식품, 영양 관련 쉽게 정리한 생화학 핵심 요점 요약 정리 8. 구연산회로

8. 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 아세트산으로부
터 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
⋅진핵세포의 경우 미토콘드리아 안에서 일어남
. 총 8개의 반응으로 이루어짐

2. 피루브산으로부터 아세틸 CoA 생성과정

⋅포도당 및 당류가 세포질에서 해당과정을 거치면서 생성된 피루브산
→ 미토콘드리아로 이동 → 아세틸 CoA, CO2로 전환
⋅이 작용은 다효소 복합체인 피루브산 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(E 1, E2, E3)로 이루어져 있음
⋅5개의 조효소로 구성 : 4개의 비타민, 1개 유사비타민(리포산)
- TPP–티아민 / FAD-리보플라빈 / NAD+-나이아신 / 조효소A-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+)

※ ~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 형태로 존재함 ※ 동화작용 & 이화작용 -동화작용 : 간단한 분자로부터 복잡한 분자를 형성하는 대사작용 -이화작용 : 복합유기물질이 저분자물질분해로 에너지를 생성하는 대사작용

3. 구연산회로의 과정
⋅구연산회로의 8개의 반응으로 구성된 순환적 경로임
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 해리
(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
⋅두 종류의 동위효소(isozyme)이 필요 : NAD+, NADP+
⋅NAD+(미토콘드리아 기질에만 존재)는 구연산회로에 관여
⋅NADP+(세포질과 미토콘드리아 기질에 모두 존재):NADPH 생성에 관여함
(4) 4단계 : α-케토글루타르산 탈수소효소 복합체에 의한 α-케토글루타르산의 산화
⋅α-케토글루타르산 탈수소효소 복합체 작용 → 산화적 탈탄산화
→ 숙시닐 CoA를 생성, NADH 생성
⋅산화에 의해 생성된 에너지는 숙시닐 CoA의 티오에스테르 결합으로 저장
⋅Mg+, TPP, 리포산, FAD, NAD+, 조효소 A가 보조인자로 작용 (피루브산 탈수소효소 복합체와 유사)
(5) 5단계 : 숙시닐 CoA 합성효소에 의한 숙시닐 CoA의 분해
⋅숙시닐 CoA가 가수분해로 숙신산이 됨 → 방출되는 에너지를 이용
→ 고에너지 인산무수물인 GTP나 ATP를 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
⋅세포에서 대부분의 ATP 생성은 산화적 인산화 과정임

※ 회로(cycle) : 순환적인 반응을 지칭함, 즉, 해당과정은 직선형의 대사경로인 데 반해 구연산회로, 요소 회로 등은 순환적인 경로를 말함 ※ 생성효소(synthase) & 합성효소(synthetase) - 생성효소 : 에너지 사용 없이 첨가반응이나 제거반응을 촉매하는 효소 - 합성효소 : ATAP나 GTP의 에너지를 사용하여 첨가반응이나 제거반응을 촉매하는 효소로 구별 ※ 산화적 인산화 : 환원형 조효소인 NADH나 FADH2가 산소에 전자가 전달되는 동안 방출되는 에너지를 이용하여 ATP를 생성시키는 방법

(6) 6단계 : 숙신산 탈수소효소에 의한 숙신산의 산화
⋅숙신산 탈수소효소에 의해 숙신산 → 푸마르산으로 산화
⋅조효소는 FAD 를 사용 → FADH2 생성
⋅숙신산 탈수소효소 : 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 ATP 를 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-CoASH
의 비율로 측정 비율에 의해 구연산회로 조절됨
⋅아세틸 CoA, 숙시닐 CoA ↑ → 에너지를 글리코겐, 지방산, 아미노산, 뉴클레오티드 등의 생
합성과 세포분열 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 충전시킴

(2) 공유결합 변형(인산화)에 의한 조절

⋅피루브산 탈수소효소 키나아제에 의해 일어남 → 인산화 → 활성이 적음
⋅탈인산화는 피루브산 탈수소효소 인산가수분해효소로 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-탈인산화)에 의해 조절되지 않음
⋅다른자리입체성 조절 인자로만 조절
⋅숙시닐 CoA, NADH : 음성조절인자 / Ca2+ : 양성조절인자
⋅NADH/NAD+ 비율 ↑ → NADH 생성 효소는 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 탄소골격이 됨
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 전구체
→ 또는 당신생과정 → 포도당, 세린, 글리신 아미노산으로도 전환가능
⋅숙시닐 CoA : 헤모글로빈, 미오글로빈 및 시토크롬을 구성하는 헴과 엽록소를 구성하는 포르피
린의 생합성 시 전구체 역할
⋅구연산 : 미토콘드리아 밖으로 이동 → 구연산 분해효소 작용
→ OAA와 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 (PEPCK)
⋅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 못하기 때문
⋅척추동물 외에 일부 생물체에서는 구연산회로가 일부 변형된 글리옥실산회로의 효소를 갖고 있
어 지방산으로부터 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, 글리옥실산회로에 존재
⋅5 반응 → 구연산회로의 반응과 같음

