식품, 화학 관련 전공 및 시험대비 생화학 핵심 요점 요약 정리 8. 구연산회로

8강. 구연산회로

 

※ 들어가기
• 호기성 생물체들은 구연산회로(시트르산회로, citric acid cycle), 전자전달계와 산화적 인산화 과정을 거쳐
에너지를 효율적으로 생산
• 식물과 일부 미생물들은 구연산회로 일부가 변형된 글리옥실산회로를 이용하여 아세트산으로부터 탄수화물
을 합성함

 

1. 구연산회로의 개요

• 구연산회로(citric acid cycle) = TCA 회로 = 크랩스회로(Krebs cycle)
• 아세틸 CoA의 아세틸 부분을 이산화탄소로 산화시키며 이 때 조효소인 NAD+와 FAD를 각각 NADH와
FADH2로 환원시켜 에너지를 저장하는 과정
• 진핵세포에서 모든 경로와 효소 및 조효소는 미토콘드리아 안에서 일어남
• 총 8개의 반응으로 이루어짐

• 구연산회로는 이화작용 & 동화작용의 역할을 함 → 양방향성과정
• 구연산회로의 중간대사물이 아미노산, 포르피린, 뉴클레오티드염기 등의 생합성 전구체로 작용함
• 식물 : 광합성 → 엽록체에서 ATP 합성/ 어두울 때 → 미토콘드리아
• 원핵세포 : 박테리아 → 세포질/ ATP 합성 → 원형질막
• 호기성 생물체 : 포도당, 단당류, 지방산 대부분 → 구연산회로를 이용함
• 구연산회로는 모든 영양소가 에너지를 생성하는데 공통적으로 사용하는 경로임
※ ~ic acid와 ~ate의 차이 : (예) acetic acid와 acetate
→ ~ic acid는 해리되지 않는 형태를 말하며, ~ate는 해리된 이온 형태로 존재함을 난타냄. 유기산의 해리
는 pH에 따라 다른데(Handerson-Hasselbalch식), 보통의 생체 내 pH에서는 많은 유기산의 해리된 형
태로 존재함
※ 동화작용 & 이화작용
- 동화작용 : 간단한 분자로부터 복잡한 분자를 형성하는 대사작용
- 이화작용 : 복합유기물질이 저분자물질분해로 에너지를 생성하는 대사작용

 

2. 피루브산으로부터 아세틸 CoA 생성과정
• 포도당 및 당류가 세포질에서 해당과정을 거치면서 생성된 피루브산 → 미토콘드리아 → 아세틸 CoA, CO2
로 전환
• 이 작용은 다효소 복합체(일련의 대사반응들에 관련되는 몇 종의 효소집합체로 복합효소계라고도 함)인 피
루브산 탈수소효소 복합체에 의해 일어남

1) 피루브산 탈수소효소 복합체

• 피루브산의 탄소 하나를 CO2로 방출하는 탈탄산 산화반응
• 아세틸 CoA를 생성시키는 데 자유에너지 감소가 큰 비가역적인 반응
• 세 종류의 효소(E1, E2, E3)로 이루어져 있음
• 5개의 조효소로 구성 : 4개의 비타민, 1개 유사비타민(리포산)
- TPP : 티아민/ FAD : 리보플라빈/ NAD+ : 나이아신/ 조효소 A : 판토텐산

 

2) 피루브산 탈수소효소 복합체의 세 가지 작용

• 탈탄산화(탈카르복실화)에 의한 CO2 방출(E1, TPP)
• 아세틸 리포산 복합체 형성(E2, 리포산)

• 아세틸기가 조효소 A(CoASH)로 전달 → 아세틸 CoA 형성(E2, 조효소 A)
• 환원 리포산 재산화 (E3, FAD) (E3, NAD+)
• 두 번째 탄소의 케토(C=O)기가 카르복실(COO-)기로 산화
• 조효소 A가 티오에스테르결합으로 변화
• 위의 3가지 작용은 순차적인 5단계 반응으로 이루어짐

 

