 PPP 유래 NAPDH는 대부분 NAPDH oxidase와 nitric oxide synthase에 의해 대사된다. 산화성 PPP와 NAPDH oxidase/nitric oxide synthase의 억제는 I/R에 의한 크레아티닌 키나아제 방출(심장 손상의 지표)에 대해 심장을 보호합니다. 또한, G6PD 발현 및 활성의 증가가 인간 및 개 심부전 모두에서 관찰되었습니다. 109, 110 중요하게도, PPP 유래 NAPDH도 상승하고 쇠약해진 심장에서 과산화물 생성을 촉진합니다. 종합적으로, 이러한 관찰은 아마도 쇠약해진 심장에서 산화성 PPP를 통해 NAPDH의 가용성 증가가 항산화 역할과 비교하여 과산화물 생성을 자극하는 데 더 지배적인 영향을 미칠 수 있음을 강력하게 시사합니다. 심각한 심부전 상태에서는 해당 경로가 억제됩니다. 111, 112 심근 세포에 들어가는 포도당의 더 많은 부분이 PPP의 상향 조절을 유발할 수 있습니다. 흥미롭게도 식후 혈당 상승은 쇠약해진 심장에서 ROS 생성을 빠르게 증가시키지만 정상 심장에서는 영향을 미치지 않습니다. 이 반복되는 생리학적 효과는 쇠약해진 심장에 더 많은 산화 스트레스를 가할 가능성이 있습니다. 113 실제로, 급성 고혈당 중 산화 PPP의 억제는 심장 포도당 산화, 산소 소비 및 심장 활동을 향상시키고 쇠약해진 심장의 산화 스트레스를 예방합니다. 113 그러나 이 억제는 산화성 PPP의 완전한 억제가 고립된 성인 심근세포에서 관찰된 바와 같이 역효과를 일으킬 수 있다는 점을 감안할 때 부분적일 수 있습니다. 30 부분적 억제는 유해하고 과도한 수준의 NAPDH를 둔화시키면서 항산화 시스템에 대한 환원 글루타티온의 적절한 균형을 유지하기에 충분합니다. 그러나 심부전 발병의 초기 단계에서 산화성 PPP를 지속적으로 억제하는 것이 산화성 스트레스를 완화하고 질병 진행을 억제하는지 여부는 분명하지 않습니다. 심장 리모델링이 시작될 때 PPP는 산화 환원 항상성을 유지하여 심장 스트레스를 수용하는 적응 반응으로 작용하는 것으로 보입니다. 32 그러나 지속적인 스트레스 하에서 PPP는 심부전의 발병에 기여할 수 있습니다. PPP 작용을 매개하는 세포내 경로는 완전히 특성화되어야 합니다.

적절한 세포 내 산화 환원 상태를 유지하는 PPP의 중요한 역할은 심장 전구 세포(CPC)에서도 밝혀졌습니다. 114 PPP의 주요 효소(G6PD 및 트랜스케톨라제)의 활성은 당뇨병 마우스의 CPC에서 감소되어 포도당 대사 중간체의 축적과 세포자멸사를 유발합니다. 중요하게도, 당뇨병 마우스에서 벤포티아민 치료에 의한 PPP의 상향 조절은 G6PD 및 트랜스케톨라제 활성을 회복시키고, ROS를 감소시키고, 최종 당화 생성물 축적을 촉진하고, 세포 사멸로부터 CPC를 방지합니다. 결과적으로, 당뇨병 마우스에서 심근병증 및 허혈성 심부전의 발병이 약화됩니다. 114 심부전의 진행에서 PPP의 유익한 효과는 Dahl 염에 민감한 쥐에서도 나타났습니다. 115 실제로 dichloroacetate 치료는 좌심실 비대 및 심부전 예방에 관여하는 PPP를 유도한다.

