지방산 대사

지방산은 식물과 동물에서 모두 필수적인 물질이다. 일반적으로 지방산은 식물의 경우 색소체(plastid)에서, 동물의 경우 세포질에서 대부분이 합성되는 것으로 알려져 있다. 또한 동물과 식물 모두 미토콘드리아에서도 지방산이 생합성된다. 새로 생성된 지방산은 대부분이 포화지방산들이며, 이들은 좀 더 긴 긴사슬지방산(very long chain fatty acid)으로 되거나, 이중결합 형성 반응을 통해 불포화지방산이 되는 등의 여러 변형 과정을 거치게 된다.

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지방산은 동물과 식물에서 생합성 되는 한편, 인위적인 공정을 통해서도 생성될 수 있다.

de novo 지방산 생합성 (출처: https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Fatty_acid_synthesis )

글리세롤과 지방산이 에스테르 결합을 이루고 있는 글리세롤지방의 가수분해에 의하여 글리세롤이 제거된 지방산 메틸 에스테르(fatty acid methylester) 형태로 지방산이 산업적으로 생산된다.

지방산 생합성의 첫번째 과정은 탄수화물의 해당과정에 의해서 형성된 피루브산으로부터 시작된다. 피루브산은 미토콘드리아로 들어간 뒤, 탈수소효소 복합체에 의해서 아세틸조효소A가 된다. 이 아세틸조효소A가 세포질에서 진행되는 지방산 생합성 과정에 이용된다. 이때 아세틸조효소A는 세포질로 직접 이동되는 대신 미토콘드리아에서 시트르산으로 전환되고, 미토콘드리아 내막을 통해 세포질로 이동된 시트르산이 ATP 시트레이트 분해효소(ATP citrate lyase)에 의해 아세틸조효소A와 옥살로아세트산(oxaloacetate)으로 분해된다. 이 때 세포질에서 생성된 아세틸조효소A는 아세틸조효소A 카르복실화효소(acetyl CoA carboxylase)의 효소 활성을 통해 말론조효소A(malonyl-CoA)로 전환된다. 말론조효소A는 세포질에서 1회 반응당 2개의 탄소 사슬이 추가되는 연속적인 지방산 사슬 형성 반응에 이용되어 16개 또는 18개 탄소사슬로 구성된 지방산이 형성된다.

식물의 지방산 생합성은 색소체에서 아세틸조효소A 카르복시화효소 활성에 의해 아세틸조효소A와 이산화탄소로부터 말론조효소A가 합성되면서 시작되며, 이 단계가 전체 지방산 생합성의 중요 조절 단계이다. 말론조효소A는 말론조효소A 아실전달효소(acyltransferase)의 촉매 활성에 의해 아실기 운반 단백질(acyl carrier protein, ACP)과 반응하여  말로닐-ACP를 생성한다. 이후, 케토아실-ACP 합성효소(3-ketoacyl-ACP synthase)의 촉매 활성에 의해서 아세틸조효소A가 말로닐-ACP와 결합하는 축합반응이 일어나고, 환원, 탈수 그리고 환원 반응을 거쳐 탄소 수 4개인 아세토아세틸-ACP(acetoacetyl-ACP)이 생성된다. 아세토아세틸-ACP는 지방산 신장 복합체(fatty acid elongation complex)에 의한 일련의 촉매 활성 반응들을 통해 말로닐-ACP를 이용하여 탄소 수 16개 또는 18개의 탄소를 가지는 지방산 사슬을 생성한다. 이들 16개 또는 18개 탄소사슬로 구성된 지방산은 색소체에서 지질 합성에 사용되거나 지방산 아실조효소A 형태로 세포질이나 소포체로 이동된다.¹⁾

지방산은 대부분이 막을 구성하는 지질의 전구체로 사용되거나, 중성지방인 트리아실글리세롤로 종자 등에 저장될 수 있고, 이중결합 등의 몇가지 변형 과정을 거치게 되기도 한다. 또한 지방산은 소포체에서 탄소수 18개보다 긴 지방산인 긴사슬지방산과 같은 물질로 변환되어 스핑고지질 또는 인지질 등의 전구체로써 사용되어진다.

지방산의 불포화라 함은 지방산 탄소사슬을 단일결합에서 이중결합으로 바꾸는 반응을 의미한다. 이러한 불포화 반응에 의해서 지방산 사슬은 긴 직선 형태가 이중결합이 있는 위치에서 꺾인 구조를 가지는 불포화지방산으로 변형된다.

지방산은 대부분이 16개 또는 18개의 탄소사슬이 이어져 있는 형태로 만들어진다. 그러나 이보다 긴 탄소사슬의 지방산(긴사슬지방산)이 필요한 경우가 있다. 예를 들어 식물과 동물의 소포체의 특정부위에는 긴 지방산들에 의해 만들어진 인지질들이 많이 모여있는 장소(lipid raft)가 있다. 또한 이러한 긴사슬지방산들은 식물에서 방어기작을 할 수 있는 각피 왁스 또는 뿌리의 수베린과 같은 성분들의 전구체로 이용되기도 한다. 이러한 긴사슬지방산의 길이 신장은 소포체에 존재하는 지방산 신장 효소복합체의 여러 효소 활성을 통해 일어나게 된다. 이 복합체는 응축반응에 필요한 케토아실조효소 합성효소(keto acyl-CoA synthase), 환원에 관여하는 2가지 효소 케토아실조효소 환원효소(reductase)와 에노일조효소 환원효소(enoyl-CoA reductase), 그리고 탈수소효소(hydroxyacyl-CoA dehydrogenase)의 총 4가지의 효소들로 구성되어 있다.

1. Ohlrogge, Jaworski (1997) REGULATION OF FATTY ACID SYNTHESIS. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 48: 109-136