3) 피루브산 탈수소효소의 5단계 반응
(1) 1단계
• 피루브산 탈수소효소(E1)에 의한 탈탄산화반응으로 티아민 피로인산(TPP)이 조효소로 작용 → 아시올티아민
복합체를 이룸
(2) 2단계
• 하이드록시에틸기가 산화하여 생성되는 두 개의 전자 → 다이하이드로리포일 아세틸 전이효소의 조효소인
리포산(lipoic acid)의 이황화 결합(-S-S-)을 환원시킴
(3) 3단계
• 리포산에 결합되어 있는 아세틸기가 조효소 A(CoASH)로 전달 → 아세틸 CoA를 형성
• 생성된 아세틸 CoA는 고에너지를 함유하는 티오에스테르 결합물로 활성화된 분자형태
• 비타민 B의 일종인 판토텐산을 함유 → 반응성 있는 SH기를 드러내기 위해 CoASH로 표시함
• CoASH는 아세틸기나 아실기(acyl group, 여러 가지 길이의 탄화수소인 R을 가진 형태)를 운반하는 역할을
하는데, 이 때 아세틸기와 이실기는 CoA의 SH기와 티오에스테르결합(thioester bond)을 형성하여 활성화됨
(4) 4단계 & 5단계
• E3에 의해 E2에 결합된 환원된 리포산을 다시 산화시키는 두 단계의 산화환원반응
• 구연산회로의 α-케토글루타르산 탈수소효소 복합체, 일부 아미노산의 산화과정과 단백질 구조, 조효소 및
반응과정이 비슷함

 

3. 구연산회로의 과정

• 구연산회로의 8개의 반응으로 구성된 순환적 경로임

※ 회로(cycle) : 순환적인 반응을 지칭함, 즉, 해당과정은 직선형의 대사경로인 데 반해 구연산회로, 요소
회로 등은 순환적인 경로를 말함

 

1) 구연산회로의 각 단계
(1) 1단계 : 구연산 생성효소에 의한 구연산 형성
• 첫 반응은 아세틸 CoA와 옥살로아세트산(OAA)의 축합반응
• 구연산(시트르산) 생성효소에 의해 일어남
• 아세틸 CoA의 메틸기(CH3)로부터 양성자 제거 → 옥살로아세트산의 카르보닐 탄소(-C=O-)를 공격 → 시트
로일 CoA 형성 구연산과 CoASH로 혜리
※ 생성효소(synthase) & 합성효소(synthetase)
- 생성효소 : 에너지 사용없이 첨가반응이나 제거반응을 촉매하는 효소
- 합성효소 : ATAP나 GTP의 에너지를 사용하여 첨가반응이나 제거반응을 촉매하는 효소로 구별.
(2) 2단계 : 아코니타아제에 의한 구연산의 이성질화
• 구연산이 아코니타아제에 의해 → 이소구연산으로 전환되는 가역적인 반응
• 아코니타아제는 독특한 철-황 구조를 보결분자단으로 갖고 있음
(3) 3단계 : 이소구연산 탈수소효소에 의한 이소구연산의 산화
• 이소구연산 탈수소효소에 의해 산화적 탈탄산화가 일어남 → α-케토글루타르산 생성, NADH 생성
• Mg2+ 이온이 보조인자로 필요함
• 두 종류의 동위효소(isozyme)이 필요 : NAD+, NADP+
• NAD+(미토콘드리아 기질에만 존재)는 구연산회로에 관여, NADP+(세포질과 미토콘드리아 기질에 모두 존재)
는 NADPH 생성에 관여함
(4) 4단계 : α-케토글루타르산 탈수소효소 복합체에 의한 α-케토글루타르산의 산화
• α-케토글루타르산 탈수소효소 복합체 작용 산화적 탈탄산화 숙시닐 CoA, NADH를 생성
• 산화에 의해 생성된 에너지는 숙시닐 CoA의 티오에스테르 결합으로 저장
• Mg+, TPP, 리포산, FAD, NAD+, 조효소 A가 보조인자로 작용
(5) 5단계 : 숙시닐 CoA 합성효소에 의한 숙시닐 CoA의 분해
• 숙시닐 CoA가 가수분해로 숙신산이 됨 → 방출되는 에너지를 이용 → 고에너지 인산무수물인 GTP나 ATP
를 생성
• 동물은 GTP나 ATP를 생성시키는 두 종류 효소 모두를 가짐
• 식물은 ATP만을 생성시키는 효소를 가짐
• GTP는 뉴클레오시드 이인산 키나아제에 의해 ATP로 전환
• 고에너지화합물인 기질이 가지고 있는 에너지를 이용 → 직접적으로 인산화와 짝지어져 ATP나 GTP를 생성
시키는 작용 → 기질수준 인산화
※ 산화적 인산화 : 환원형 조효소인 NADH나 FADH2가 산소에 전자가 전달되는 동안 방출되는 에너지를
이용하여 ATP를 생성시키는 방법
• 세포에서 대부분의 ATP 생성은 산화적 인산화 과정임