기계적인 수준에서 CPC에서 PPP의 감소는 해당과정 및 글리세로지질 생합성의 상향 조절에 기인할 수 있습니다. 116 Salabei et al은 6-phosphofructo-2-kinase/fructose 2,6-P2 bisphosphatase 3, isoform of PFK2가 당뇨병 CPC에서 유의하게 증가하여 글리세로지질 생산을 위한 해당과정의 3탄소 중간체의 사용을 촉진할 수 있음을 보여줍니다. 결과적으로 PPP에 사용되는 포도당을 억제합니다.이 대사 불균형은 미토콘드리아 기능과 CPC 증식의 손상으로 이어질 수 있습니다. 일치하게, 포도당 117 또는 PFK2 돌연변이 발현 심근세포 118로 관류된 생체 외 설치류 심장의 대사 산물 프로필은 PFK가 해당 과정과 PPP, HBP, 글리세로지질 생합성 및 폴리올 경로를 포함한 기타 보조 포도당 대사 경로를 조정적으로 조절한다는 것을 보여줍니다. PFK의 활성화는 보조 포도당 대사 경로에 대한 해당 과정의 중간체를 직접적으로 제한하고 미토콘드리아의 강압 활성을 간접적으로 조절함으로써 포도당 플럭스의 불균형한 분포를 유발합니다. 118

이러한 라인을 따라 PPP의 감소는 또한 당뇨병 상태에서 태아 심근세포의 증식을 제한할 수 있습니다. Ribulose 5-phosphate는 포도당 생산, 해당과정, pyrimidine nucleotide 합성, purine nucleotide 합성 및 ATP 생성에 사용될 수 있는 PPP 경로의 중요한 중간체입니다. 최근에는 심근세포의 성숙이 세포주기 차단이 아닌 뉴클레오티드 결핍에 의해 유도된다는 사실이 밝혀졌습니다. 120 중요하게, PPP에 의한 뉴클레오티드 생합성의 역할은 포도당의 promitotic 효과의 주요 결정 요인으로 표시됩니다. 이러한 발견은 높은 혈당 수치가 태아 심근세포 증식을 억제할 수 있는 임신성 당뇨병의 선천성 심장 질환에 대한 특정 기계론적 설명을 제공할 수 있습니다. 따라서 CPC 및 심근세포의 증식을 제어하기 위해 PPP를 표적으로 하는 것은 심장 재생 및 당뇨병 관련 심장 질환 치료를 위한 유망한 접근 방식을 나타낼 수 있습니다.

헥소사민 생합성 경로

기준선에서 포도당의 2~5%는 지방세포와 골격근에서 발견되는 HBP에 의해 대사됩니다. 121, 122, 123 이 기여는 스트레스 조건에서 훨씬 더 클 수 있습니다. 124 HBP는 영양 공급(포도당 및 글루코사민)과 속도 제한 효소인 글루타민:과당 6-인산 아미도트랜스퍼라제(GFAT 그림 5)에 의해 조절됩니다. GFAT는 과당 6-인산을 글루코사민 6-인산으로 전환하고 최종 생성물인 우리딘 이인산 N-아세틸글루코사민(UDP-GlcNAc)을 생성합니다. UDP-GlcNAc는 프로테오글리칸, 히알루로난, 당지질, 글리코실포스파티딜이노시톨 앵커 및 N-글리칸의 합성을 위한 기질 역할을 합니다. 또한 UDP-GlcNAc는 O-연결된 β-N-아세틸글루코사민(O-GlcNAc)의 탁월한 번역 후 변형인 O-GlcNAclation에 사용됩니다. 125, 126, 127, 128 O-GlcNAcylation의 2가지 핵심 효소는 O-GlcNAc transferase(OGT)와 O-GlcNAcase로 UDP-GlcNAc에서 기증된 GlcNAc 부분을 Ser/에서 표적 단백질에 추가하고 제거합니다. Thr 아미노산 잔기 각각. 이 역동적인 과정은 다양한 심장 질환의 병태생리에 연루되어 있는 세포 스트레스 요인, 세포 주기 변화 및 영양소 수준을 감지하는 데 중요한 역할을 합니다. 129, 130, 131

그림 5. 심장의 헥소사민 생합성 경로(HBP). HBP의 속도 제한 효소인 GFAT는 과당 6-P와 글루타민을 글루코사민 6-인산으로 전환시켜 최종 생성물인 UDP -Glc NA c를 생성하는 데 사용됩니다. UDP ‐Glc NA c는 글리칸 합성, 글리세로지질 생산 등을 포함한 다양한 생합성 경로의 기질입니다. UDP ‐Glc NA c는 또한 O-Glc NA c 전이효소( OGT)에 의한 Ser/Thr 부위의 현저한 번역 후 단백질 변형에도 사용됩니다. ), 이것은 O-Glc NA의 제거를 촉매하는 O-Glc NA 케이스(OGA)에 의해 상쇄됩니다. c. GFAT는 글루타민:과당 6-인산 아미도트랜스퍼라제 GLUT, 포도당 수송체 HK, 헥소키나제 UDP -Glc NA c, 우리딘 이인산 N-아세틸글루코사민을 나타냅니다.

