산화과정의 피루브산과 크렙스 사이클

산소가 존재하는 경우, 해당에서 시작되는 포도당의 산화는 피루브산염을 사용하여 해당이 종료되는 곳에서 계속됩니다. 진핵생물에서는 피루브산염에서 추가 에너지를 추출하는 것은 미토콘드리아 내에서만 이루어집니다. 이 세포는 피루브산염의 상당한 에너지를 2단계로 수확합니다. 먼저 크렙스 사이클 안에서 피루브산염을 산화하여 아세틸-CoA를 형성한 다음 아세틸-CoA를 산화됩니다.

피루브산의 산화

피루브산의 산화 제조되는 아세틸-CoA

피루브산 에스테르는 피루브산 에스테르의 세 가지 탄소 중 하나를 분해하는 '탈탄산' 반응으로 산화됩니다. 그 후, 이 탄소는 CO2로서 배출됩니다. 이 반응은 아세틸 기라고 불리는 2개의 탄소 조각과 전자쌍 및 이에 관련된 수소를 생성하여 NAD+를 NADH로 환원합니다. 반응은 복잡하고 3개의 중간 단계를 포함하며 촉매 됩니다
미토콘드리아 내의 멀티 엔자임 복합체. 8장에서 언급했듯이 이러한 복합체는 화학적 중간체가 확산되거나 다른 반응을 일으키지 않도록 일련의 효소적 단계를 조직합니다. 복합체 내에서는 성분 폴리펩타이드가 기질을 방출하지 않고 한 효소에서 다음 효소로 통과시킵니다. 피루브산 탈수소효소(Pilvate dehydrogenase)는 피루브산에서 이산화탄소를 제거하는 효소의 복합체로 알려진 가장 큰 효소 중 하나이다: 60개의 서브유닛을 포함! 반응 과정에서 피루브산에서 제거된 아세틸 기는 코엔자임 A(CoA)라고 불리는 보인자와 결합하여 아세틸-CoA로 알려진 화합물을 형성함:

피루브산염 + NAD+ + CoA  → 아세틸-CoA + NADH + CO2

이 반응은 나중에 ATP를 생성하는 데 사용되는 NADH의 분자를 생성합니다. 그러나 NADH에 대한 NAD+의 감소보다 훨씬 중요한 것은 아세틸-CoA의 생성입니다. 아세틸-CoA는 매우 많은 다른 대사 과정이 그것을 생성하기 위해 중요합니다. 탄수화물 이화작용의 중간체인 피루브산염의 산화가 그것을 만들어낼 뿐만 아니라
단백질, 지방 및 다른 지질의 대사 분해도 아세틸 CoA를 생성합니다. 실제로 에너지를 위해 분해된 대부분의 분자는 아세틸 CoA로 변환됩니다. 그 후 아세틸-CoA는 유기체의 에너지 요구 사항에 따라 지방 합성 또는 ATP 생성으로 변환됩니다. 아세틸-CoA는 진핵세포의 많은 이화 과정에서 중요한 초점입니다.

 

아세틸-CoA 사용

세포는 많은 방법으로 아세틸-CoA를 형성하지만, 아세틸-CoA를 사용하는 과정은 한정되어 있습니다. 그 대부분은 에너지 저장(예를 들어 지질 합성)을 향하거나 크렙스 주기로 산화되어 ATP가 생성됩니다. 이 두 가지 선택지 중 어느 것을 취할지는 세포 내 ATP 수준에 따라 달라집니다. ATP 값이 높으면 산화 경로가 저해되고 아세틸 CoA는 지방산 합성으로 유도됩니다. 이것은 많은 동물(인간 포함)이 몸이 필요로 하는 것 이상의 음식을 섭취할 때 지방 축적을 일으키는 이유를 설명하고 있습니다. 또는 ATP 값이 낮으면 산화 경로가 자극돼 아세틸-CoA가 에너지를 생산하는 산화 대사로 흘러갑니다.