(6) 6단계 : 숙신산 탈수소효소에 의한 숙신산의 산화
• 숙신산 탈수소효소에 의해 숙신산 → 푸마르산으로 산화
• 조효소는 FAD를 사용 → FADH2 생성
• 미토콘드리아 내막에 내재 단백질로 존재, 철-황구조를 가짐
• 말론산은 숙신산과 구조가 비슷하여 억제제로 작용 → 구연산회로 차단 → 독성을 나타냄
(7) 7단계 : 푸마르산 수화효소에 의한 푸마르산의 수화

• 푸마르산 + 물 → L-말산 생성
• 푸마르산 수화효소가 촉매작용을 함
• 생성물인 말산은 입체이성질체 중 L-형만이 생성됨
(8) 8단계 : 말산 탈수소효소에 의한 말산의 산화
• 말산 탈수소효소에 의해 → 옥살로아세트산(OAA)로 산화
• 조효소는 NAD+가 산화제로 작용 → NADH 생성
• 마지막 반응으로 첫 반응에 필요한 OAA를 재생시킴
• 정반응으로 일어날 수 있는 이유는 OAA농도가 낮기 때문

 

2) 구연산회로의 특징
• 구연산회로가 한번 순환할 때마다 2C인 아세틸 CoA가 투입되는 대신 두 분자의 CO2가 방출됨
• 아세틸 CoA에 존재한 탄소가 빠져나가는 것이 아니라, OAA에 있던 탄소가 빠져나가는 것임
• 아세틸 CoA를 구성하던 탄소는 적어도 두 번 이상의 구연산회로가 순환되어야 CO2가 방출됨
• 구연산회로는 4번의 산화환원 과정이 일어남
- 3번의 산화과정은 NAD+, 1번은 FAD가 일어남

3) 구연산회로의 에너지 생산
• 에너지 생산은 기질수준 인산화로 1 GTP(또는 ATP)를 생성
• 3개의 NADH, 1개의 FADH2가 생성 → 전자전달계를 통과 → 산화적 인산화 NADH는 2.5 ATP, FADH2는
1.5 ATP를 생성
• 1개의 아세틸 CoA는 10개의 ATP, 1개의 피루브산은 12.5 ATP를 생성함

 

4. 구연산회로의 조절

• 생물체는 대사작용의 속도를 조절 → 에너지가 필요할 때 이용 & 일정한 농도를 유지
• 세포의 에너지 상태는 ATP-ADP, NADH-NAD+, 아세틸 CoA-CoASH, 숙시닐 CoA-CoASH의 비율로 측정
비율에 의해 구연산회로 조절됨
• 아세틸 CoA, 숙시닐 CoA ↑ → 에너지를 글리코겐, 지방산, 아미노산, 뉴클레오티드 등의 생합성과 세포분
열 등으로 사용
• ADP, AMP, NAD+, CoASH ↑ → 영양소산화 고에너지화합물 재충전
• 대사작용의 조절 효소 : 다른자리입체성 조절인자에 의한 기전, 공유결합 변형(인산화에 의한 기전)
• 구연산회로에 조절에 관여하는 효소 4가지
- 피루브산 탈수소효소 복합체
- 구연산 생성효소
- 이수구연산 탈수소효소
- α-케토글루타르산 탈수소효소 복합체

 

1) 피루브산 탈수소효소 복합체
(1) 다른자리입체성 조절인자에 의한 조절
• 구연산회로의 조절은 아세틸 CoA가 공급되는 피루브산 탈수소효소복합체의 작용으로부터 시작
• 이 반응의 생성물인 아세틸 CoA와 NADH는 되먹임 억제를 통해 음성 조절인자로 작용
• 지방산은 β-산화를 하여 많은 아세틸 CoA를 생성하므로 피루브산의 산화를 억제시킴
• 에너지 상태가 높은 ATP도 음성 조절인자로 작용
• 에너지 상태가 낮은 AMP, CoASH, NAD+, Ca2+은 양성조절인자로 작용 → 구연산회로를 촉진 → 에너지 충
전시킴
(2) 공유결합 변형(인산화)에 의한 조절