비대심장에서 HBP와 O-GlcNAcylation

이전 연구에서는 심장 비대가 발달하는 동안 HBP와 O-GlcNAcylation이 활성화되는 것으로 나타났습니다. 실제로, 압력 과부하는 GFAT2 및 OGT의 mRNA 발현을 유도하고 심장 UDP-GlcNAc 수준을 증가시킵니다. 132, 133 이에 상응하여 심장 단백질에 대한 O-GlcNAc 번역 후 변형이 증가합니다. 133, 134, 135, 136 또한, 고혈압 쥐와 대동맥 협착증 환자의 심장에서 O-GlcNAcylation의 증가가 밝혀졌습니다. 133 유사하게, 비대 자극(페닐에프린, 안지오텐신 II)으로 처리된 심근세포는 O-GlcNAc 수준의 증가를 나타내는 반면, HBP 억제는 O-GlcNAc 수준의 감소를 유발하고 비대 예방 효과를 상쇄한다. 135, 137 이러한 결과는 O-GlcNAcylation이 병적 심장 비대에서 중요한 역할을 하고 O-GlcNAcylation의 억제가 비대 진행을 둔화시킨다는 것을 시사합니다. 그러나 O-GlcNAc 수치의 장기적인 감소는 해롭고 심근병증을 유발합니다. 34 , 36

또한, 당뇨병은 심장 비대 및 O-GlcNAcylation의 상승과 관련이 있습니다. 137 , 138 , 139 , 140 O-GlcNAcylation의 증가는 다음에서 손상된 심장 비대를 동반합니다. DB/DB B-세포 림프종 2(Bcl-2)의 증가와 함께 당뇨병성 심장은 심근세포 사멸을 유도하여 심부전으로의 진행을 가속화합니다. 137 스트렙토조토신에 의해 유도된 당뇨병 쥐의 고포도당 처리 심근세포와 비대심근 모두에서, O-GlcNAc 수치, 세포외 신호 조절 키나아제 1 및 2(ERK1/2) 활성, 그러나 p38 mitogen-activated protein kinase 또는 c는 그렇지 않음 ‐Jun N-terminal kinase(JNK) 활성 및 cyclin D2 발현이 상향 조절됩니다. 139 따라서, O-GlcNAcylation의 억제는 ERK1/2의 활성화, 비대 성장 및 cyclin D2 발현을 차단합니다. 139 ERK1/2는 보상성 심장 비대를 촉진하는 반면, p38과 JNK는 심근병증의 발병에 관여합니다. 141 이러한 맥락에서 O-GlcNAcylation은 적응형 심장 비대 성장에 기여할 수 있습니다.

심장 비대에서 O-GlcNAcylation의 역할은 복잡하며 비대 성장의 유형에 따라 다릅니다. 33 칼시뉴린-NFAT(활성화된 T 세포의 핵 인자) 신호가 압력 과부하에 대한 반응으로 심장 비대를 지배한다는 것은 잘 알려져 있습니다. 142 NFAT에 대한 O-GlcNAc 변형은 세포질에서 핵으로의 전위에 필요하며, 여기서 NFAT는 다양한 비대 유전자의 전사를 자극합니다. 즉, O-GlcNAc는 NFAT 활성화를 통해 심장 비대에 기여할 수 있습니다. 143 일관되게, O-GlcNAcylation의 억제는 NFAT로 인한 심장 비대 성장을 약화시킵니다. 보다 최근에는 AMP 활성화 단백질 키나제의 항비대 작용이 O-GlcNAcylation의 감소와 확고하게 연관되어 있습니다. 144 중요하게는, troponin T의 O-GlcNAcylation은 심장 비대증 성장에서 AMP-activated protein kinase의 하류 표적 중 하나입니다. 144 심장 myosin 중쇄, α-sarcomeric actin, myosin light chain 1 및 2, troponin I을 포함하여 심장 myofilament에서 몇 가지 추가 O-GlcNAcylated 단백질이 있습니다. 이러한 주요 수축성 단백질은 인산화 또는 비인산화 부위에서 O-GlcNAcylated입니다. 예를 들어, 미오신 경쇄 1은 Thr 93/Thr 164에서 O-GlcNAcylated되며, 이는 Thr 69 및 Ser 200의 인산화 부위와 다릅니다. 145, 146 그러나 심장 트로포닌 I 및 미오신 경쇄 2의 O-GlcNAc 잔기는 인산화 부위 Ser 150과 Ser 15에 각각 있다. 145 기능적 수준에서 주요 수축성 단백질의 O-GlcNAcylation은 단백질-단백질 상호작용을 억제하여 칼슘 감수성을 감소시켜 수축성 기능을 조절할 수 있습니다. 147

