TCA 회로

1 개요

Tricarboxylic acid cycle의 약자. 발견한 사람의 이름을 따 크렙스 회로(Krebs cycle)[1] , 또한 이 회로의 출발물질에서 딴 시트르산 회로(Citric acid cycle)[2]라 하기도 한다. Tricarboxylic acid란 이름 역시 시트르산이 3개의 카르복시기를 가진데에서 유래.

회로 자체가 양방항성 회로(Amphibolic)이다. 즉 이화작용(Catabolic)과 동화작용(Anabolism)이 동시에 가능하다는 말인데, 회로 중간물질(Precursors)들은 거의 모두 생합성(Biosynthesis)에 이용된다.

우리 몸에서 합성되어지는 아미노산,핵산염기들과 또한 중간물질중 하나인 옥살로아세트산은 포도당을 생성하기위한 전구체로써 쓰인다(포도당 신생합성에서 전구체로 쓰인다).

그리고 회로내에서 산화,환원 반응을 통해 에너지(ATP 등)와 후에 벌어질 전자전달계(Electron Transport Chain, ETC)를 위한 환원력(NADH+H+, FADH2)를 제공하기도 한다.

주로 이 회로가 일어나는 장소는 미토콘드리아의 내막(기질)[3] [4] 이며 여기서 생성된 환원력은 바로 전자전달계로 전달, 환원되어 가며 전자가 이동하면서 생기는 위치에너지로 양성자를 막간공간 쪽으로 넘겨주게 되고[5], 종국에는 최종 전자수용체가 전자를 받아서 산화되며 양성자가 ATP 합성 효소를 통해 기질쪽으로 넘어오게 되고, 그 힘으로 인해 ATP 합성이 이루어진다.

즉 이 과정를 통해서 진핵생물은 자신이 살아가는데 필요한 에너지를 만들 재료와, 생물의 생존과 성장에 필요한 재료의 대부분을 생산한다.(TCA회로 자체적으로도 소량의 ATP를 생성하고, 해당과정과 발효를 통해 에너지를 얻는 경우도 있기 때문에 '전부'라고 하는 것은 틀린 표현이다.)

2 전체적인 과정

아세틸기를 가진 효소가 회로속으로 들어가 6탄당과 5탄당 4탄당을 거치면서 환원력과 고에너지의 전자를 내놓는다

2.1 피루브산 산화 과정(해당과정)

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이 과정은 준비단계로써 TCA회로의 과정안에 속해 있지 않다.

피루브산은 보통 해당과정(Glycolysis)에 의해 2개씩 만들어진다. 그런데 피루브산의 분자량은 상당히 커서 TCA회로가 일어나는 미토콘드리아 안으로 들어가기 어렵다. 그래서 생물은 진화를 거쳐 특수한 단백질 복합체를 통해[6] 미토콘드리아 막을 뚫고 피루브산을 기질로 들어갈 수 있도록 하였다.

일단 피루브산이 들어갔으니 이제 그냥 회로 안에 쳐넣고 돌리면 되지 않나? 라고 생각한 사람들도 있겠지만..

피루브산 자체적으로 고에너지 분자이기도 하고 그냥 반응에 들어갔다간 큰일나기 때문에[7] 에너지를 약간 낮추고 반응에 적합하게 분자구조를 바꾸기 위함이다.[8]

피루브산이 미토콘드리아 기질에 들어가면 피루브산 탈수소효소 복합체[9]에 의해 산화되어 아세틸 CoA를 만든다.

피루브산 + CoA + NAD+ → 아세틸 - CoA + NADH + CO2 + H+


이 과정에는 위에서 말한 피루브산 탈수소효소 복합체가 필요한데 분자량이 400만에서 1천만 KD에 달하는 큰 단백질 복합체이며 E1, E2, E3 라고 불리는 3가지 효소와 이것을 보조하는 보조인자 5가지[10] 가 있다.

1. 탈 카르복시화(Decarboxylation)

3가지 효소 중 E1(피루브산 탈수소효소)가 촉매해서 피루브산과 TPP[11]의 탄소 음이온과 결합, 히드록시 에틸 TPP를 생성하고 이산화 탄소를 생성한다.


2. 산화(Oxydation)

TPP에 결합된 히드록시에틸기가 산화되어 아세틸기를 생성한다. 이는 바로 리포아미드로 전달되고 TPP는 1번 과정의 상태로 돌아가고 리포아미드는 아세틸리포아미드가 된다. 이 반응도 E1효소가 촉매한다

3. 아세틸 CoA의 형성

E2[12]에 의해 아세틸기를 아세틸리포아미드에서 제거하고 디히드로리포아미드가 된다.
그리고 옆에 같이있던 조효소 A 에 붙혀주고 아세틸 CoA로 만든다.


