해당과정(解糖過程, 영어: glycolysis)은 포도당(C₆H₁₂O₆)을 피루브산(CH₃COCOO⁻)으로 전환하는 대사 경로이다. 세포 내에서 에너지를 얻기 위해 당을 분해하는 기본적인 생화학적 과정으로, 거의 모든 생물 종에서 발견되는 보편적인 대사 경로에 해당한다.
어원
"해당과정"이라는 한국어 명칭은 한자 "解糖過程"(당을 분해하는 과정)에서 유래하였다. 영어 명칭 "glycolysis"는 포도당(glucose)의 옛 이름인 "glycose"와 분해를 의미하는 그리스어 접미사 "lysis"의 합성어이다.
개요
해당과정은 세포질(cytoplasm)에서 일어나며, 총 10단계의 효소 촉매 반응으로 구성된다. 산소(O₂) 분자를 직접 사용하지 않기 때문에 무산소 조건에서도 진행될 수 있는 것이 특징이다. 해당과정에서 1분자의 포도당은 2분자의 피루브산으로 분해되며, 이 과정에서 ATP(아데노신 삼인산)와 NADH를 생성한다.
전체 반응식은 다음과 같다.
포도당 + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 Pi → 2 피루브산 + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 ATP + 2 H₂O
해당과정을 통해 1분자의 포도당으로부터 ATP 2분자가 순생산된다. 이 과정은 크게 두 단계로 구분된다. 첫 번째 단계는 에너지 투자기(준비기, preparatory phase)로, ATP를 소비하여 포도당을 두 분자의 삼탄당 인산으로 전환시키는 단계(1~5단계)이다. 두 번째 단계는 에너지 회수기(payoff phase)로, ATP와 NADH를 생산하는 단계(6~10단계)이다. 에너지 회수기에서는 ATP 4분자와 NADH 2분자가 생성된다.
주요 단계
해당과정의 주요 반응 단계는 다음과 같이 요약할 수 있다.
- 포도당의 인산화(헥소키네이스): 포도당이 포도당 6-인산으로 전환되며 ATP가 소모된다.
- 포도당 6-인산의 과당 6-인산으로의 이성질화(포스포헥소스 이성질화효소).
- 과당 6-인산의 과당 1,6-이중인산으로의 인산화(포스포프럭토키네이스-1). 이 단계는 핵심적인 조절 지점이자 속도 제한 단계이다.
- 과당 1,6-이중인산의 분해(알돌레이스): 두 개의 삼탄당 인산(다이하이드록시아세톤 인산과 글리세르알데하이드 3-인산)으로 분리된다.
- 삼탄당 인산의 상호변환(삼탄당 인산 이성질화효소).
- 글리세르알데하이드 3-인산의 산화와 인산화(글리세르알데하이드 3-인산 탈수소효소): 1,3-비스포스포글리세르산과 NADH가 생성된다.
- 1,3-비스포스포글리세르산에서 ADP로의 인산기 전달(포스포글리세르산 키네이스): 기질수준 인산화를 통해 ATP가 생성된다.
- 3-포스포글리세르산에서 2-포스포글리세르산으로의 이성질화(포스포글리세르산 뮤테이스).
- 2-포스포글리세르산에서 포스포엔올피루브산으로의 탈수반응(엔올레이스).
- 포스포엔올피루브산으로부터 ADP로의 인산기 전이(피루브산 키네이스): 피루브산과 ATP가 생성되며, 추가적인 조절 지점으로 작용한다.
역사
해당과정의 경로가 완전히 규명되기까지는 약 100년이 걸렸다. 1850년대 프랑스 과학자 루이 파스퇴르가 와인 발효 문제를 연구하면서 발효 과정이 살아있는 미생물의 작용에 의해 일어난다는 사실을 밝혀냈다. 이후 1890년대 에두아르트 부흐너의 비세포 발효 실험을 통해 생명이 없는 효모 추출액으로도 포도당을 에탄올로 전환시킬 수 있음이 입증되었다. 이후 아서 하든, 윌리엄 영, 오토 마이어호프, 구스타프 엠덴 등 여러 과학자들의 연구가 축적되어 1940년대에 이르러 해당과정의 상세한 경로가 완성되었다. 가장 일반적인 형태의 해당과정은 엠덴-마이어호프-파르나스 경로(Embden–Meyerhof–Parnas pathway)로 불린다.
해당과정 이후의 대사
해당과정이 지속되기 위해서는 생성된 NADH가 다시 NAD⁺로 재산화되어야 한다. 산소가 없는 조건에서는 젖산 발효나 에탄올 발효를 통해 NAD⁺가 재생성된다. 산소가 있는 조건에서는 NADH의 전자가 미토콘드리아의 전자전달계로 전달되며, 피루브산은 아세틸-CoA로 전환된 후 시트르산 회로(크렙스 회로)와 산화적 인산화를 거쳐 훨씬 많은 양의 ATP를 생성한다.
조절
해당과정의 흐름은 주로 헥소키네이스, 포스포프럭토키네이스-1, 피루브산 키네이스 등의 속도 제한 효소에 의해 조절된다. 이들 효소는 ATP, AMP, 시트르산, 과당 2,6-이중인산 등의 대사 산물과 인슐린, 글루카곤, 에피네프린 등의 호르몬에 의해 활성이 조절된다.
질병과의 관련성
암세포는 정상 세포보다 해당과정의 속도가 약 10배 빠른 것으로 알려져 있으며, 이 현상은 1930년 오토 바르부르크에 의해 처음 기술되어 바르부르크 효과(Warburg effect)라고 한다. 해당과정의 효소 결함으로 인한 유전병으로는 피루브산 키네이스 결핍증이 있으며, 이는 만성 용혈성 빈혈을 유발할 수 있다. 당뇨병에서도 인슐린 저하로 인한 포도당 이용 장애가 해당과정과 관련되어 있다.