 

포도당 이화작용의 두 번째 에너지 수확 단계에서 피루브산은 탈카르복실화되어 아세틸-CoA, NADH 및 CO2를 생성합니다. 이 과정은 미토콘드리아 내에서 발생하며, 세포의 에너지 생산과 관련된 중요한 과정 중 하나입니다. 세포 소기관의 DNA와 미토콘드리아 세포는 이러한 과정에 관여하여, 세포가 생존하기 위해 필요한 에너지를 생성하고, 세포의 기능을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 이러한 과정을 통해 세포는 자신의 에너지 요구를 충족시키고, 활동을 유지할 수 있습니다.

 

크렙스 사이클 (Krebs Cycle)

당분해가 포도당을 분해해 피루브산염을 생성하고 피루브산염을 산화해 아세틸-CoA를 형성한 뒤 포도당에서 에너지를 추출하는 세 번째 단계가 시작됩니다. 이 세 번째 단계에서 아세틸-CoA는 크렙스 사이클이라고 불리는 9개의 일련의 반응으로 산화됩니다. 이러한 반응은 미토콘드리아의 매트릭스에서 일어납니다. 이 사이클에서는 아세틸-CoA의 2 탄소 아세틸기가 옥살로 아세트산이라고 불리는 4 탄소 분자와 결합합니다.

생성된 6 탄소 분자는 전자를 방출하는 일련의 산화 반응을 거쳐 그 사이에 2개의 CO2 분자가 분열하여 옥살로 아세트산을 회복합니다. 그 후 옥살로 아세트산은 재활용되어 다른 아세틸기에 결합됩니다. 사이클의 각 턴에서 손실된 2개의 CO2 분자를 새로운 아세틸기가 대체하고 더 많은 전자가 추출되어 ATP를 생성하는 양성자 펌프를 구동합니다.

Krebs 사이클 개요

클레브스 주기의 9가지 반응은 두 단계로 일어납니다:
스텝 A: 프라이밍. 세 가지 반응이 에너지 추출을 위해 6 탄소 분자를 준비합니다. 먼저 아세틸-CoA가 사이클에 추가되고 그다음 화학기가 재배열됩니다. 스텝 B: 에너지 추출. 이 단계의 6가지 반응 중 4개는 전자가 제거된 산화이며, 1개는 기질 수준의 인산화를 통해 직접 ATP 당량을 생성합니다.

Krebs 사이클의 반응

Krebs 사이클은 세포가 에너지 전자를 추출하고 ATP 합성을 촉진하기 위해 사용하는 9개의 연속 반응으로 구성되어 있습니다. 아세틸-CoA에서 나온 2개의 탄소기가 가장 먼저 사이클로 들어가고 사이클 동안 2개의 CO2 분자와 몇 개의 전자가 방출됩니다.

 

반응 1: 응축. 아세틸-CoA의 2 탄소기는 4탄소 분자인 옥살로아세트산과 결합하여 6탄소 분자인 구연산 에스테르를 형성함. 이 축합 반응은 비가역적이며, 2탄소 아세틸 기를 크렙스 주기로 커미트 합니다. 세포의 ATP 농도가 높으면 반응이 억제되고 낮으면 자극을 받습니다. 따라서 세포가 충분한 양의 ATP를 가지면 클레브스 사이클은 정지되고 아세틸 CoA는 지방합성으로 이끌립니다.

반응 2와 3: 이성화. 산화 반응을 시작하기 전에 구연산의 수산기(-OH)를 재배치해야 합니다. 이는 두 단계로 진행됩니다. 먼저 하나의 탄소에서 물 분자를 제거한 다음 다른 탄소에 물을 추가합니다. 그 결과, -H 그룹과 -OH 그룹의 위치가 변경됩니다. 제품은 이소시트레이트라고 불리는 구연산 이성질체입니다.