• 피루브산 탈수소효소 키나아제에 의해 일어남 → 인산화 → 활성이 적음
• 탈인산화는 피루브산 탈수소효소 인산가수분해효소(인산기를 제거하는 탈인산화를 촉매하는 효소)로 일어남
→ 효소활성이 큼
• 피루브산 탈수소효소 키나아제 → 아세틸 CoA, NADH, ATP에 의해 활성화 됨
• 근육수축에 필요한 Ca2+은 수축에 필요한 에너지를 낼 수 있도록 양성적 조절인자로 작동 → 구연산회로에
아세틸 CoA를 공급
• 공유결합의 변형은 호르몬에 의해 영향을 받음
(예) 인슐린
2) 구연산 생성효소
• 다른자리 입체성 조절인자에 의함
• 에너지 상태가 높은 NADH, ATP, 숙시닐 CoA가 음성적 조절인자로 작용
• 생성물(구연산)은 되먹임 억제형태로 구연산 생성효소를 억제

 

3) 이소구연산 탈수소효소
• 다른자리입체성 조절인자에 의함
• ATP : 음성 조절인자
• ADP & Ca2+ : 양성 조절인자

 

4) α-케토글루타르산 탈수소효소 복합체
• 공유결합 변형 기전 → 인산화-탈인산화에 의해 조절되지 않음
• 다른자리입체성 조절 인자로만 조절
• 숙시닐 CoA, NADH : 음성조절인자
• Ca2+ : 양성조절인자
• NADH/NAD+ 비율 ↑ → 모두 억제
• 구연산회로 & 해당과정의 속도가 균형을 이루도록 유지시킴
• ATP & NADH 농도 ↑ → 구연산회로 & 해당과정 억제
• 구연산은 PFK-1의 음성 조절인자 → 균형 맞춤

 

5. 구연산회로의 동화작용
• 구연산회로는 이화작용뿐만 아니라 다른 물질을 생합성하는 전구체 역할 → 동화작용 역할도 함
• 이화작용 & 동화작용 양방향(amphibolic)으로 작용함
• 중간대사물이 회로로부터 나옴 → 지방산, 여러 아미노산, 뉴클레오티드 및 포르피린 등 생체분자의 탄소골
격이 됨 → 이들을 합성함
1) 동화작용의 예
• 생합성으로의 역할
• α-케토글루타르산은 아미노기 전이반응에 의해 → 글루탐산(글루타민, 프롤린, 아르기닌의 전구체) & 퓨린
의 탄소골격 일부를 공급함
• 옥살로아세트산(OAA)은 아미노기전이반응에 의해 → 아스파르트산(아스파라긴, 메티오닌, 리신, 트레오닌,
피리미딘 합성의 전구체)
• 옥살로아세트산(OAA) → 포스포엔올피루브산(PEP)으로 전환 → 페닐알라닌, 타이로신, 트립토판 합성 전구
체 & 당신생과정을 통하여 포도당, 세린, 글리신 아미노산으로도 전환이 가능함
• 숙시닐 CoA : 헤모글로빈, 미오글로빈 및 시토크롬을 구성하는 헴과 엽록소를 구성하는 포르피린의 생합성
시 전구체 역할

• 구연산 : 구연산 분해 효소 작용 → OAA. 아세틸 CoA(지방산 합성 전구체로 이용)로 분해

 

2) 보충반응
• 중간대사물이 회로에 빠져나감 → OAA 농도 ↓ → 에너지를 생산하는 구연산회로의 이화작용(아세틸 CoA
산화작용) ↓
• 생물체는 보충반응을 통해 이를 해결함

(1) 피루브산 카르복실화효소에 의한 보충반응
• 피루브산 카르복실화효소에 의해 OAA로 전환
• 포유동물에서 가장 중요한 보충반응
• 효소는 간, 신장의 미토콘드리아에 존재
• ATP 에너지 이용, 조효소로 비오틴과 보조인자 Mg2+필요함
• 반응 가역적, 아세틸 CoA가 양성조절인자로 작용하기 때문
• 아세틸 CoA 많으면 → OAA 생성 증가 → 구연산 생성 촉진
(2) 포스포엔올피루브산 카르복시키나아제에 의한 보충반응
• PEP로부터 OAA를 생성시키는 보충반응을 촉매함
• 가역적 반응
• 효소가 CO2보다 OAA에 친화도가 훨씬 큼
• PEP 생성은 당신생경로에서도 볼 수 있음
(3) 말산효소에 의한 보충반응
• 피루브산은 말산효소에 의해 말산으로 전환
• 효소는 미토콘드리아와 세포질에 각각 존재함
• 세포질에 있는 효소는 지방산 등의 생합성에 필요한 NADPH를 공급하는데 주로 작용함

