[생화학] 아세틸-CoA의 생성 (Production of Acetyl-CoA)

당분해 과정의 산물인 피루브산은 호기성 조건에서 이산화탄소와 물로 완전히 산화된다. 이를 호흡(Respiration), 또는 세포 호흡(Cellular respiration)이라 부른다. 세포호흡은 3가지 주요한 단계를 갖는다.

 

세포호흡의 세 단계

1단계에서, 피루브산을 비롯한 다양한 탄소 화합물이 아세틸-CoA를 형성한다. 2단계에서 아세틸-CoA는 시트르산 회로로 유입된다. 이때 NADH와 FADH₂를 형성된다. 3단계에서 NADH, FADH₂는 전자전달계로 들어가 산화인산화(Oxidative phosphorylation) 반응을 통해 ATP를 생성한다.

 

각 단계의 자세한 기전은 매우 복잡하다. 이번 글에서는 1단계, 아세틸-CoA의 형성을 다룬다.

 

본 글에서 다루는 범위

 

1. 피루브산의 산화

 

피루브산은 당분해의 산물이다. 당분해는 세포질에서 일어나므로, 피루브산은 아세틸-CoA로 산화되기 위해 미토콘드리아 내부로 들어올 필요가 있다. 미토콘드리아(Mitochondria)는 이중막 구조를 갖는 세포 소기관이다. 미토콘드리아 내부는 미토콘드리아 막 사이 공간(Intermembrane space)과 구분되는 미토콘드리아 바탕질(Matrix)을 의미한다.

 

미토콘드리아의 구조

미토콘드리아 내부로 유입된 피루브산은 피루브산 탈수소효소 복합체(Pyruvate dehydrogenase complex, PDH 복합체)에 의해 아세틸-CoA와 CO₂로 산화된다. 피루브산은 3탄소 화합물이므로, CO₂가 제거되어 생기는 아세틸-CoA는 2탄소 화합물이다. 아세틸-CoA는 아세틸기(-CH₃CO)에 CoA가 결합한 화합물이다. CoA가 무엇인지는 아래에서 이야기하자.

 

피루브산(Pyruvate) → 아세틸-CoA(Acetyl-CoA)

위 반응은 비가역적이다. 즉, 아세틸-CoA는 다시 피루브산으로 환원될 수 없다. 나중에 배우겠지만 지방산의 분해는 다량의 아세틸-CoA를 생성하는데, 아세틸-CoA만으로는 포도당을 합성할 수 없다. 뇌는 오직 포도당만을 에너지원으로 사용할 수 있으므로 어느 정도의 탄수화물 섭취는 필수적이다.

 

 

2. 피루브산 탈수소효소 복합체

 

1) 피루브산 탈수소효소 복합체의 구성

 

PDH 복합체는 5가지 보조효소와 3가지 효소로 구성된다. 5가지 보조효소는 차례로 파이로인산 타이아민(TPP), 리포산 (Lipoate), 보조효소 A(CoA), NAD, FAD이다. NAD, FAD는 이전 글에서 다룬 적이 있다. TPP와 리포산은 효소의 작용을 다룰 때 자세히 이야기하도록 하자.

 

보조효소 A, CoA는 수많은 반응에서 사용되는 보조효소다. CoA는 생체 내에서 아실기(R-C=O)를 수송하는 운반체 역할을 한다. 아세틸기는 특히 가장 간단한 구조를 갖는 아실기다. 

 

CoA의 구조. 아세틸-CoA는 CoA의 싸이올기에 아세틸기(CH3CO-)가 결합한 것이다.

CoA는 아데닌과 변형된 리보스, 판토텐산(Pantothenic acid)과 β-머캅토에틸아민(β-mercaptoehylamine)의 복잡한 중합체다. 자세한 구조를 알 필요는 없지만, 끝부분에 반응성 싸이올기(-SH)를 갖고 있는 점은 알아두어야 한다. 이 부분이 CoA가 아실기와 결합하는 부분이다. 유리 CoA는 보통 싸이올기가 환원된 상태로 존재하고, 이를 SH-CoA라 표기한다. 반면 CoA가 아실기와 결합한 경우 위 그림에서처럼 S-CoA라 나타낸다.

