낭비 회로 문서 원본 보기

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'''낭비 회로'''(浪費回路, {{llang|en|futile cycle}}) 또는 '''기질 회로'''(基質回路, {{llang|en|substrate cycle}})는 두 가지 [[대사 경로]]가 동시에 반대 방향으로 진행되고, 에너지가 [[열]]로 [[산일|방출]]되는 것 외에 생물학적으로 의미있는 효과를 일으키지 않는다.<ref>{{저널 인용|vauthors=Schwender J, Ohlrogge J, Shachar-Hill Y |title=Understanding flux in plant metabolic networks |journal=Curr Opin Plant Biol |volume=7 |issue=3 |pages=309–17 |year=2004 |pmid=15134752 |doi=10.1016/j.pbi.2004.03.016}}</ref> 이러한 회로가 "낭비 회로"라고 불리는 이유는 [[생물체]]에게 아무런 이득이 없이 작동하는 것처럼 보이기 때문이다. 이처럼 [[물질대사]]에 있어서 기이한 특징으로 생각되어 낭비 회로라고 불렸다. 추가적인 연구 결과, 낭비 회로가 [[대사 산물]]의 농도를 조절하는 데 매우 중요하다는 것이 밝혀졌다.<ref>{{서적 인용|title=Biochemistry|last=H.|first=Garrett, Reginald|publisher=|others=Grisham, Charles M.|isbn=9781305577206|edition= Sixth|location=Boston, MA|pages=767|oclc=914290655|date = 2016-02-11}}</ref> 예를 들어, [[해당과정]]과 [[포도당신생합성]]이 동시에 활성화되면 해당과정에 의해 [[포도당]]은 [[피루브산]]으로 전환된 다음, 포도당신생합성에 의해 포도당으로 다시 전환되고, 이 과정에서 [[아데노신 삼인산|ATP]]의 소비가 일어난다.<ref>{{저널 인용|vauthors=Boiteux A, Hess B |title=Design of glycolysis |journal=Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci |volume=293 |issue=1063 |pages=5–22 |year=1981 |pmid=6115423 |doi=10.1098/rstb.1981.0056|bibcode=1981RSPTB.293....5B |doi-access=free }}</ref> 낭비 회로는 대사 조절 역할을 할 수 있는데, 낭비 회로는 두 상태 사이에서 진동하는 시스템이며, 관련된 [[효소]]의 활성의 작은 변화에도 매우 민감하다.<ref>{{저널 인용|vauthors=Samoilov M, Plyasunov S, Arkin A |title=Stochastic amplification and signaling in enzymatic futile cycles through noise-induced bistability with oscillations |journal=Proc Natl Acad Sci USA |volume=102 |issue=7 |pages=2310–5 |year=2005 |pmid=15701703 |doi=10.1073/pnas.0406841102 |pmc=548975|bibcode=2005PNAS..102.2310S }}</ref> 낭비 회로는 열을 발생시키는 데, 예를 들어 어린 [[포유류]]의 [[갈색 지방 조직]]에서처럼 열 [[항상성]] 유지에 사용되거나 [[곤충]]의 비행 근육 및 동면 동물에서 열을 빠르게 발생시키는 데 사용될 수 있다. 포도당 대사에서의 낭비 회로는 무익한 주기가 아니라 조절 과정이라고 보고되고 있다. 예를 들어, 갑자기 에너지가 필요할 때 [[아데노신 삼인산|ATP]]는 훨씬 더 반응성이 높은 아데닌인 [[아데노신 일인산|AMP]]로 대체된다.

== 예 ==
낭비 회로의 예로 다음과 같은 [[화학 반응식]]으로 표현할 수 있는 [[해당과정]]과 [[포도당신생합성]]이 동시에 일어나는 경우가 있다.

: <math>\mathrm{ATP + H_2 O {\rightleftharpoons} ADP + P_i} + H</math>

예를 들어 해당과정 동안 [[과당 6-인산]]은 [[포스포프럭토키네이스-1]](PFK-1)에 의해 [[과당 1,6-이중인산]]으로 전환된다.

