환원적 아세틸 CoA 경로

[ reductive acetyl CoA pathway ]

고등식물, 조류 및 시아노세균 등 산소발생형 광합성생물과 일부 독립영양생물(autotroph)은 이산화탄소를 고정하여 유기물로 동화한다. 이산화탄소를 고정하는 경로는 캘빈회로, reverse TCA cycle, 환원적 아세틸 CoA 경로(reductive acetyl CoA pathway) 및 3-hydroxypropionate cycle 등 다양하다. 환원적 아세틸 CoA 경로를 통해 2분자의 이산화탄소가 아세틸-CoA의 아세틸기 형태로 동화되며, 진화적인 관점에서 가장 오래된 형태의 이산화탄소 고정 경로 중 하나이다.

Wood-Ljungdahl 경로라고도 하며 2분자의 이산화탄소가 아세틸-CoA의 아세틸기로 고정되는 경로이다(그림 1).
이 경로에서는 이산화탄소가 일산화탄소와 포름산으로 환원되고 다시 포름알데히드를 통해 메틸기로 환원된 후, 일산화탄소와 결합하여 아세틸-CoA를 형성한다¹⁾²⁾.
Clostridium thermoaceticum과 같은 혐기성 아세트산 생성 세균, Desulfobacterium autotrophicum을 포함하는 황환원 독립영양세균에서 이산화탄소를 동화하는데 사용한다.
고균인 메탄생성균(methanogen)도 이 경로를 통하여 자신의 바이오매스 대부분을 합성한다. 메탄생성균은 대부분의 이산화탄소를 에너지를 얻는 반응에 사용하지만 일부(약 5%)는 아세틸-CoA 경로를 통해 이산화탄소를 동화하여 바이오매스를 형성한다.
환원적 아세틸 CoA 경로와 역 TCA 경로에 사용되는 기질과 최종 산물은 같으나 환원적 아세틸 CoA 경로에서는 NADPH 대신에 H₂가 환원력으로 사용된다는 점이 다르다. 또한 전체적인 반응에서 역 TCA 경로에 비해 ATP 1분자가 덜 소모되므로 환원적 아세틸 CoA 경로가 다소 효율적이다.
환원적 아세틸 CoA 경로와 역 TCA 경로의 전체 반응은 유사하지만, 반응 경로 자체와 중간대사산물은 서로 많이 다르다. 예를 들어 환원적 아세틸 CoA 경로에서는 역 TCA 경로와는 달리 중간 대사산물이 재활용되지 않고 한 방향으로만 진행된다.

그림 1. 환원적 아세틸 CoA 경로 (그림: 서창완/서울대)

역 TCA 경로

TCA 경로를 구성하는 대부분의 반응은 가역반응이기 때문에 이산화탄소를 고정할 수 있다. 따라서 사람을 포함한 모든 생명체는 소량의 이산화탄소를 고정함으로써 TCA 경로의 중간산물을 재생산할 수 있다. 이러한 중간산물의 재생산 과정을 보충대사 경로(anaplerotic reaction)라 한다(그림 2). 가장 흔한 보충대사 경로에는 PEP carboxylase에 의해 PEP로부터 oxaloacetate가 형성되는 과정과 malic enzyme에 의해 pyruvate로부터 malate가 형성되는 과정이 있다.
일부 혐기성 세균과 고균은 TCA 경로 전체를 거꾸로 순환하여 이산화탄소를 환원시켜 아세틸-CoA를 생성하고 이로부터 당을 합성한다. 이러한 경로를 환원적(reductive) 또는 역(reverse) TCA 경로라고 하며, 녹색황세균(green sulfur bacteria)인 Chlorobium과 황환원고균(sulfur reducing archaea)인 Thermoproteus와 Pyrobaculum에서 발견된다.
역 TCA 경로는 4~5개의 ATP를 사용하여 4개의 이산화탄소를 고정함으로써 oxaloacetate를 생성한다. TCA 경로를 역방향으로 진행시키는 데 필요한 효소 3종(ATP citrate lyase, ɑ-ketoglutarate: ferredoxin oxidoreductase, fumarate reductase)을 제외하고는 순방향의 TCA 경로에서 사용되는 효소와 동일한 효소가 사용된다.
이러한 역 TCA 경로에 의한 이산화탄소의 고정은 현존 생명체 3영역(3 domain)에 모두 존재하므로, 현존 생명체의 조상인 생명체가 사용한 가장 오래된 형태의 경로 중 하나로 추정된다.

그림 2. 역 TCA 경로 (그림: 서창완/서울대)

하이드록시프로피온산 경로 (3-히드록시프로피온산 회로)

녹색비황세균(green nonsulfur bacteria)인 Chloroflexus aurantiacus는 또 다른 형태의 이산화탄소 동화 경로인 하이드록시프로피온산 경로를 이용하여 이산화탄소를 고정한다.
이산화탄소는 수화된(hydrated) 형태인 중탄산염(bicarbonate, HCO₃^2-)으로 아세틸-CoA에 고정되어 malonyl-CoA를 거쳐 하이드록시프로피온산를 생성한다.
하이드록시프로피온산은 malyl-CoA를 거쳐 glyoxylate를 형성한 후 최종적으로 pyruvate가 된다.

그림 3. 하이드록시프로피온산 경로 (그림: 서창완/서울대)

집필

신광수/대전대학교

감수

하남출/서울대학교

참고문헌

1. Ragsdale, S.W. 2006. Metals and their scaffolds to promote difficult enzymatic reactions. Chem. Rev. 106, 3317–3337.
2. Lindahl, P.A. 2009. Nickel-carbon bonds in acetyl-coenzyme a synthases/carbon monoxide dehydrogenases. Met. Ions Life Sci. 6, 133–150.

동의어

Reductive acetyl CoA pathway, 환원적 아세틸 CoA 경로, reductive acetyl CoA pathway

환원적 아세틸 CoA 경로