4. 물질 재생

3번 과정에서 혼자있던 디히드로리포아미드는 다시 리포아미드로 만들어줘야 나중에 다시 쓸 수 있기 때문에 이번에는 E3[13]에 의해 탈수소화되어 리포아미드가 되고 FAD+은 수소2개가 붙어 FADH2가 된다. 이는 또 NAD+에 붙혀주고 NADH와 수소이온 한 분자를 만든다.

2.2 TCA 회로 과정

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[14]


모든 과정에는 효소가 촉매한다. 반응에서 촉매작용으로써 효소가 관여하지 않는 것이 거의 없다고 보면 된다.

이 과정의 중점은 회로속에 포함된 2개의 탄소 분자를 어떻게 다시 빼내느냐이다. 그런데 이 탄소끼리의 결합은 다량의 에너지를 함유한 결합이라서 그냥 결합을 분해해 내보내기에는 비효율적이었기 때문에 이 에너지를 효율적으로 사용할 수 있도록 진화한 것이다.

2.2.1 첫번째 과정

옥살로아세트산(oxaloacetic acid)과 아세틸 - CoA의 축합반응을 시트르산 합성효소(Citrate synthase)가 촉매하여 6탄당인 시트르산을 만든다.

이는 열역학적으로 봤을 때 에너지를 많이 방출하는 반응이다.

중간 물질로 시트릴 - CoA (Citryl - CoA)를 만드는데 이는 아세틸 CoA에서 유래된 황화에스테르 결합을 가지고있다.

앞서 서술하였듯이 고에너지를 함유한 결합이다. 이 에너지 때문에 축합반응을 하게 되고 결국에는 조효소를 빼내어 시트르산을 만든다.

그러나 시트르산은 회로를 진행하는 데에 부적합한 분자 구조를 가지고 있다. 그래서 분자 구조를 바꾸는데 이 과정은 아코니타아제(Aconitase)에 의해 촉매된다.

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저 그림에서 보면 물이 들어갔다 나오는 과정을 통해 수소와 수산화 이온의 자리가 바뀜을 알 수 있다.

시스 아코니트산(Cis - Aconitate)은 다시 아코니타아제에 의해 물과 같이 반응, 이소시트르산(isocirate)을 만든다.

이소시트르산은 탈카르복실화와 산화과정을 통해 5탄당인 알파 케토 글루타르산(α-ketoglutaric acid)이 된다.
이는 이소시트르산 탈수소효소[15]가 촉매한다.

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NAD는 산화되어 강한 위치에너지를 가진 NADH를 만들고 옥살로숙신산이 되는데 이는 상당히 불안정한 화합물로서 이산화 탄소를 내놓고 알파케토글루타르산이 된다. 이 알파케토글루타르산은 다시 산화적 탈카르복실화 반응에 의해 4탄당인 숙시닐 CoA이 된다.
해당 반응은 효소인 알파케토글루타르산 탈수소효소 복합체[16]에 의해서 진행되는데 피루브산도 알파 케토산이기 때문에 이 복합체는 피루브산 탈수소 효소 복합체와 구조적으로 상당히 유사하다.

반응이 진행되면서 NAD와 조효소 A가 들어가고 숙시닐 CoA를 만들면서 이산화탄소 하나랑 NADH를 내보낸다.

이로써 회로에 유입되었던 2개의 탄소가 모두 사용되었다.

하술할 내용은 다시 4탄당인 옥살로아세트산을 재생하기 위한 반응이며, 재생하면서 환원제인 NADH와 에너지인 ATP 한 분자를 만든다.

2.2.2 두번째 과정

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숙시닐 CoA가 분해되어 숙신산이 만들어지는데, 이는 에너지를 방출하는 반응이다. 이 반응을 통해 GDP가 GTP로 만들어진다.

숙신산은 숙신산 탈수소효소에 의해 수소 2분자를 내놓고 푸마르산이 된다 . 이 때 분해된 수소를 받는 물질은 FAD+ 이다.

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그리고 푸마르산은 푸마르산 수화효소에 의해 수화되어 말산을 만들고 말산은 탈수소효소에 의해 다시 옥살로아세트산이 된다.

이 반응은 회로의 진행 과정 중 유일하게 흡열 반응이다. 열역학적으로 보았을 때 자연적으로 일어나는 반응이 아니라는 것이다. 따라서 이 반응을 진행하기 위해서는 에너지가 필요하다. 첫 번째 반응에서 옥살로아세트산의 축합반응에서 나온 에너지가 이 반응에서 사용된다.

옥살로아세트산과 아세틸 CoA의 축합반응에서 나온 에너지로 이 말산의 탈수소 반응을 진행시킨다.

이로써 TCA회로 한 바퀴가 완성되었다.

3 조절

회로는 조절되어야 한다. 그렇지 않으면 마구잡이로 회로가 회전할 것이고 쓸모없는 에너지와 환원력을 생산하여 낭비될 것이다.

생물은 낭비되는 반응을 지향하지 않는 쪽으로 진화하여 효율 면에서 이득을 보게 되었다.

