[생화학] 15.3 : TCA 회로(TCA cycle, citric acid cycle) 각론 - 1

 

 

이번 포스트부터는 citric acid cycle(CAC)의 각 반응들에 대해 자세히 알아보자.

 

 

 

 

CAC의 모식도는 위와 같음. 보면 크게 8개의 step으로 이루어져 있음. 우선 2탄소 화합물인 acetyl-CoA가 4탄소 화합물인 oxaloacetate와 만나서 6탄소 화합물인 citrate가 됨. 이 때 물이 들어가고 CoA-SH가 빠져나오게 됨. (이 축합반응은 Claisen condensation의 일종임)

 

이후 citrate는 aconitase라는 효소의 도움을 받아 dehydration된 이후 다시 rehydration되게 되는데, 이 과정에서 이중결합이 생겼다 다시 없어지며 OH의 위치가 한칸 내려가 isocitrate가 만들어지게 됨. 이후 이렇게 만들어진 isocitrate는 isocitrate dehydrogenase에 의해 oxidative decarboxylation되면서 α-ketoglutarate가 됨. 이 과정에서 CO2가 한 분자 방출됨.

 

다음으로 α-ketoglutarate가 다시금 α-ketoglutarate dehydrogenase complex에 의해서 oxidative decarboxylation되면서 succinyl-CoA가 됨. 이 과정에서 CoA-SH가 들어가고 CO2가 방출됨. 그리고 중요한 것은, 방금의 연속된 두 oxidative decarboxylation 과정에서 한 분자씩의 NADH가 만들어진다는 것임.

 

이어서 succinyl-CoA는 내부에 high energy의 thioester를 가지고 있으므로 이 분자가 succinyl-CoA synthetase에 의해 succinate로 바뀌는 과정에서 GTP 한 분자가 생성되고 CoA-SH는 빠져나가게 됨. 뒤이어 succinate는 fumarate로 dehydrogenation되는데, 이 과정에서 FADH2가 생산됨.

 

그리고 이 과정에 관여하는 효소인 succinate dehydrogenase는 앞서 설명했듯이 CAC에서 작용하는 효소 중 유일하게 mitochondrial inner membrane에 존재하고 있음. 한편 이어서 fumarate는 fumarase에 의해 hydration되게 되는데, 이 과정에서 물이 들어가며 그 결과 malate가 생성됨. 이어서 malate는 malate dehydrogenase에 의해 oxaloacetate로 변함. 이 과정에서 한 분자의 NADH가 더 생산됨. 이런 변환의 과정이 CAC의 한 cycle임.

 

 

 

 

pyruvate가 CAC를 거치는 과정을 생각해보면, 총 3개분의 탄소가 CO2로 빠져나감. 즉, 갯수의 관점에서 이 과정을 통해 한 분자와 identical한 양의 C가 CO2로 분해되는 것임.

 

 

 

 

위 그림에는 방금까지 설명했던 반응들이 요약되어 나타나 있으므로 참고할 것.

 

 

 

 

이제 각각의 반응들에 대해서 자세히 살펴보자.

 

 

 

 

첫번째 반응은 위와 같음. 이 때 작용하는 효소는 citrate synthase이며, 이 반응의 ΔG'o는 -32.2kJ/mol임. 한편 이 반응의 기질 중 하나인 oxaloacetate는 mitochondria내에서 상당히 소량만이 존재하고 있기 때문에 이 반응의 실제 ΔG는 더 낮을 것으로 생각됨. 그 밖에, 실제로 acetyl-CoA상에 있는 methyl group이 oxaloacetate의 탄소와 연결되게 되는 반응이 일어나야 하는데, 사실 이 methyl group은 그냥은 그다지 nucleophilic하지 않음. 따라서 methyl group에 포함된 하나의 proton이 떨어져나가는 반응이 일어나야 위와 같은 condensation이 일어날 수 있음.

 

 

citrate synthase에 의해 매개되는 반응은 citric acid cycle 내에서 유일하게 C-C bond가 formation되는 반응임. 이 반응은 acid/base catalysis 반응이며, 전체 citric acid cycle 반응의 rate limiting step임. 이 반응의 activity는 oxaloacetate의 농도에 매우 dependent하게 변화함. 그리고 전체적으로 이 반응은 열역학적으로 favorable하고 irreversible함.

 

 

이 반응은 oxaloacetate의 availability에 따라, 그리고 product의 농도에 따라 정교하게 regulation됨.

 

 

 

 

위 그림에는 citrate synthase의 구조가 나타나 있음. 이 녀석의 구조를 보면 homodimer의 형태임을 알 수 있는데, open conformation일 때는 oxaloacetate만 효소에 결합할 수 있다가 일단 oxaloacetate가 결합하고 나면 구조가 closed conformation으로 바뀌면서 acetyl-CoA도 결합할 수 있게 됨.

 

 

이제 이 첫번째 반응의 mechanism에 대해 상세히 알아보자.

 

 

 

 

우선 위 그림과 같이 citrate cynthase의 active site를 보면, 375번 Asp, 274번 His, 320번 His가 중요하게 작용하게 됨. 한편 375번 Asp가 acetyl-CoA의 H를 때내버리게 되고, 그 결과 enol intermediate가 만들어짐.

 

 

 

 

그 다음에 His의 N에서부터 전자가 H로 전달되며 relay의 전자 전달이 이루어지고, 이 과정에서 oxaloacetate로 전자가 절달되어서 공유결합이 형성됨. 그 결과 위 그림 아래와 같은 Citroyl-CoA가 만들어짐.

 

 

 

이후에 Citroyl-CoA에 물이 들어가고 CoA-SH가 빠져나가면서 thioester의 hydrolysis가 일어나고 그 결과 citrate가 형성됨.

 

 

 

이제 그 다음 반응으로 넘어가보자.

 

 

 

 

다음 반응은 위와 같음. 보면 citrate가 aconitase에 의해 dehydration되면서 cis C=C가 형성되었다가, 다시 aconitase에 의해서 rehydration되면서 이중결합이 풀리는 과정에서 OH의 위치가 바뀌는 isomerization이 일어나게 됨. 이 반응의 ΔG'o는 13.3kJ/mol로 reversible한 반응에 해당함.

 

 

이 반응에 관여하는 Aconitase라는 효소는 dehydration 과정에서 cis C=C bond를 만들어내는 효소임. 이 반응의 substrate인 tertiary alcohol인 citrate는 oxidation의 poor substrate이고, 그러다 보니 이 반응을 통해 OH의 위치를 바꿔줘서 조금 더 oxidation을 하기에 좋은 substrate에 해당하는 secondary alcohol인 Isocitrate를 만들어주게 되는 것임. 한편 이 반응은 기본적으로 unfavorable하고 reversible함. 다만 product concentration이 계속 적은 채로 유지되고 있으므로 반응이 앞으로 나아가게 됨.

 

 

 

 

위 그림에 나타나 있는 것은 aconitase의 active site임. 보면 이곳에는 흥미롭게도 붉은색으로 표현된 Iron-sulfur center가 존재하고 있으며 이 녀석이 active site 내에 있는 Cys 3개와 상호작용 하고 있는 상황임. 한편 citrate의 O가 Iron-sulfur center의 Fe와 상호작용을 하면서 더 안정화되게 됨.

 

 

 

다음 포스트에서 이어서 살펴보자.