생리학적 맥락에서 수영 훈련을 받은 쥐의 심장에서 HBP와 O-GlcNAcylation의 감소가 나타났습니다. 148 또한, 트레드밀을 달리는 마우스에서 세포질 O-GlcNAcylated 단백질은 운동 15분 후에 감소한 반면 30분 후에는 O-GlcNAcylation의 변화가 없습니다. 149 기계적으로, 이러한 급성 반응은 OGT에서 O-GlcNAc 그룹의 제거로 이어져 억제 요소 1-침묵 전사 인자 염색질 억제에서 OGT와 히스톤 데아세틸라제가 해리되고 생리적 비대 성장을 유발합니다. 149 흥미롭게도 수영 훈련은 O-GlcNAcase 발현과 활성을 증가시켜 스트렙토조토신으로 유도된 당뇨병 마우스의 심장에서 상승된 O-GlcNAcylation을 정상화하지만 OGT에는 변화가 없습니다. 150 종합적으로, 이러한 발견은 생리적 심장 비대 성장에서 O-GlcNAcylation의 역할을 강조합니다.

허혈성 및 부전 심장에서 HBP 및 O-GlcNAcylation

다양한 세포 스트레스에 반응하여 HBP와 O-GlcNAcylation이 급격히 증가합니다. 151 , 152 , 153 이전 연구에서는 O-GlcNAcylation 상승이 I/R에서 강력한 심장 보호를 제공하는 것으로 나타났습니다. 75, 154, 155, 156, 157, 158, 159 이것은 부분적으로 O-GlcNAcylated 전압 의존성 음이온 채널을 증가시키고 미토콘드리아 투과성 전이 기공 개방에 대한 민감성을 감소시켜 산화 스트레스에 대한 미토콘드리아 내성을 증가시킴으로써 설명됩니다. 154, 160 또한, 글루코사민에 의한 HBP 및 O-GlcNAcylation의 유도는 미토콘드리아 막 전위의 회복 및 심장 보호와 관련된 미토콘드리아 Bcl-2 전위를 촉진합니다. 155, 157 더욱이, 증가된 O-GlcNAcylation의 보호는 칼슘 유발 스트레스 반응의 고갈에 기인한다고 제안되었습니다. 158, 159 최근에 쥐의 경색으로 인한 심부전에서 OGA의 감소와 함께 상승된 O-GlcNAcylation 및 OGT 발현이 보고되었습니다. 35 OGT의 심근세포 특이적 결실은 O-GlcNAcylation의 상당한 감소를 유발하여 MI 후 심부전을 유발하고 심부전 발병 동안 심장 보상 잠재력을 손상시킵니다. 35 함께, 증가하는 증거는 O-GlcNAcylation의 급격한 증가가 다양한 스트레스 요인에 대해 심장에서 유익하다는 것을 시사합니다.

대사 및 스트레스 센서로서 O-GlcNAcylation은 심장 질환을 포함한 여러 만성 질환 상태에서 변경됩니다. 140, 153, 162 O-GlcNAcylation의 유도는 고혈압 심장, 133, 163 당뇨병 심장, 164, 165 만성 비대 심장 및 쇠약 심장에서 관찰되었습니다. 133 연구에 따르면 이러한 증가는 수축 및 미토콘드리아 기능 장애에 기여할 수 있습니다. 162 일관되게, O-GlcNAcase의 과발현에 의한 O-GlcNAcylation의 억제는 심장 O-GlcNAcylation 수준을 정상화하고 당뇨병성 심장에서 칼슘 처리 및 심장 수축성을 개선합니다. 166 따라서 O-GlcNAcylation의 급격한 증가는 심장을 손상으로부터 보호하기 위한 적응 반응인 반면, 지속적이고 지속적인 활성화는 부적응적이며 심장 기능 장애에 기여한다고 추측됩니다.

