정답
(ㄱ) 글루탐산(Glutamate), (ㄴ) 글루타민(Glutamine)이다. 또한 (ㄱ) 탈수소효소는 아미노산 이화에서는 글루탐산의 산화적 탈아미노화를, 과정 I에서는 그 역반응인 환원적 아미노화를 촉매하며, NH4+ 농도가 높을 때 주로 과정 I이 이용된다.
출제 의도
세균의 NH4+ 동화에서 환원적 아미노화 경로(글루탐산 탈수소효소)와 GS–GOGAT 경로(글루타민 합성효소/글루탐산 합성효소)의 생성물(글루탐산·글루타민)을 구분하고, 글루탐산 탈수소효소 반응이 이화(산화적 탈아미노화)와 동화(환원적 아미노화)에서 서로 역방향으로 작용함을 이해하며, NH4+ 농도에 따라 경로 선택이 달라짐(고농도에서는 GDH, 저농도에서는 GS–GOGAT)을 설명하는 능력을 평가한다.
풀이 과정
그림의 과정 I은 “환원성 아미노화 경로”로, \(\alpha\)-케토글루타르산이 NH4+를 받아 아미노산으로 바뀌고 이때 NAD(P)H가 산화되는 형태이다. \(\alpha\)-케토글루타르산에 NH4+가 결합해 생성되는 대표 아미노산은 글루탐산이므로 (ㄱ)은 글루탐산이다.
$$ \alpha\text{-케토글루타르산}+\mathrm{NH_4^+}+ \mathrm{NAD(P)H} \rightarrow \text{글루탐산}+\mathrm{NAD(P)^+}+ \mathrm{H_2O} $$
이후 아미노기전이효소(트랜스아미나아제)에 의해 글루탐산의 아미노기가 \(\alpha\)-케토산으로 옮겨가 다른 아미노산이 만들어지고, 글루탐산은 \(\alpha\)-케토글루타르산으로 되돌아가 순환이 유지된다.
과정 II는 GS–GOGAT 시스템이다. 먼저 GS(글루타민 합성효소)는 NH4+를 ATP를 써서 글루탐산에 붙여 글루타민을 만든다. 따라서 (ㄴ)은 글루타민이다.
$$ \text{글루탐산}+\mathrm{NH_4^+}+\mathrm{ATP} \rightarrow \text{글루타민}+\mathrm{ADP}+ \mathrm{P_i}+ \mathrm{H^+} $$
다음으로 GOGAT(글루탐산 합성효소)는 \(\alpha\)-케토글루타르산과 글루타민을 이용해 글루탐산 2분자를 만든다(그림의 “2분자의 (ㄱ)”에 해당).
$$ \alpha\text{-케토글루타르산}+\text{글루타민}+\mathrm{NADPH}+ \mathrm{H^+} \rightarrow 2\,\text{글루탐산}+\mathrm{NADP^+} $$
이제 밑줄 친 (ㄱ) 탈수소효소는 글루탐산 탈수소효소(GDH)에 해당한다. 아미노산의 이화 과정에서는 글루탐산이 \(\alpha\)-케토글루타르산으로 바뀌며 NH4+를 방출하는 “산화적 탈아미노화”가 일어난다.
$$ \text{글루탐산}+\mathrm{NAD(P)^+} \rightarrow \alpha\text{-케토글루타르산}+\mathrm{NH_4^+}+\mathrm{NAD(P)H} $$
반면 과정 I에서는 이 반응의 역방향으로 \(\alpha\)-케토글루타르산에 NH4+를 붙여 글루탐산을 만드는 “환원적 아미노화”가 진행된다(위 과정 I 식). 즉 같은 효소가 조건에 따라 역반응을 촉매한다.
마지막으로 NH4+ 농도에 따른 이용 경로를 설명한다. 일반적으로 GDH(과정 I)는 NH4+에 대한 친화도가 낮아(큰 \(K_m\)) NH4+가 충분히 높을 때 효율적으로 글루탐산을 합성한다. 반대로 GS–GOGAT(과정 II)는 NH4+ 친화도가 높아(작은 \(K_m\)) 낮은 NH4+ 농도에서도 동화가 가능하지만 ATP를 소모한다. 따라서 NH4+ 농도가 높을 때는 에너지 소모가 적은 과정 I이 주로 이용되고, NH4+ 농도가 낮을 때는 높은 친화도의 과정 II가 주로 이용된다.
<풀이가 부정확할 수 있으니 반드시 교차검증 확인 바랍니다.>