반응 4: 첫 번째 산화. 사이클의 첫 번째 에너지 생산 공정에서 이소시트레이트는 산화 탈탄산 반응을 받습니다. 첫째, 이소시트레이트는 산화되어 NAD+의 분자를 NADH로 환원하는 전자쌍을 생성합니다. 그 후 산화된 중간체는 탈탄산 되고 중심 탄소 원자는 분열하여 CO2를 형성하며 α-케토글루타레이트라고 불리는 5개의 탄소 분자를 생성합니다.

다섯 번째 반응: 두 번째 산화. 다음으로 피루브산 탈수소효소와 같은 멀티 엔자임 착물에 의해 α-케토글루타레이트를 탈탄산 합니다. CO2를 제거한 후 남은 숙신닐기가 코엔자임 A에 결합하여 푹신 닐-CoA를 형성함. 이 과정에서 2개의 전자가 추출되고, 그것들은 NAD+의 또 다른 분자를 NADH로 환원합니다.

반응 6: 기질 수준의 인산화. 4-탄소숙신닐기와 CoA 사이의 결합은 고에너지 결합. 당분해에서 일어나는 것과 같은 결합반응에서는 이 결합이 끊어지고 방출되는 에너지는 구아노신 이인산(GDP)의 인산화를 촉진해 구아노신 삼인산(GTP)을 형성합니다. GTP는 ATP로 쉽게 변환되며 4개의 탄소는
남는 조각은 숙신산염이라고 불립니다.

제7의 반응: 제3의 산화. 그다음에 숙신산염을 산화해서 푸마르산으로 만듭니다. 이 반응에서 자유 에너지의 변화는 NAD+를 감소시키기에 충분한 크기가 아닙니다. 대신 플라빈 아데닌 디뉴클레오타이드(FAD)가 전자수용체. NAD+와 달리 FAD는 내부에서 자유롭게 확산될 수 없습니다
미토콘드리아: 그것은 내부 미토콘드리아 막의 필수적인 부분입니다. 그 환원형인 FADH2는 막 내 전자 수송 사슬에 전자를 기여합니다.

반응 8과 9: 옥살로아세트산 재생. 사이클의 마지막 두 가지 반응에서는 물 분자가 푸마르산에 첨가되어 사과산염이 생성됩니다. 그 후 사과산염은 산화되고 옥살로 아세트산의 4 탄소 분자와 NAD+ 분자를 NADH로 환원하는 2개의 전자가 생성됩니다. 옥살로아세트산염은 현재 아세틸-CoA에서 다른 2 탄소 아세틸기와 자유롭게 결합하여 사이클을 재활성화할 수 있습니다.

Krebs 사이클의 산물
유산소 호흡 과정에서 포도당은 완전히 소비됩니다.
6-탄소 글루코오스 분자는 당 분해 중에 최초로 3-탄소 피루브산염 분자의 쌍으로 분할됩니다. 그 후 피루브산염에서 아세틸-CoA로의 변환에서 각 피루브산염의 탄소 중 하나가 CO2로 손실되고, 클레브스 사이클의 산화 중에 다른 2개의 탄소가 CO2로 손실됩니다. 포도당 분자가 6개의 이산화탄소 분자에 전달된다는 것을 보여주기 위해 남겨진 것은 그 에너지뿐이며, 그중 일부는 4개의 ATP 분자와 12개의 전자 운반체의 감소된 상태로 보존되어 있습니다. 이러한 캐리어 중 10개는 NADH 분자이며, 나머지 2개는 FADH2입니다. 클레브스 주기는 포도당 분자당 2개의 ATP 분자를 생성하는데, 이는 당 분해에 의해 생성되는 수와 동일합니다. 더 중요한 것은 크렙스 주기와 피루브산염의 산화로 인해 많은 에너지를 가진 전자가 수확되고 전자 수송 사슬로 유도되어 더 많은 ATP 합성이 촉진된다는 것입니다.