 

 

2) 피루브산 탈수소효소 복합체의 작용

 

피루브산 탈수소효소 복합체는 다음의 세 효소가 순차적으로 작용해 피루브산을 아세틸-CoA로 산화한다.

 

① 피루브산 탈수소효소(Pyruvate dehydrogenase, E₁) : 피루브산의 탈카복실화

 

피루브산 탈수소효소의 작용 기전

피루브산 탈수소효소는 알코올 발효에서 언급한 적이 있다. 피루브산 탈수소효소의 작용은 TPP를 필요로 한다. TPP는 비타민 B₁(타이아민)에서 유래된 보조효소다. TPP는 피루브산과 결합해 피루브산의 카복실기를 제거해 CO₂의 형태로 방출한다.

 

TPP의 작용기전. 자세한 기전은 중요하지 않고, 반응 내내 피루브산과의 결합을 유지하는 점을 유의하라.

이 반응은 피루브산 탈수소효소 복합체 반응 중 가장 느린 속도 결정 단계이다. 일단 피루브산 탈수소효소가 피루브산과 결합하고 나면, 이후의 반응은 매우 신속하게 일어난다. 지금 단계에서 피루브산은 CO₂가 빠져나간 후 TPP와 결합한 상태이다.

 

 

② 다이하이드로리포일 아세틸기전달효소(Dihydrolipoyl transacetylase, E₂) : 아세틸-CoA의 형성

 

다이하이드로리포일 아세틸기전달효소의 작용 기전

다이하이드로리포일 아세틸기전달효소의 작용은 리포산을 필요로 한다. 리포산은 끝부분에 두 개의 싸이올기를 갖는 보조효소다.

 

리포산의 구조

리포산은 기본적으로 산화형으로 존재한다. 이후, TPP로부터 전달받은 2탄소 화합물을 아세트산으로 산화시키며 본인은 환원형으로 바뀐다. 이때 2개의 싸이올기는 모두 -SH로 환원된다. 이후, 리포산과 결합한 아세틸기는 CoA와 결합해 아세틸-CoA를 형성하고, PDH 복합체에서 방출된다.

 

다이하이드로리포일 아세틸기 전달효소 작용의 결과로 아세틸-CoA가 형성되고, 리포산이 환원된 상태로 존재한다. FDH 복합체는 리포산을 재활용하기 위해 이를 산화시킬 필요가 있다.

 

 

③ 다이하이드로리포일 탈수소효소(Dihydrolipoyl dehydrogenase, E₃) : 리포산의 재생

 

다이하이드로리포일 탈수소효소의 작용 기전

환원형의 리포산은 FAD에 의해 산화된다. 이 결과로 생긴 FADH₂는 다시 NAD⁺에게 전자를 건네줘 FAD로 재생된다. 산화된 리포산은 다시 다이하이드로리포일 아세틸기전달효소 작용을 도울 수 있다.

 

FDH 복합체 전체 작용 기전

이 효소 반응에서 피루브산은 아세틸-CoA가 되기까지 효소 복합체 밖으로 빠져나가지 못한다. 이렇게 기질을 꽉 붙들어 놓는 것을 기질 통로화(Substrate channeling)라 한다. 기질 통로화는 연쇄적인 반응에서 기질의 중간체가 유출되는 것을 막고, 효소 반응이 효율적으로 일어날 수 있도록 돕는다.

 

 

정리하자. 당분해 산물인 피루브산은 미토콘드리아 내부에서 아세틸-CoA로 산화된다. 이 과정에서 PDH 복합체가 작용한다. PDH 복합체는 3개의 효소와 5개의 보조효소로 구성된 매우 복잡한 효소 복합체이다. PDH 복합체는 기질 통로화를 사용하는 효소의 한 예이다.

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