[생화학] 15.2 : pyruvate to acetyl CoA

 

 

이번 포스트에서는 본격적으로 citric acid cycle로 들어가기 전 필수적으로 일어나야 하는, pyruvate에서 acetyl CoA로의 전환반응에 대해 알아보자.

 

 

 

위 그림에 이 반응이 간단히 요약되어 있음. 위 그림을 봐도 알 수 있는 것처럼 이 반응에서는 pyruvate가 dehydrogenation되고(즉, oxidation되고), decarboxylation됨. 따라서 이 반응을 oxidative decarboxylation이라 부르기도 함. 이 반응을 촉매하는 효소는 pyruvate dehydrogenase complex인데, 이 complex는 enzyme의 cluster에 해당하며 주요한 3개의 enzyme이 여러 copy 모여서 complex가 구성되어 있음. (참고로 그 밖에 각각의 enzyme을 regulate해줄 수 있는 enzyme들도 이 complex에 같이 포함되어 있음) 한편 이 complex는 총 5개의 coenzyme을 필요로 하는데, TPP, lipoyllysine, FAD와 같은 prosthetic group과 NAD+, CoA-SH와 같은 co-substrate가 바로 그것임.

 

 

이런 coenzyme의 대부분은 vitamin으로부터 유래했는데, 예를 들어 TPP는 Thiamine(vitamin B1)으로부터, FAD는 riboflavin으로부터, NAD는 niacin으로부터 유래되었음. 그 밖에 CoA의 구성요소인 Pantothenate도 비타민으로부터 유래됨. (참고로 쌀의 껍질에 vitamin B1이 많이 함유되어 있으므로 polished rice만을 너무 많이 섭취하면 vitamin B1 결핍증이 유발될 수 있음)

 

+) TPP는 이 반응 이외에, 앞서 살펴봤던 ethanol fermentation에서의 첫 반응에 관여하는 효소인 pyruvate decarboxylase에서도 coenzyme으로 작용했었음.

 

 

 

위 그림은 coenzyme A의 구조를 나타내 보여주고 있음. 보면 ribose 3-phosphate와 adenine, 그리고 2개의 인산기로 이루어진 3-phosphoadenosine diphosphate에 pantothenic acid가 달려있고, 이어서 β-mercapto-ethylamine이 달려있는 형태임. 이 때 끝부분에 있는 thiol group이 reactive group임. 한편 acetyl-CoA가 형성되게 되면 방금 봤던 CoA가 달라붙으면서 thioester bond가 생김. 그런데 이 bond는 매우 reactive하고 따라서 acetyl-CoA 분자가 만들어지면 이 분자는 activation되었다고 보아도 무방함.

 

 

 

 

다음으로 위 그림은 앞서 조효소 중 하나라고 했었던 Lipoyllysine의 구조를 나타내 보여주고 있음. 이 때 pyruvate dehydrogenase complex(PDC) 내부의 E2 enzyme, 그 중에서도 Lys residue에 Lipoic acid가 붙어있음. 그런데 이 Lipoic acid의 끝 부분에 이황화결합이 형성된 oxidized form에서, 전자가 들어가게 되면 reduced form으로 바뀌게 됨. 더 나아가 reduced form에서 위쪽 SH에 acetyl group이 옮겨붙을 수 있음. 이렇게 옮겨붙은 acetyl group은 나중에 CoA로 전달되어 acetyl-CoA 생성에 관여하고, S가 받은 전자는 FADH2로 전달됨.

 

 

다음으로 PDC에 대해 조금 더 알아보자. PDK는 10MDa정도의 크기이며 multienzyme complex임. 이 녀석의 내부에는 E1(pyruvate dehydrogenase), E2(dihydrolipoyl transacetylase), E3(dihydrolipoyl dehydrogenase)가 존재하며, 그 밖에 이들 enzyme을 regulation시켜줄 수 있는 protein kinase, phoshpoprotein phosphatase도 존재함. 그리고 흥미롭게도, 이 때 각 enzyme들이 multiple copy로 complex를 형성하게 됨. 그러다 보니 mammal에서는 PDC의 diameter가 50nm 정도나 됨.