새로운 증거는 HBP의 상류 규제 기관에 빛을 비추고 있습니다. 우리는 GFAT1이 UPR(Unfolded protein response)의 핵심 전사 인자인 X-box binding protein 1(XBP1s)의 직접적인 표적임을 보여주었습니다. 124 일관되게 심근세포에서 XBP1의 과발현은 HBP 활성을 촉진하여 UDP-GlcNAc 수준과 O-GlcNAclation을 상승시킵니다. 특히, I/R은 재관류 손상으로부터 심장을 보호하기 위해 UPR을 HBP에 연결하는 XBP1을 활성화합니다. 124 더 최근에, 전사 인자 4(ATF4)를 활성화하는 또 다른 UPR 이펙터가 GFAT1 발현의 직접적인 조절자로 입증되었습니다. 167 아미노산이나 포도당의 결핍은 일반적인 조절 비억제성 2/진핵 개시 인자 2 알파/ATF4 경로를 활성화하고 GFAT1과 O-GlcNAcylation을 증가시킵니다. 167 종합하면, HBP와 세포 O-GlcNAcylation은 UPR이 세포 내 또는 세포 외 신호에 대한 반응으로 세포의 변동을 수용하는 완충 메커니즘 역할을 할 수 있습니다.

기타 포도당 대사 경로

글리세로지질 합성 경로

해당과정의 중간체인 과당 1,6-이인산은 글리세르알데히드 3-인산과 디히드록시아세톤인산으로 전환될 수 있습니다. Dihydroxyacetone phosphate는 glycerol 3-P dehydrogenase에 의해 glycerol 3-phosphate(glycerol 3-P)로 환원될 수 있습니다. 글리세롤 3-P는 해당과정을 통해 포도당뿐만 아니라 GLP(글리세롤지질 합성경로)의 첫 단계인 글리세롤 3-P 아실트랜스퍼라제에 의한 아실화의 기질 역할을 하는 글리세롤 키나제의 작용을 통해 글리세롤을 유도합니다.

심근병증에서 GLP의 역할에 대해서는 알려진 바가 거의 없지만, GLP의 2가지 중요한 효소인 glycerol 3-P dehydrogenase와 glycerol 3-P acyltransferase의 활성이 비대해진 심장에서 증가합니다. 37 연구에 따르면 GLP는 적어도 부분적으로는 저산소증 유발 인자 1 알파(HIF-1α) 37, 38 및 PFK에 의한 해당 과정의 조절과 관련이 있습니다. 116 새로운 증거는 HIF1α와 퍼옥시좀 증식자 활성화 수용체 γ가 병적 심장 비대에서 상승한다는 것을 나타냅니다. 흥미롭게도, 비대에 의한 peroxisome proliferator-activated receptor γ 발현의 유도는 HIF1α 의존적이며, 이는 후속적으로 glycerol 3-P acyltransferase를 유도합니다. 따라서, 비대 활성화된 HIF1α는 해당과정과 GLP의 동시 조절에 의해 지질 합성을 촉발합니다. 기능 수준에서 HIF1α 매개 심장 지질 축적은 HIF1α/과산화소체 증식자 활성화 수용체 γ/옥타머 1/성장 정지 및 DNA 손상 유도성 α축을 통해 세포 사멸을 유도합니다. 따라서 HIF1α의 억제는 비대 유발 심장 기능 장애로부터 심장을 보호합니다. 이러한 심장 보호는 적어도 부분적으로 cAMP 반응 요소 결합 단백질 활성 및 sarco/ER Ca 2+ ‐ATPase 2A 발현의 증가에 기인할 수 있습니다. 37 또한, 당뇨병 CPC에서 PFK의 활성화는 해당과정을 유도하고 해당과정의 3-탄소 중간체를 GLP로 전환하는 것을 촉진합니다. 결과적으로 GLP는 CPC에서 지방 생성 프로그램을 시작하고 지질 축적에 기여할 수 있습니다. 116 심근세포에서 낮은 해당 활성은 glycerol 3-P dehydrogenase 1-committed 단계에서 glycerophospholipid 합성을 감소시킬 수 있습니다. 대조적으로, 높은 해당 활성은 포스파티딜에탄올아민 합성을 촉진하는 동시에 포스파티딜이노시톨과 트리아실글리세롤의 FA 사슬로의 포도당 유래 탄소 결합을 약화시킬 수 있습니다. 118 종합하면, 이러한 발견은 스트레스 유발 병리학적 비대에 대한 반응으로 해당과정과 GLP의 조화된 조절이 있음을 시사합니다. 병리학적 심장 리모델링과 GLP의 직접적인 연결을 해부하기 위해서는 추가 작업이 필요합니다.

