[생화학] 16.2 : 지방 및 지질의 catabolism - 3

 

 

 

이번 포스트부터는 이전 포스트에서 살펴본 반응 각각에 대해 조금 더 자세히 알아보자.

 

 

우선 첫 step에서는 alkane이 alkene으로 dehydrogenation되는 반응이 일어나게 됨. 이 때 작용하는 효소는 acyl-CoA dehydrogenase(AD)이며, 이 효소는 inner mitochondrial membrane에 위치하고 있음. 흥미롭게도 AD에는 다양한 isoform이 있는데, 12-18개 탄소 길이의 fatty acid를 substrate로 받는 very-long-chain AD, 4-14개 탄소 길이의 fatty acid를 substrate로 받는 medium-chain AD, 4-8개 탄소 길이의 fatty acid를 substrate로 받는 short-chain AD가 바로 그것들임.

 

 

 

이 효소의 작용 결과 trans double bond가 만들어지는데, 자연상에서 unsaturated fatty acid에 존재하는 이중결합은 cis form이나 이 때 만들어지는 이중결합이 trans form이라는 것을 주목할 필요가 있음. 이런 trans double bond는 cis와는 달리 fatty acid를 굽게 만들지 않으며, 그러다 보니 다음 반응에 대한 효소가 이 trans double bond 구조만을 specific하게 인지할 수 있음.

 

 

 

 

위 그림에는 FAD의 구조가 나타나 있음. 특히 그림 위쪽 상에 FAD가 어떻게 전자 2개를 수용할 수 있는지에 대한 구조적인 모식도가 나타나 있으므로 참고할 것.

 

 

다음으로 두 번째 step에서는 alkene의 hydration이 일어나게 됨. 이 때 작용하는 효소는 enoyl-CoA hydratase이며, 이 효소에는 2개의 isoform이 있음. 첫 번째 isoform은 soluble하게 존재하는 short-chain hydratase(crotonase)이며 두 번째 isoform은 membrane에 붙어서 존재하는 long-chain hydratase임. 이 long-chain hydratase는 trifunctional complex의 구성요소에 해당함. (이에 대해서는 뒤이어 조금 더 자세히 살펴볼 것임) 이 반응에서는 double bond에 water가 추가되며 그 결과 double bond가 사라지고 β carbon 부분에 OH가 첨가되게 됨.

 

 

 

다음으로 세 번째 step에서는 alcohol의 dehydrogenation이 일어남. 이 때 작용하는 효소는 β-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase이며 이 효소는 NAD를 cofactor로 가짐. 이 NAD는 반응이 일어나게 될 시 hydride를 받아서 reduction됨. 흥미롭게도 이 효소는 오직 substrate의 L-isomer만을 substrate로 받아서 반응을 진행시키는 특징이 있음.

 

 

 

마지막으로 네 번째 step에서는 fatty acid chain에서부터 acetyl-CoA가 release되는 일이 일어남. 이 때 작용하는 효소는 acyl-CoA acetyltransferase(thiolase)이며, 이 때 일어나는 반응에서 β-ketoacyl-CoA는 electrophile로, CoA-SH에서의 thiolate는 nucleophile로 작용해 nucleophilic reaction이 일어난 결과 fatty acid로부터 acetyl-CoA가 분리되어 나오게 됨.

 

 

 

 

 

다음으로 앞서 중간에 잠시 언급되었던 trifunctional protein에 대해 알아보자. trifunctional protein은 inner mitochondrial membrane에 붙어 존재하는 enzyme complex로, hetero-octamer의 일종임. 이 녀석은 다시 4개의 α subunit과 4개의 β subunit으로 나눌 수 있는데, α subunit은 enoyl-CoA hydratase activity, β-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase activity를 가지며, 그 밖에 trifunctional protein이 inner mitochondrial membrane에 붙어서 존재할 수 있도록 해줌. 한편 β subunit은 long-chain thiolase activity를 가짐. 따라서 결국 12개, 혹은 그보다 더 긴 길이의 fatty acid의 β oxidation 과정에 필요한 효소활성을 다 가지고 있고, 그러다 보니 reaction이 효율적으로 일어날 수 있게끔 해줌. 물론 12개보다 더 짧은 길이의 fatty acid들의 경우 matrix 내에 존재하는 soluble enzyme에 의해서 β oxidation됨.

 

 

 

 

 

위 그림에는 trifunctional protein의 각종 다양한 형태들이 나타나 있음. (enzyme 1은 acyl-CoA dehydrogenase, enzyme 2는 enoyl-CoA hydratase, enzyme 3는 L-β-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase, enyme 4는 thiolase, enzyme 5는 D-3-hydroxyacyl-CoA epimerase, enzyme 6는 Δ3, Δ2-enoyl-CoA isomerase에 해당함)

 

 

우선 (a)와 같이 gram-positive bacteria, 혹은 mitochondria matrix에서 작용하는 short-chain-specific system의 경우 oxidation에 관여하는 4개의 효소가 다 soluble하게 존재하고 있음. 한편 (b)와 같이 gram-negative bacteria의 경우 enzyme 2와 enzyme 3가 한 polypeptide chain 내에 존재하며, 나머지 녀석들도 다 complex를 이뤄 존재하고 있음을 알 수 있음. 그리고 (c)와 같이 mitochondrial very-long-chain-specific system의 경우에는 inner mitochondrial membrane에 존재하며 각 enzyme들이 서로 인접해 존재하고 있음을 알 수 있음. (이 경우에도 enzyme 2와 enzyme 3가 한 polypeptide 내에 존재함) 마지막으로 (d)의 경우 식물에서 발견되는 system이며, peroxisome, 혹은 glyoxysome 내에서 발견됨. 보면 이 경우 enzyme 2, 3, 5, 6이 MFP(multi-functional protein)로 존재하고 그 밖에 enzyme 1, 4의 경우에도 같이 complex로 존재하고 있음을 알 수 있음.

 

 

 

다음 포스트에서 이어서 살펴보자.