 

 

그렇다면 PDC가 multienzyme complex로 존재할 때의 장점은 무엇일까. 다양한 장점이 있는데, 예를 들어 각 enzyme들이 인접해 있기 때문에 반응이 매우 용이하게 일어날 수 있으며(substrate channeling), 반응물의 유효농도도 적다는 장점이 있음. 게다가 product가 다른 곳으로 diffuse하기 전에 다음 반응이 일어나므로 side reaction으로 잘 빠져나가지 않는다는 장점도 있음. 그 밖에 PDC 전체를 regulation해줄 시 각 element enzyme들을 한번에 regulation해줄 수 있다는 것도 장점임.

 

 

 

 

위 그림은 실제로 Cryo-EM을 통해 밝혀낸 PDC의 구조임. 보면 바깥쪽에 E1이, 그 안에 E2가, 그리고 맨 안쪽에 E3가 위치하고 있음. 이 중 앞서 살펴봤던 Lipoyllysine은 위 그림상에서 하늘색으로 나타나 있으며, E2에서 바깥쪽으로 뻗어나가는 모양으로 분포되어 있음.

 

 

 

 

위 그림에는 PDC에서 일어나는 구체적인 일들이 묘사되어 있음. 하나하나 살펴보자. 우선 pyruvate는 E1에 있는 TPP와 반응하게 되는데, 그 결과 CO2가 방출되고 남은 2개의 C backbone은 TPP에 결합한 상태로 존재함. (이 때의 반응 mechanism은 앞서 ethanol fermentation 시 봤던 TPP의 작동 mechanism과 거의 유사함) 다음으로 이 상태의 TPP가 다시 원래대로 돌아가는 과정에서 E2에 있는 lipoyllisine에 전자와 함께 acetyl group을 넘겨주게 됨. 그러면서 lipoyllysine은 reduced, acetylated된 상태로 변하게 됨. 이후 여기에 붙어있던 acetyl group이 CoA-SH로 전달되어 acetyl CoA가 생기게 됨. 한편 이후 남은 reduced lypoyllysine은 다시 oxidized form으로 돌아가게 되는데, 이 때 E3에 있는 FAD에 전자를 2개 전달해주게 됨. 그 결과 FADH2가 생기게 됨. 한편 다시 FADH2가 FAD로 돌아가는 과정에서 NAD+가 전자를 받게 되고 그 결과 NADH가 생김.

 

 

정리하자면 이 반응을 통해 pyruvate, CoA-SH가 들어가서 CO2, NADH, acetyl-CoA가 생기게 됨.

 

 

 

 

위 그림에는 방금 살펴봤던 반응의 조금 더 자세한 mechanism이 나타나 있음. 우선 위 그림 왼쪽 가운데에서 출발해보자. 보면 TPP, 그 중에서도 thiazolium ring에 있는 carbanion이 pyruvate를 공격하고, 그 결과 TPP에 pyruvate가 연결된 형태가 됨. 이후 decarboxylation이 일어나며 남은 2개 C 중 하나가 carbanion이 되게 됨. 이 carbanion이 E2에 있는 lipoyllysine 내부 S를 공격하게 되고 결과적으로 하나의 S는 SH로 환원된, 그리고 나머지 하나의 S는 C와 연결된 구조가 형성되게 됨. 이후 이 녀석이 다시금 E1에 있는 base의 도움을 받아 TPP와 acetyl lipoamide로 분리되게 됨. (참고로 lipoyllysine과 lipoamide는 같은 것으로 볼 수 있음) 이어서 E2가 가지고 있는 transacetylase activity에 의해서 CoA-SH로 acetyl group이 transfer되게 되고 그 결과 acetyl CoA와 reduced lipoamide가 형성되게 됨. 그리고 reduced lipoamide가 oxidized lipoamide로 변환되는 과정에서 전자가 방출되게 되는데, 이 때 E3에 있는FAD가 FADH2로 변하게 됨. 이어서 FADH2로부터 전자를 받은 NAD+는 최종적으로 NADH로 변하게 됨.

 

 

 

 

 

위 그림에는 PDC 내부의 효소들에서 어떤 반응들이 일어나는지가 다시금 정리되어 있음. 참고로 step 1에 해당하는, pyruvate가 aldehyde로 decarboxylation되는 과정이 가장 느리며 rate-limiting step임.

 

 

 

다음 포스트부터는 본격적으로 citric acid cycle의 각 반응들에 대해 자세히 알아보자.