회로는 전체적으로 ADP와 NAD+의 농도 에 의해서 억제된다[18]

조절점에는 세 번의 시점이 있는데 이는 각각

1. 피루브산이 아세틸 CoA를 만들 때

2 이소시트르산에서 알파케토글루타르산으로 변화할 때

3.알파케토글루타르산이 숙시닐 CoA로 변화할 때

이다.


그중에서 첫 번째로 피루브산이 아세틸 CoA로 넘어갈 때가 가장 중요한데 이는 아세틸 CoA가 TCA회로의 전체적인 재료이기 떄문이다.

아세틸 CoA가 없다면 회로 자체가 돌아가지 않는다.

그리고 2번 조절점인 이소시트르산에서 알파케토글루타르산으로 변화할 때의 이소시트르산 탈수소효소는 다른자리 입체성 효소(Allosteric enzyme) 로서 ADP가 작용해 촉매제로써 작용한다.

4 회로 이외에 대해

TCA 회로는 양방항성 경로이다. 몇 개의 과정을 제외하고 전부 가역반응이기 때문에 효소의 도움으로 반대로 돌아갈 수도 있다. 또한 다른 회로의 전구물질로써 쓰일 수 있다. [19]

그리고 피루브산이 포도당에 의해서만 만들어지는 것이 아니다.

즉, 지질이나 단백질이 분해되어 회로 내부의 중간물질로 만들어지고 회로 내부로 들어가 회로의 반응을 진행할 수도 있다.

5 교육과정 중

고등학교 과정에선 이렇게까지 자세히 배우지 않는다.

참고서나 교과서에는 '시트르산 - 알파케토글루타르산 - 석신산 - (푸마르산) - 말산 - 옥살아세트산' 로 이루어진 그림이 수록되어 있다. 책에 따라 푸마르산이 생략된 책도 많고, 수능 과목에서 생명 과학2를 선택하는 사람이라면 누구나 필수로 외워야 하는 개념.

문제에서 활용될 때는 산소의 유무에 따른 동작여부, 반응 과정에서의 생성 물질의 위치(NADH, FADH2) 및 계수비, 물질의 생성 과정(예 - ATP 는 기질 수준 인산화로 생성된다) 등이 언급된다. 전반적인 물질대사 과정 쪽과 엮어서 물어본다면 더 다양한 유형화가 가능하지만, 열에 일곱은 전자 운반체인 NADH와 FADH2에 대해서 많이 다룬다.

대학교 과정에선 위의 과정 전체를 다 외워야한다. 각 물질들의 이름과 탄소수를 모두 알아야한다. 좀 이상한 교수님들은 저거 통째로 구조식까지 다 외우라고도 한다.[20](...)

6 기타

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공중파도 탔다덕분에 이 항목은 TCA 사이클로도 들어올 수 있다.

좆무위키 꺼라
  1. ↑ Hans Adolf Krebs(1900~1981), 독일계 영국인이며 그는 이 업적을 인정받아 1953년 노벨상을 수상했다.
  2. ↑ 그래서 일본에서는 'クエン酸回路(구연산회로)'라고 한다.
  3. ↑ 미토콘드리아는 원형질막이 2개 있으며 외막과 내막 사이에는 전자전달계를 위한 막간 공간(intermembrane space)가 있다.
  4. ↑ 원핵세포의 경우에는 세포질에서 일어난다
  5. ↑ 양성자 기울기를 무시하면서 펌프질하기 때문에 에너지가 필요하다.
  6. ↑ PMF(Proton Motif Force), 양성자 동력이라는 힘이 필요하다.
  7. ↑ 몸에서 일어나는 반응 자체가 효소에 의해 조절되는데 만약 효소의 의한 조절이 없어지면 몸이 더이상 버티질 못하고 무너질 것이다. 버텨라 내 몸!
  8. ↑ 확실하지 않으니 수정 바람
  9. ↑ Pyruvate Dehydrogenase Complex
  10. ↑ CoA, NAD+, FAD+, TPP, 리포아미드
  11. ↑ 티아민 피로인산, thiamine pyrophosphate
  12. ↑ 디히드로리포일 아세틸기 전달효소
  13. ↑ 디히드로리포일 탈수소효소
  14. ↑ 출처: 위키백과 TCA 회로
  15. ↑ isocitric dehydrogenase
  16. ↑ α-ketoglutarate dehydrogenase Complex
  17. ↑ 위키백과의 그림을 제외한 모든 그림은 [1] 에서 가져온 것이다.
  18. ↑ 효소는 억제가 조금 더 우선적으로 적용된다.
  19. ↑ 예를 들자면 옥살로아세트산은 포도당합성의 전구물질로 쓰일 수도 있다.
  20. ↑ 실제로 한 의대의 바이올로지 시간에 교수님께서 사실상 백지를 건내주시며 그냥 모든 과정을 통째로 다 쓰는 것을 시험으로 내시는 바람에 학생은 멘붕이 오고 채점하시는 분은 눈물을 흘린 사례가 있다.