: ATP + 과당 6-인산 <big>→</big> 과당 1,6-이중인산 + ADP

그러나 포도당신생합성(즉, [[피루브산]] 및 기타 화합물로부터 [[포도당]]을 합성) 동안 과당 1,6-이중인산은 [[과당 1,6-이중인산가수분해효소]](FBPase-1)에 의해 과당 6-인산으로 전환되는 해당과정의 역반응이 일어난다.

: 과당 1,6-이중인산 + H<sub>2</sub>O <big>→</big> 과당 6-인산 + P<sub>i</sub>

전체 반응식은 다음과 같다.

: ATP + H<sub>2</sub>O <big>→</big> ADP + P<sub>i</sub> + 열

즉, 유용한 생물학적 일이 수행됨이 없이 [[아데노신 삼인산|ATP]]의 [[가수분해]]만 일어난다. 분명히 이 두 반응이 동일한 세포에서 빠른 속도로 동시에 일어나면 많은 양의 [[화학 에너지]]가 [[열]]로 소산된다. 따라서 이러한 비경제적인 과정을 낭비 회로라고 한다.<ref>Nelson, D. L., Lehninger, A. L., & Cox, M. M. (2008). Lehninger principles of biochemistry (5th ed., pp. 582-583). New York: W.H. Freeman.</ref>

== 비만 및 항상성에서 낭비 회로의 역할  ==
[[비만]]을 효과적으로 치료할 수 있는 약물은 많지 않다. 비만은 [[당뇨병]], [[고혈압]], [[심혈관계 질환]] 및 특정 유형의 [[암]]과 같은 건강 문제와 주로 관련된 [[질병]]의 위험을 증가시킬 수 있다. [[유전자 변형 쥐]]를 이용한 비만의 치료와 예방에 관한 연구는 miR-378이 사람의 비만을 예방하고 치료하는 유망한 물질일 수 있다는 긍정적인 피드백이 보고되었다. 연구 결과는 골격근에서 miR-378을 통한 피루브산과 포스포엔올피루브산 간의 낭비 회로의 활성화가 miR-378 형질전환 쥐의 [[지방 조직]]에서 [[지방 분해]]를 증가시키는 주요 원인이며 근육과 지방 사이의 교차를 조정하여 쥐에서 에너지 항상성을 조절하는 데 도움이 된다는 것을 보여준다.<ref name=":0">{{저널 인용|last1=Zhang|first1=Yong|last2=Li|first2=Changyin|last3=Li|first3=Hu|last4=Song|first4=Yipeng|last5=Zhao|first5=Yixia|last6=Zhai|first6=Lili|last7=Wang|first7=Haixia|last8=Zhong|first8=Ran|last9=Tang|first9=Huiru|last10=Zhu|first10=Dahai|date=2016-03-01|title=miR-378 Activates the Pyruvate-PEP Futile Cycle and Enhances Lipolysis to Ameliorate Obesity in Mice|url= |journal=EBioMedicine|language=en|volume=5|pages=93–104|doi=10.1016/j.ebiom.2016.01.035|pmid=27077116|pmc=4816830|issn=2352-3964|doi-access=free}}</ref>

낭비 회로에 대한 일반적인 이해는 두 가지 겹치는 [[대사 경로]]가 서로 반대 방향으로 진행될 때 일어나는 기질 회로이며, 조절 없이 놔두게 되면 세포의 모든 에너지가 고갈될 때까지 생물학적으로 생산성있는 일을 수행하는 것이 없이 계속 진행된다. 그러나 이 연구의 이면에 있는 아이디어는 miR-378-활성화 피루브산-포스포엔올피루브산 낭비 회로가 조절의 이점을 제공한다는 것을 나타낸다.<ref name=":0" /> miR-378은 지방 분해를 향상시킴으로써 체지방량을 감소시킬 뿐만 아니라 낭비 회로가 에너지 항상성을 유지하기 위해 물질대사를 조절하게 하는 것으로 추측된다. miR-378은 전신 수준에서 에너지 항상성을 조절하기 위해 근육 조직과 지방 조직 사이에서 대사 커뮤니케이션을 조절하는 독특한 기능을 가지고 있다.<ref name=":0" />

== 다른 생물종에서 작동하는 낭비 회로의 예 ==
낭비 회로의 존재가 일부 생물종에서 낮은 수준의 ATP와 생성열을 유지하는 데 어떻게 도움이 되는지 이해하기 위해 [[해당과정]]과 [[포도당신생합성]]의 상호 조절을 다루는 대사 경로를 살펴봐야 한다.