 

6. 글리옥실산회로(glyoxylate cycle)

• 고등식물과 조류 및 여러 박테리아 : 아세트산을 에너지원으로 사용
• 탄수화물, 아미노산을 합성하는 데 전구체로 이용가능함
• 척추동물은 아세틸 CoA로부터 포도당 합성 할 수 없음
- 이유 : 아세틸 CoA를 생성시키는 과정이 비가역적이고 PEP로 되지못함 → 당신생경로가 일어나지 못하
기 때문
• 척추동물 외에 일부 생물체에서는 구연산회로가 일부 변형된 글리옥실산회로의 효소를 갖고 있어 지방산으
로부터 탄수화물 합성이 가능함
- 식물: 글리옥시좀이라는 세포소기관에서 일어남
- 박테리아 : 세포질에서 일어남
• 글리옥실산회로는 5개의 반응으로 구성됨
- 1,2 반응 → 구연산회로의 작용과 같음
- 3,4 반응 → 구연산회로에 없고, 글리옥실산회로를 구성함
- 5 반응 → 구연산회로의 반응과 같음

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<확인문제>

문제 1. 피루브산이 구연산 회로로 들어갈 때 제일 먼저 변하는 물질로 옳은 것은?
① 아세틸 CoA
② 젖산
③ 구연산
④ 푸마르산

정답 ①

 

문제 2. 피루브산의 산화적 탈탄산 반응에 참여하는 인자로 옳은 것은?
① NAD+, FAD, 엽산
② NAD+, FAD, FMN
③ NAD+, FAD, TPP
④ NADP+, FAD, CoA-SH
정답 ③

 

문제 3. 해당과정에서 포스포프룩토키나아제(phosphofructokinase, PFK-1)의 활성을 저해하는 물질로 옳은
것은?
① ATP, AMP
② ATP, 아세틸 CoA
③ ADP, AMP
④ ATP, 구연산
정답 ④

 

문제 4. 구연산회로에서 숙신산(succinate)이 푸마르산(fumarate)으로 산화될 때 산화제 역할을 하는 보조효
소는 무엇인가?
① TPP
② FAD
③ PLP
④ NADP+
정답 ②

 

문제 5. 다음 중 구연산회로에서 기질수준 인산화반응이 일어나는 과정은 무엇인가?
① 이소구연산 → α-케토글루타르산
② 숙시닐 CoA → 숙신산
③ 푸마르산 → 말산
④ 구연산 → 이소구연산
정답 ②

 

문제 6. 미토콘드리아에서 일어나는 ATP 생성반응은 어느 방법을 통해 이루어지는가?
① 산화적-카르복실화반응
② 산화적-수소화반응
③ 산화적-인산화반응
④ 산화적-탈수소반응
정답 ③

 

문제 7. 스테아르산은 탄소수가 18개인 포화지방산이다. 이 스테아르산이 완전히 산화될 때 몇 회의 β-산화
과정과 몇 개의 아세틸 CoA가 구연산회로를 통과하는지 순서대로 표시한 것은?
① 9 - 8
② 8 - 9
③ 9 - 9
④ 8 - 8
정답 ②

 

문제 8. 한 분자의 아세틸 CoA가 1회의 구연산회로를 거치는 경우 생성되는 총 이산화 탄소의 수는 몇 분자인가?
① 이산화탄소: 1
② 이산화탄소: 2
③ 이산화탄소: 3
④ 이산화탄소: 4
정답 ②

 

문제 9. 글리옥실산 회로에 대한 설명으로 올바른 것은?
① 구연산회로를 달리 부르는 말이다.
② 지방산으로부터 탄수화물 합성이 가능한 회로이다.
③ 8개의 반응으로 구성되어 있다.
④ 처음 세 반응은 구연산회로의 작용과 같으나 이후 반응은 구연산회로와 다르다.
정답 ②