생화학 10장 구연산 회로 (TCA Cycle)

피루브산에서 아세틸 CoA 생성과정

<개요> 해당과정에서 생성된 피루브산은 미토콘드리아로 들어와 아세틸 CoA로 전환됨 이 작용은 다효소복합체인 피루브산 탈수소효소 복합체에 의해 진행됨 이 복합효소계의 작용은 혐기성 과정인 해당과정과 호기성 과정인 구연산회로를 연결시켜주는 가교역할을 함 NADH 생성

<피루브산 탈수소효소 복합체> 피루브산의 탄소 하나를 이산화탄소로 방출시키는 산화반응으로 아세틸 CoA를 생성시키는데 자유에너지 감소가 크므로 비가역적인 반응 임 복합체는 세가지 효소(E1, E2, E3)로 이루어져 있음 세가지 효소는 차례로 작용하며 조효소로 4개의 비타민이 필요 함 티아민 피로인산(TPP)안에 티아민이 존재, FAD 안에는 리보플라빈이 존재 NAD+안에는 나이아신, 그리고 조효소 A안에는 판토텐산이 존재 함 보조인자로 Mg2+ 이온이 필요 함

TCA cycle (Tricarboxylic acid cycle) Citric acid cycle Krebs cycle

<개요> 세포가 산소 이용 없이 포도당을 분해하여 피루브산이 되면서 ATP를 생성하는 것이 해당과정임 산소가 존재하면 대부분의 진핵세포나 박테리아는 이산화탄소와 물로 완전히 분해하는 과정이 TCA회로 임 아세틸 CoA의 아세틸기를 이산화탄소로 산화시키면서 NADH와 FADH2를 생성시켜 에너지를 저장 함 아세틸기가 OAA에 이동하여 구연산이 되면서 시작이 되는 회로로 총 8개 반응으로 이루어짐 4 반응은 산화환원과정으로 기질은 산화되고 조효소(NAD+, FAD)는 환원되어 3분자의 NADH와 1분자의 FADH2가 생성 됨 한 반응에서 고에너지 화합물인 티오에스테르가 분해되면서 GTP 생성

구연산회로는 에너지를 생성하는 이화작용 뿐만 아니라 동화작용의 역할을 함 (탄소 4, 5개짜리인 구연산회로의 중간대사물이 아미노산, 포르피린, 뉴클레오티드 염기 등의 생합성 전구체로 작용 함) 진핵세포 : 구연산 회로에 필요한 효소와 조효소 등이 미토콘드리아 안에 있으며 전자전달계와 산화적인산화에 필요한 요소들도 미토콘드리아 안에 존재 함 식물 : 빛이 존재하면 ATP 합성은 엽록체에서 일어나고, 어두우면 미토콘드리아에서 일어남 박테리아 : 구연산 회로는 세포질에서 일어나며, ATP 합성은 원형질막에서 일어남

<TCA 회로의 특징> 구연산 회로에서 방출되는 이산화탄소는 OAA에 있는 탄소가 방출됨 아세틸 CoA의 탄소가 방출되려면 두번 이상의 구연산 회로가 순환되어야 함 네 번의 산화과정이 일어남(3번은 NAD+, 1번은 FAD가 사용됨) NADH는 2.5개 ATP, FADH2는 1.5 개 ATP를 생성 함 1개의 아세틸 CoA는 10 개의 ATP를 생성 함 1개의 피루브산은 12.5 개의 ATP를 생성 함 1개의 포도당은 2개의 피루브산을 형성하므로 세포질에서 생성된 NADH가 미토콘드리아로 들어오는 수용법에 따라서 32 ATP 혹은 30 ATP를 생성 함

<구연산회로 중간대사물의 산화> 아세틸 CoA의 생성 : 피루브산의 산화, 지방산의 베타 산화, 아미노산(루신, 리신, 트립토판)의 분해 일부 아미노산은 분해되어 숙신산, OAA, α - 케토글루타르산을 형성하는데 - 이들은 구연산회로를 돌아서 OAA가 되므로 완전 분해되지 않음 - 이들의 완전 분해는 OAA에서 PEP를 거치는 당신생경로를 이용해야 하는데 - OAA는 미토콘드리아막을 통과하지 못하므로 말산으로 전환 된 후에 - 세포질로 나와서 OAA로 재생되어서 PEP로 되어 당신생경로를 통하여 포도당으로 합성이 가능함

