[생화학] 16.2 : 지방 및 지질의 catabolism - 2

 

 

이번 포스트부터는 fatty acid의 본격적인 oxidation 반응에 대해 알아보자.

 

 

fatty acid oxidation 반응은 크게 3가지 stage로 나눌 수 있는데,

 

stage 1에서는 β oxidation(베타 산화)에 의해 acetyl-CoA가 만들어지고, 한번 cleavage될 때마다 1분자씩의 NADH, FADH_2가 만들어지게 됨.

 

한편 stage 2에서는 acetyl-CoA가 citric acid cycle을 통해 CO2로 분해되고 그 과정에서 acetyl-CoA 하나당 3분자의 NADH와 1분자의 FADH2가 만들어지게 됨.

 

stage 3에서는 앞서 만들어진 NADH, FADH2가 전자를 respiratory chain으로 전달해 ATP가 만들어지게 됨.

 

 

 

 

위 그림에는 실제 예시로 16분자의 C로 이루어진 fatty acid가 oxidation되는 과정이 나타나 있음. 이 때 16C의 fatty acid는 β-oxidation에 의해 총 7번 끊어질 것이므로 이 과정에서 전달되는 전자의 수는 7 x 4 = 28이 될 것임. 한편 그 결과 8분자의 acetyl-CoA가 만들어짐. 일반적으로 한 분자의 acetyl-CoA가 citric acid cycle을 돌게 될 시 8개의 전자가 NADH, FADH2로 전달되므로 8분자의 acetyl-CoA에 의해 총 8 x 8 = 64개의 전자가 전달되게 됨. 이후 electron acceptor인 NADH, FADH2가 respiratory (electron-transfer) chain에 전자를 전달해주면서 결과적으로 ATP가 합성됨.

 

 

 

위 그림에는 순서대로 palmitoyl-CoA가 한번 β-oxidation 되었을 때, 전부 β-oxidation되었을 때, 만들어진 acetyl-CoA가 citric acid cycle로 들어갔을 때, palmitoyl-CoA가 완전히 산화되는 반응 전체에서의 반응식이 나타나 있으므로 참고할 것.

 

 

 

 

위 표에는 각 반응에서 만들어지는 energy 양이 나타나 있음. 참고로 이 때 FADH2 분자 1개당 1.5ATP를, NADH 분자 1개당 2.5ATP를 만들어낸다는 가정하에 계산을 수행할 시 palmitoyl-CoA 한 분자가 완전히 산화될 시 108개의 ATP가 만들어짐. 다만, palmitate에 CoA를 붙이는 과정에서 처음에 ATP가 AMP와 pyrophosphate로 분해되는 반응이 수반되는데, 이 때의 반응을 ATP 2개가 ADP로 바뀌는 반응과 거의 identical하게 볼 수 있으므로(왜냐하면 P 2개가 떨어져나가기 때문) 알짜 ATP 생산량을 106개로 보기도 함.

 

 

 

 

 

위 그림 (a)에는 β-oxidation의 과정이 조금 더 자세하게 나타나 있음. 하나하나 살펴보자.

 

 

우선 acyl-CoA dehydrogenase에 의해서 α, β carbon이 dehydrogenation되고 그 결과 trans-Δ2-enoyl-CoA가 만들어지게 됨. (보면 α, β carbon 사이에 이중결합이 형성된 화합물이 형성됨) 이 과정에서 FADH2가 한 분자 만들어지는데, 이렇게 만들어진 FADH2는 다시금 ETF(electron-transferring flavoprotein)에 2개의 전자를 전달하게 됨. 이후 ETF는 respiratory chain으로 전자를 공급하게 됨.

 

 

한편 trans-Δ2-enoyl-CoA에 물이 첨가되는 반응이 enoyl-CoA hydratase에 의해서 촉진되고, 그 결과 L-β-hydroxy-acyl-CoA가 만들어짐. (이 녀석의 구조를 보면 β carbon에 OH기가 만들어졌음을 알 수 있음) 이후 L-β-hydroxy-acyl-CoA는 β-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase에 의해서 dehydrogenation되어서 β-ketoacyl-CoA가 됨. 이 녀석의 구조를 보면 β carbon에 붙어있던 OH가 carbonyl로 oxidation되었음을 알 수 있음. 이 과정에서 NADH 한 분자가 생성되며, 이후 이 녀석은 respiratory chain으로 전자를 전달하게 됨.

 

 

이런 과정을 거쳐서 β carbon에 carbonyl group이 만들어지게 되면 이 탄소가 oxidation된 꼴이 되며, 결국 이 탄소가 더 electrophilic해져서 공격을 받기 쉬워짐. 그 상태에서 CoA-SH가 올 시 acyl-CoA acetyltransferase(thiolase)의 촉진을 받아서 nucleophilic attack이 일어나서 2개 C만큼 짧아진 fatty acid와 acetyl-CoA가 만들어지게 됨.

 

 

 

이런 과정이 (b)와 같이 계속 반복되면서 결국 여러 분자의 acetyl-CoA가 만들어지게 됨.

 

 

 

 

 

 

그런데 흥미롭게도, 위 그림상에서도 나타난 것과 같이 β oxidation의 반응 과정이 마치 citric acid cycle에서 succinate→fumarate→malate로 변화하는 과정과 비슷함을 알 수 있음. 보면 우선 dehydrogenation이 한 번 일어나 이중결합 화합물이 만들어지며 동시에 FADH2가 만들어지고, 이후 물이 첨가되며 OH group이 생기고, 마지막으로 dehydrogenation이 한번 더 일어나며 carbonyl group이 생기고 동시에 NADH가 생기는 일이 거의 비슷하게 일어남.

 

 

 

 

이와 관련된 그림이 위와 같음. 보면 β oxidation, citric acid cycle, isoleucine, leucine, valine 등의 oxidation 과정이 거의 비슷한 식으로 진행됨을 알 수 있음.

 

 

 

다음 포스트부터는 지금까지 간단히 살펴본 이들 반응들 각각에 대해 조금 더 자세히 알아보자.