세린 생합성 경로

세린 생합성은 glyceraldehyde 3-P를 사용하여 phosphoglycerate dehydrogenase, phosphoserine aminotransferase 1 및 phosphoserine phosphatase에 의해 3단계로 세린을 생성하는 또 다른 보조 포도당 대사 경로입니다. 세린은 글루타티온, 퓨린 및 포르피린의 생합성 전구체인 아미노산 글리신 및 시스테인을 합성하는 데 사용할 수 있습니다. 세린은 또한 스핑고지질과 인지질의 성분을 구성할 수 있습니다. 또한, 세린은 퓨린, 티미딘, 메티오닌 및 5-아데노실메티오닌 합성을 위한 1탄소 대사 경로에 1탄소 단위를 제공합니다. 168 세린은 다양하게 중요한 분자의 합성에 필요하기 때문에 세포 기능, 성장 및 생존의 중심 대사 조절자로 제안됩니다. 169, 170 암에서 세린 생합성의 역할에 대한 광범위한 연구가 있지만 168, 171, 172 심장 질환에서의 중요성은 잘 이해되지 않고 있습니다. 최근에는 calcineurin isoform인 CnAβ1에 의해 유도된 세린의 활성화와 1-탄소 대사 경로가 과부하 상태에서 심장을 보호하는 효과를 보여주고 있다. 173 이 경로의 유도는 ATP 합성을 증가시키고 글루타티온 수치를 감소시키며 심장 수축을 개선하고 산화 손상에 대한 심장 보호를 유도합니다. 심장 생리학 및 병태 생리학에서 세린 생합성의 역할을 설명하기 위한 추가 작업이 필요합니다.

글리코겐 대사 경로

포도당은 글리코겐 합성 경로를 통해 저장하기 위해 포도당의 다분지 중합체인 글리코겐으로 전환될 수 있습니다. 심장 글리코겐은 정상 심장뿐만 아니라 정상 호기성 관류 174, 175 또는 저유량 허혈 상태에서 비대해진 심장에서도 높은 에너지 요구량을 지원하는 중요한 포도당 공급원 역할을 합니다. 176 , 177 비대심장에서 글리코겐 유래 포도당을 이용한 해당작용은 정상 심장에 비해 변화가 없으나 외인성 포도당의 해당작용은 증가한다. 175 또한 심근 글리코겐 회전율은 정상 심장과 비대 심장 모두에서 발생합니다. 경증/중등도의 저유량 허혈 동안, 당분해 속도와 포도당 산화 속도는 정상 심장과 비교하여 비대 심장에서 다르지 않습니다. 176 정상 호기성 혈류 또는 경증/중등도 저유량 허혈 동안 비대된 심장에서 글리코겐 대사의 기여는 정상 심장의 글리코겐 대사와 유사합니다. 그러나 심각한 저유량 허혈 동안에는 글리코겐 회전율의 증가와 함께 비후된 심장에서 외인성 포도당과 글리코겐의 해당 속도가 증가합니다.