예를 들어 [[제브라피쉬]]와 같은 많은 물고기들의 [[부레 (기관)|부레]]는 [[부력]]에 기여하는 데 도움이 되는 내부에 가스로 채워진 [[기관 (해부학)|기관]]이다. 이러한 가스샘 세포는 [[모세혈관]]과 [[신경]]이 있는 곳에 위치하는 것으로 밝혀졌다. 관여하는 [[효소]]에 대한 분석은 포도당신생합성의 효소인 [[과당 1,6-이중인산가수분해효소]](FBPase-1)와 [[해당과정]]의 효소인 [[글리세르알데하이드 3-인산 탈수소효소]](GAPDH)가 가스샘 세포에서 높게 발현된다는 것을 보여주었다.<ref name="ReferenceA">{{저널 인용|last1=Munakata|first1=Keijiro|last2=Ookata|first2=Kayoko|last3=Doi|first3=Hiroyuki|last4=Baba|first4=Otto|last5=Terashima|first5=Tatsuo|last6=Hirose|first6=Shigehisa|last7=Kato|first7=Akira|date=January 2012|title=Histological demonstration of glucose transporters, fructose-1,6-bisphosphatase, and glycogen in gas gland cells of the swimbladder: Is a metabolic futile cycle operating?|journal=Biochemical and Biophysical Research Communications|volume=417|issue=1|pages=564–569|doi=10.1016/j.bbrc.2011.12.006|pmid=22177956|issn=0006-291X}}</ref> 이 연구는 제브라피쉬 부레의 특성이 과당 1,6-이중인산가수분해효소의 유전자 발현을 포함하지 않아야 함을 의미한다. 부레 조직은 글리코젠 활성이 매우 높고 포도당신생합성이 부족한 것으로 알려져 있지만, 과당 1,6-이중인산가수분해효소가 우세한 양으로 발현되는 것이 밝혀졌다. 이 발견은 가스샘 세포에서 과당 1,6-이중인산가수분해효소가 ATP 의존적 낭비 회로를 형성함을 시사한다. 열생성은 ATP가 축적되면 이 과정이 강력하게 억제되기 때문에 가스샘 세포가 [[젖산]]을 합성하는 데 매우 중요하다.

또 다른 예는 [[복어]] 부레의 열이 발생 부위 밖으로 운반되지만 신체의 다른 부위보다 가스샘의 온도를 더 높게 유지하기 위해 소동정맥 그물을 통해 다시 온도를 회복시킬 수 있다고 제안한다.

낭비 회로의 전체 순반응은 다음과 같이 ATP의 소비와 열생성을 포함한다.

: ATP + H<sub>2</sub>O <big>→</big> ADP + Pi + 열

열생성에 도움이 되는 낭비 회로의 또 다른 예는 [[뒤영벌속]] 벌에서 볼 수 있다. 과당 1,6-이중인산가수분해효소와 포스포프럭토키네이스-1을 포함하는 낭비 회로는 뒤영벌이 비행 근육에 열을 생성하고 낮은 주변 온도에서 몸을 상당히 따뜻하게 하는 데 사용된다.<ref name="ReferenceA"/>

== 같이 보기 ==
* [[물질대사]]
* [[대사 경로]]
* [[과당 1,6-이중인산가수분해효소]] (FBPase-1)
* [[포스포프럭토키네이스-1]] (PFK-1)

== 각주 ==
{{각주}}

== 외부 링크 ==
* {{MeshName|Futile+cycles}}

{{물질대사}}

[[분류:물질대사]]
[[분류:해당]]