포도당 단일수송체 GLUT1 – GLUT1, the Uniporter of Glucose

대부분의 동물세포들은 포도당(Glucose)을 APT의 재료로 씁니다. 그래서 세포들은 포도당 단일수송체(Glucose uniporter)를 이용해 주변 혈액이나 세포외 액(Extracellular fluid)에서 포도당을 세포 안으로 들여옵니다. 포도당이나 다른 작은 친수성(hydrophilic) 분자들이 농도 차이에 따라 세포막을 통과할 때 단일수송체(Uniporter)라는 단백질을 통하게 됩니다. 단일 수송체를 이용해 세포막을 통과하면 단순 확산에 의해 세포막을 통과할 때에 비해 여러 특징들을 가지게 됩니다. 그 특징들을 나열해 보면,

  • 단일수송체를 이용해 움직이게 되면 인지질 이중층을 단순 확산에 의해 통과하는 것보다 빠르게 이동할 수 있습니다.
  • 수송되는 물질들이 인지질 이중층의 소수성 부분에 접하지 않기 때문에. 분배계수(Partition Coefficient)의 영향을 받지 않습니다.
  • 단일수송체의 수가 제한되어 있기 때문에 세포막의 단일수송체의 수에 비례하여 Vmax가 정해지게 됩니다. Vmax는 세포 안과 밖의 물질 농도 차이가 매우 크고, 모든 단일수송체가 풀가동(;;)되고 있을 때의 속력입니다.
  • 농도가 역전되면, 수송 방향도 역전됩니다.
  • 단일 수송체들은 저마다  한 가지 물질이나 그와 비슷한 몇 종류의 물질들만을 수송하게 됩니다. 어떤 물질과 한 단일 수송체와의 친화력은 수송 속도가 1/2Vmax일 때의 수송체 농도인 Km로 측정할 수 있습니다.

가장 많이 알려진 포도당 단일 수송체는 거의 대부분의 포유류 세포막에서 발견되는 GLUT1 이란 단백질입니다. GLUT1은 특히 적혈구(erythrocyte)에서 많이 발견됩니다. 적혈구는 핵이나 세포 소기관이 없기 때문에 간단한 세포의 표본으로서 쓸 수 있고 그렇기 때문에 적혈구에 풍부한 GLUT1에 대한 연구가 많이 진행된 것이지요.
아래의 그래프는 적혈구와 간 세포의 단일 수송체에 의한 포도당 이동 속도를 보여주고 있습니다. 그래프의 모양이 효소에 의해 활성화되는 반응 속도(Michaelis-Menten Equation)의 그래프와 비슷한 것을 볼 수 있습니다. 단일 수송체가 아닌 다른 수송 단백질을 통하게 되면 더 복잡한 그래프가 나오게 됩니다. 그렇지만 Vmax가 존재하고, 단순 확산보다 빠르고, 물질 특이성을 가진다는 공통점이 있습니다.
다른 단일수송체들 처럼 GLUT1은 두 가지 형태가 있습니다. 한 가지는 포도당과 결합하는 부위가 세포 밖을 보고 있을 때이고 다른 경우는 세포 안을 보고 있는 경우입니다. 보통 세포 바깥쪽의 포도당 농도가 세포 안 쪽보다 높기 때문에 GLUT1은 일반적으로 밖에서 안으로 포도당을 들여보내는 일을 하게 됩니다. GLUT1을 통한 포도당의 이동은 효소가 촉매하는 화학 반응식과 비슷한 방법으로 기술됩니다.
단순하게, 포도당을 S(substrate)가 세포 바깥에만 존재한다고 가정합시다. 실제로는 세포를 포도당이 부족한 용액에서 배양해서 내부에 저장된 포도당을 소비시킴으로써 구현할 수 있습니다. 이런 경우
이렇게 기술됩니다. SoutGLUT1은 GLUT1이 포도당과 결합한 채로 세포 바깥을 향한 상태를 말합니다. 
단일수송체를 통한 물질의 이동은 효소에 의해 촉매되는 화학 반응과 비슷한 양상을 띠기 때문에(포도당이 단백질과 결합하여 세포 안으로 이동 = 반응물이 효소와 결합해서 생성물이 됨) 미카엘리스-멘텐 식(Michaelis-Menten Equation)을 쓸 수 있습니다. 

 C는 Sout의 농도입니다. (가정한 대로, Sin는 0입니다.) 위에서 언급한 대로 Vmax는 C가 매우 클 때(분모에 1밖에 안 남겠죠?) 도달하게 됩니다. 이 식이 바로 위의 단일수송체에 의한 물질의 운반속도 그래프를 기술하는 식입니다. Km이 작다는 것은 운반되는 물질이 수송체와 결합을 잘 하는 것을 의미합니다. 사실 GLUT1은 포도당과 이성질체 관계인 D-mannose와 D-Galactose도 운반할 수 있습니다. 하지만 Km이 1.5mM인 포도당에 비해 D-mannose와 D-Galactose의 Km은 20mM, 30Mm입니다. 이는 GLUT1이 포도당과 훨씬 잘 결합한다는 것을 보여주고 있는 것입니다.

GLUT1을 통해서 포도당이 세포 밖으로 나가는 경우는 드물까요?

네, 그렇습니다. 적혈구를 예로 들어보겠습니다. 적혈구 안으로 들어온 포도당은 밖으로 나갈 수 없도록 인산화(phosphorylation)되어 glucose-6- phosphate 가 됩니다. 이 반응 때문에 세포 안쪽의 포도당 농도가 낮게 유지되는 것입니다.

 

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