<구연산회로의 조절> 피루브산 탈수소효소 복합체 구연산 생성효소 이소구연산 탈수소효소 α - 케토글루타르산 탈수소효소 복합체

pyruvate dehydrogenase 단계 : 조절은 두 가지 요인이 있음 - 다른자리 입체성 조절인자에 의한 조절과 공유결합 변형(인산화)에 의한 조절 <다른자리 입체성조절인자에 의한 조절> * 저해 : NADH와 acetyl CoA는 되먹임 억제로 작용 ATP도 저해작용 * 촉진 : AMP, CoA, NAD+와 Ca2+는 양성조절인자로 작용 <공유결합 변형(인산화)에 의한 조절> * 피루브산 탈수소효소는 효소단백질의 특정한 세린기에 인산화된 형태와 인산화되지 않은 형태로 존재 함 * 탈인산화 형태가 효소활성이 큼 * 아세틸 CoA, NADH, ATP는 억제 함 * Ca2+는 피루브산 탈수소효소를 활성화 시킴

citrate synthase 단계(전체 조절점) – 다른자리입체성 조절인자에 의해 조절 됨 * 저해 : ATP, NADH, acetyl CoA, succinyl CoA, 지방산, 구연산 isocitrate dehydrogenase 단계 – 다른자리입체성 조절인자에 의해 조절 됨 * 저해 : ATP, NADH * 촉진 : ADP, Ca2+   α-ketoglutarate dehydrogenase 단계 – 복합체이지만 인산화-탈인산화와는 무관 * 저해 : succinyl CoA(malonate는 succinate와 구조가 비슷하여 경쟁적으로 저해) NADH * 촉진 : Ca2+

* pyruvate dehydrogenase 단계 보조효소 : TPP(비타민B1), NAD+(niacin 유도체), FAD(B2 유도체), CoA(pantothenic acid 유도체), lipoic acid 등 5가지 비타민 유도체와 Mg2+이온   * isocitrate dehydrogenase 단계 보조효소 : TPP, NAD, FAD, CoA, lipoic acid 등 5가지

<TCA 회로의 요약> 미토콘드리아에서 일어남 프루빈산에 의해서 만들어진 아세틸-CoA와 옥살로초산과의 축합으로 시작 α-ketoglutarate dehydrogenase : CoA, TPP, 리포산, FAD 및 NAD+가 필요(비가역적) NADH 생성반응 : isocitrate의 산화, α-ketoglutarate의 산화, malic acid의 산화 FADH2의 생성반응 : 호박산(succinic acid)의 산화 GTP의 생성 : succinyl-CoA의 반응 TCA 회로에서의 에너지 생산 : NADH = 3 개 , FAH2 개 = 1, GTP = 1개 이소구연산 탈수소효소 : TCA 회로를 조절하는 제한 효소로 작용 (ADP와 NAD+ : 활성화 시킴 ATP와 NADH : 억제 시킴) 플루오르초산과 아비산은 마코니테이즈와 α-케토글루타르산 탈수소효소의 작용을 방해하여TCA 회로가 못돌아가게 함

<구연산회로의 동화작용> 구연산회로는 이화작용과 동화작용 양방향으로 작용함 동화작용의 예 : * 알파 케토글루타르산 – 아미노기 전이반응으로 글루탐산이 되고 프롤린, 아르기닌, 글루타민의 전구체가 되며, 퓨린의 골격체 일부를 공급 * OAA - 아미노기 전이반응으로 아스파르트산으로 전환 가능하며, - 아스파라긴, 피리미딘의 전구체 - PEP로 전환되어 메티오닌, 리신, 트레오닌, 이소루신의 전구체 - PEP에서 포도당과 세린, 글리신으로 전환 가능 * 숙시닐 CoA – 헤모글로빈, 미오글로빈, 시토크롬의 햄과 엽록소를 이루는 포르피린 의 전구체 * 구연산 – 미토콘드리아를 나와 OAA와 아세틸 CoA로 분해되며, 아세틸 CoA는 지방산 합성에 사용 됨

<세포질 NADH의 전자전달계 합류> 동물세포들은 조직에 따라서 다름 두 가지의 셔틀 시스템을 이용 함 말산-아스파르트산 셔틀 : 간, 신장 및 심장에서 작용 : 2.5 ATP 생산 글리세롤인산 셔틀 : 골격근과 뇌에서 작용 : 1.5 ATP 생산

급격한 운동시 산소와 glucose의 공급이 불충분한 상태에서 대사가 진행되므로 glucogen을 사용하게 되고, 해당에서 TCA cycle로 못 들어가므로 latic acid로 축척 latic acid는 혈액을 통해 간에서 신생과정을 통해 glucose로 합성됨 합성된 glucose는 다시 혈액을 통해 근육으로 와 glycogen으로 축적(장시간 요구)