크렙스회로

크렙스회로는 산소를 이용한 세포 호흡의 두 번째 과정인 TCA 회로(tricarboxylic acid cycle)를 일컫는 말로, 산소 호흡의 첫 단계인 해당과정을 통해 만들어진 대사 산물을 산화시켜 그 에너지의 일부는 ATP에 저장하고, 나머지는 전자전달계로 전달하는 일련의 과정을 말한다. 세포질에서 일어나는 해당과정과 달리 TCA 회로는 원핵생물의 경우 세포질에서, 진핵생물의 경우 미토콘드리아 기질에서 진행된다. 회로의 첫 단계에서 생성되는 시트르산(citrate)이 트리카르복실산(tricarboxylic acid)의 일종이라는 데에서 TCA 회로라는 이름으로 잘 알려져 있으며, 1937년 이 회로 구조를 확립한 Hans Adolf Krebs의 이름을 따 크렙스회로라고도 한다.

목차

흔히 3대 영양소라 불리는 에너지원의 대사 과정을 보면, 탄수화물의 경우 포도당으로 분해되어 해당과정을 거친 후 TCA 회로로, 단백질은 아미노산으로 분해되어 TCA 회로로 투입된다. 지방의 경우 글리세롤과 지방산으로 분해되는데, 글리세린은 여러 과정을 통해 포도당으로 전환되고 해당과정을 거쳐 TCA 회로로 투입되며 지방산은 베타 산화 과정을 통해 아세틸조효소A(Acetyl-CoA)로 바뀌며 회로에 들어가게 된다. 즉, 크렙스회로는 3대 영양소인 탄수화물, 지방, 단백질 대사의 연결 지점이 되는 대사 과정이라는 점에서 매우 중요하다. 크렙스회로 내에서 산화, 환원 반응을 통해 에너지를 생산하고, 전자전달계를 위한 환원력을 제공한다. 생물은 이 회로를 통해서 살아가는 데 필요한 에너지를 만들 재료와 생물의 성장에 필요한 재료의 대부분을 생산한다.

해당과정의 결과로 생성된 2개의 피루브산염은 피루브산 탈수소효소(pyruvate dehydrogenase)와 조효소(Coenzyme A; CoA)의 작용에 의해 2개의 아세틸 조효소A가 된다. 이 때 두 분자의 NAD⁺가 두 분자의 NADH로 환원된다. 크렙스회로는 아세틸 조효소A가 회로 내의 옥살아세트산(oxaloacetate)과 결합하여 시트르산(citrate)을 생성하는 비가역적 반응으로부터 시작되며 시트르산 합성효소(citrate synthase)가 이 반응에 관여한다.

회로의 두 번째 단계는 시트르산이 아코니트산수화효소(aconitase)에 의해 아이소시트르산(isocitrate)으로 바뀌는 것이다.

세 번째로, 아이소시트르산은 아이소시트르산 탈수소효소(isocitrate dehydrogenase)에 의해 알파-케토글루타르산(α-ketoglutarate)이 되며, 이 비가역적 반응에서 NAD⁺가 NADH로 환원된다.

네 번째 단계는 알파-케토글루타르산이 NAD⁺를 환원시키며 숙신산 조효소A(succinyl-CoA)로 변하는 비가역적 반응이다. 이 때 알파-케토글루타르산 탈수소효소(α-ketoglutarate dehydrogenase)가 관여한다.

생성된 숙신산 조효소A는 다음으로 숙신산 조효소A 합성효소(succinyl-CoA synthetase)에 의해 숙신산으로 바뀌는데 이 때 한 분자의 GTP가 만들어진다.

회로의 여섯 번째 단계부터는 숙신산을 회로의 시작물질인 옥살로아세트산으로 되돌리는 데 그 목적이 있다. 먼저 숙신산은 숙신산 탈수소효소(succinate dehydrogenase)에 의해 푸마르산(fumarate)이 되고, 이 과정에서 활성 상태의 효소에 있는 플라빈아데닌 디뉴클레오타이드(flavin adenine dinucleotide; FAD)가 FADH₂로 환원된다. 또한 효소를 다시 활성 상태로 되돌리기 위해 FAD로 재산화시키는 과정에서 유비퀴놀(ubiquinol; QH₂)이 만들어진다.

일곱 번째 단계에서는 푸마르산이 푸마레이스(fumarase)에 의해 말산(malate)으로 전환된다.

마지막 여덟 번째 단계에서 말산은 말산 탈수소효소(malate dehydrogenase)에 의해 다시 옥살로아세트산이 되며, 이 과정에서 NAD⁺가 NADH로 환원된다.¹⁾

크렙스회로 모식도. (출처: 한국식물학회)

정리하자면 해당과정의 결과로 만들어진 두 분자의 피루브산이 크렙스회로를 한 번 돌면 2개의 GTP, 8개의 NADH, 2개의 QH₂가 만들어지며 이는 총 25개의 ATP가 만들어짐을 의미한다. 또한 한 분자의 포도당은 해당과정을 거치며 7개의 ATP를 만들어내므로, 한 분자의 포도당이 해당과정과 크렙스회로를 마치면 총 32개의 ATP가 생산된다고 할 수 있다.

1. Chalrlotte WP, Kathleen C (2011) Essential Biochemistry 2nd ed. Wiley, 360-379