허혈성 전처리에서 감소된 글리코겐 분해 및 심장 글리코겐 함량은 해당 작용을 위한 포도당 가용성을 감소시키고, 산 생성을 낮추고, 허혈성 손상으로부터 심장을 보호할 수 있습니다. 178 I/R에서 글리코겐 합성의 증가는 해당과정을 위한 포도당 공급원을 낮추고 산 생성을 감소시키며 Ca 2+ 과부하를 방지합니다. 179 공복 상태의 쥐에서 심장 글리코겐 함량이 증가하여 허혈성 손상으로부터 심장을 보호합니다. 증가된 글리코겐 이용은 칼슘 항상성을 유지하기 위한 ATP의 중요한 공급원으로 작용할 수 있습니다. 반면에, 먹인 쥐는 유사하게 심장 글리코겐 함량의 상승을 나타냅니다. 그러나 순환 인슐린의 증가는 글리코겐 이용을 제한하여 젖산 생산의 증가와 허혈에 의한 심장 손상을 더 두드러지게 합니다. 180 종합하면, 심장 병태생리학에서 글리코겐 항상성의 기본 기반에 대한 이해는 치료적 이득을 위한 지식을 활용하는 데 필수적입니다.

대사 리모델링을 조절하는 약리학적 제제

심장 질환 치료를 위한 잠재적인 대사 표적이 많이 있습니다. 대사 요법의 중심 목표는 기질 사용의 유연성과 심장 산화 대사 능력의 유지이며, 이는 차례로 심근 에너지 효율을 촉진하고 심장 기능을 향상시킬 수 있습니다.181 FAO는 정상 심장에서 에너지 생산에 주요 기여자이지만 FAO는 더 높은 산소 소비로 인해 포도당 산화보다 에너지 효율이 낮습니다. 따라서 FAO를 억제하고 포도당 산화를 유도하여 심장 에너지 대사를 최적화하는 것이 심부전 치료에 대한 잠재적인 접근이 될 수 있습니다. 45 , 182

FA 흡수 억제

Carnitine palmitoyltransferase 1(CPT1)은 FA가 미토콘드리아로 흡수되는 핵심 효소입니다. 카르니틴 팔미토일트랜스퍼라제 1 억제제(예: 에토목시르 및 퍼헥실린)를 사용한 FAO의 직접 조절은 심부전 치료에 유익한 효과를 보여줍니다. Etomoxir는 카르니틴 팔미토일트랜스퍼라제 1을 억제하고 FAO를 억제하고 포도당 산화를 증가시켜 허혈로부터 심장을 보호합니다. 183 etomoxir 치료는 또한 부분적으로 sarcoplasmic reticulum Ca 2+ 수송을 유도함으로써 압력 과부하 184 후 비대 심장의 심근 기능을 향상시키고 보상성 심장 비대에서 비대상성 심장 비대로의 진행을 늦춥니다. 185 etomoxir와 perhexiline은 모두 만성 심부전 환자의 좌심실 박출률 개선에 유익한 효과를 보였다. 186, 187 그러나 심부전에 대한 이러한 약제의 사용은 간독성 부작용 때문에 제한적(퍼헥실린) 또는 중단(에토목시르)입니다.

FA β 산화 억제

Trimetazidine은 증가된 포도당 산화와 함께 FAO의 마지막 효소인 3 ketotacyl-CoA thiolase를 억제하여 FAO의 비율을 억제합니다. 임상적으로 트리메타지딘은 안정형 협심증 치료에서 항협심증제로 사용됩니다. 허혈성 심근병증 또는 특발성 확장성 심근병증 환자의 좌심실 박출률을 개선합니다. 189 특히, 트리메타지딘을 이용한 특발성 확장성 심근병증 치료는 FAO 감소와 인슐린 감수성 증가를 보였다. 또한, trimetazidine에 의한 박출률 개선은 β-blocker와 함께 사용할 때 더 극적이어서 trimetazidine과 β-adrenoceptor antagonism의 부가적인 효과를 시사한다. 189

순환 FA 감소

포도당-인슐린-칼륨(GIK)은 해당과정을 증가시키고 순환하는 유리 FA 수준을 감소시켜 FAO를 감소시킵니다. GIK는 심근경색증 환자에서 경색 크기와 사망률을 감소시키는 유익한 효과를 나타냈습니다. 190, 191, 192, 193, 194 그러나 GIK의 효과가 항상 일정하지는 않습니다. 일부 임상 연구에서는 GIK가 급성 심근경색증 환자의 생존율을 향상시키고 심장 사건을 감소시키지 않았다고 보고했습니다. 195, 196 GIK의 임상적 사용은 완전히 검증되어야 합니다.