<개념 확인 문제>
문제 1. 다음 중 구연산회로에서 기질수준 인산화반응이 일어나는 과정으로 옳은 것은? [2016년 22번]
① 구연산 → 이소구연산
② 푸마르산 → 말산
③ 이소구연산 → α-케토글루타르산
정답 ④ ④ 숙시닐-CoA → 숙신산

문제 2. 구연산회로에서 숙신산(succinate)이 푸마르산(fumarate)으로 산화 될 때, 산화제 역할을 하는
보조효소로 옳은 것은? [2016년 22번]
정답 ① ① FAD ② NADP+ ③ TPP ④ PLP

문제 3. 구연산회로에서 숙신산(succinate)은 FAD를 조효소로 사용하여 산화된다. 이 과정의 생성물로
옳은 것은? [2017년 25번]
① 푸마르산 ② 숙시닐
정답 ① ③ 구연산 ④ 이소구연산

문제 4. 구연산회로에서 숙신산(succinate)이 푸마르산으로 산화되는 과정에서 사용되는 조효소는?
[2018년 17번]
정답 ① ① FAD ② GDP ③ NAD+ ④ 리포산

문제 5. 한 분자의 아세틸 CoA가 1회의 구연산회로를 거치는 경우 이산화탄소는 몇 분자가 생성되는가?
[2018년 34번]
정답 ② ① 1 분자 ② 2 분자 ③ 3 분자 ④ 4 분자

문제 6. 피루브산이 구연산 회로로 들어갈 때 제일 먼저 변하는 물질로 옳은 것은?
정답 ① ① 아세틸 CoA ② 젖산 ③ 구연산 ④ 푸마르산

문제 7. 피루브산의 산화적 탈탄산 반응에 참여하는 인자로 옳은 것은?
① NAD+, FAD, 엽산 ② NAD+, FAD, FMN
정답 ③ ③ NAD+, FAD, TPP ④ NADP+, FAD, CoA-SH

문제 8. 해당과정에서 포스포프룩토키나아제(phosphofructokinase, PFK-1)의 활성을 저해하는 물질로
옳은 것은?
정답 ④ ① ATP, AMP ② ATP, 아세틸 CoA ③ ADP, AMP ④ ATP, 구연산

문제 9. 구연산회로에서 숙신산(succinate)이 푸마르산(fumarate)으로 산화될 때 산화제 역할을 하는 보
조효 소는 무엇인가?
정답 ② ① TPP ② FAD ③ PLP ④ NADP+
문제10. 다음 중 구연산회로에서 기질수준 인산화반응이 일어나는 과정은 무엇인가?
① 이소구연산 → α-케토글루타르산 ② 숙시닐 CoA → 숙신산
정답 ② ③ 푸마르산 → 말산 ④ 구연산 → 이소구연산

문제11. 미토콘드리아에서 일어나는 ATP 생성반응은 어느 방법을 통해 이루어지는가?
① 산화적-카르복실화반응 ② 산화적-수소화반응
정답 ③ ③ 산화적-인산화반응 ④ 산화적-탈수소반응

문제12. 스테아르산은 탄소수가 18개인 포화지방산이다. 이 스테아르산이 완전히 산화될 때 몇 회의 β-산
화 과정과 몇 개의 아세틸 CoA가 구연산회로를 통과하는지 순서대로 표시한 것은?
정답 ② ① 9 – 8 ② 8 – 9 ③ 9 – 9 ④ 8 - 8

문제13. 한 분자의 아세틸 CoA가 1회의 구연산회로를 거치는 경우 생성되는 총 이산화탄소의 수는 몇
분자인가?
정답 ② ① 이산화탄소 : 1 ② 이산화탄소 : 2 ③ 이산화탄소 : 3 ④ 이산화탄소 : 4

문제14. 글리옥실산 회로에 대한 설명으로 올바른 것은?
① 구연산회로를 달리 부르는 말이다.
② 지방산으로부터 탄수화물 합성이 가능한 회로이다.
③ 8개의 반응으로 구성되어 있다.
정답 ② ④ 처음 세 반응은 구연산회로의 작용과 같으나 이후 반응은 구연산회로와 다르다.

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