포도당 산화 증가

포도당 산화의 활성화는 보다 에너지 효율적인 기질을 제공하는 효과적인 방법이며, 이는 심장 기능 개선에 유익한 효과를 나타낼 수 있습니다. 디클로로아세테이트(DCA)는 피루브산 탈수소효소 복합체를 활성화하여 포도당 산화를 향상시키며, 이는 허혈 또는 압력 과부하 후 심장에서 해당 작용과 포도당 산화 사이의 커플링 개선과 관련이 있습니다. 198 마찬가지로, DCA는 관상 동맥 질환이 있는 환자의 심근 효율성을 촉진합니다. 199 Dahl 염에 민감한 쥐에서 고염식으로 유발된 울혈성 심부전에서 DCA의 유익한 효과는 포도당 흡수, 심장 에너지 비축량, PPP 증가 및 산화 스트레스 감소와 관련이 있습니다. 115 그러나 DCA는 울혈성 심부전 환자에서 보호 효과를 나타내지 않습니다. 200 당뇨병이 있는 쥐의 심장에서 재관류 중 DCA 치료는 포도당 산화를 크게 증가시키지만 DCA는 허혈성 손상으로부터 기능 회복에 영향을 미치지 않습니다. 포도당 산화는 당뇨병 쥐의 심장이 I/R에서 회복하는 능력을 통제하는 핵심 요소가 아닐 수 있습니다. 201

결론 및 미래 전망

많은 연구에서 심부전이 심각한 대사 리모델링과 관련이 있다는 것을 확고히 입증했습니다. 기질 가용성과 ATP 생산을 조절하기 위해 개별 포도당 대사 경로 사이에 여러 층의 누화가 존재합니다. 심장병 발병 시 포도당 대사의 증가는 심장을 손상으로부터 보호하는 적응 메커니즘과 관련이 있습니다. 그러나 만성 활성화는 대상부전 및 심부전 진행으로 이어질 수 있습니다. 대사 리모델링은 영양소 이용뿐만 아니라 이온 및 산화환원 항상성, UPR 및 자가포식을 조절하여 심장 수축 기능에 영향을 미치는 필수적인 역할을 합니다. 작용 및 조절 기전에 대한 더 정확하고 철저한 이해는 심부전을 치료하기 위한 치료적 발견을 위한 새로운 길을 열 수 있습니다.

자금 출처

이 작업은 미국 심장 협회(14SDG18440002, 17IRG33460191), 미국 당뇨병 협회(1-17-IBS-120) 및 NIH(HL137723)(왕에게)의 보조금으로 지원되었습니다.


결론

이러한 연구는 C3-씨12 메타크릴레이트 에스테르(특히 n-BMA)는 촉매로 I족 및 II족 염기성 금속 염을 사용하여 특히 고효율로 MMA를 생성하기 위해 에스테르 교환될 수 있으며 물의 부재는 더 높은 전환 효율을 초래한다. 또한, 고급 에스테르의 생산은 메틸 메타크릴레이트보다 더 빠른 속도로 진행되는 것으로 나타났습니다.

본 명세서에 공개된 모든 특징(첨부된 청구범위, 요약 및 도면 포함) 및/또는 그렇게 공개된 프로세스의 모든 단계는 그러한 특징 및/또는 또는 단계는 상호 배타적입니다.

본 명세서에 개시된 각 특징(첨부된 청구범위, 요약 및 도면 포함)은 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 동일하거나, 동등하거나 유사한 목적을 제공하는 대체 특징으로 대체될 수 있습니다. 따라서, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 개시된 각각의 특징은 동일하거나 유사한 특징의 일반적인 시리즈의 한 예일 뿐입니다.

본 발명은 전술한 실시예의 세부사항으로 제한되지 않는다. 본 발명은 본 명세서에 개시된 특징의 신규 또는 신규 조합(첨부된 청구범위, 요약 및 도면 포함), 또는 신규 또는 신규 조합, 개시된 프로세스 단계의 신규 조합으로 확장됩니다. .

또한, 첨부된 특허청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 전술한 방법에 대한 수많은 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.


비디오 보기: NADH Shuttles. CAC u0026 ETC 04. Biochemistry. PP Notes. Lehninger 6E (팔월 2022).