지방산의 분해
1. 지방산의 주요 생리적 기능
(1) 인지질 (phospholipid)과 당지질 (glycolipid)들의 구성성분
(2) 유도체들은 호르몬들이나 세포내 전령 (intracellular messenger)로 작용
(3) triacylglycerols과 같은 에너지 저장물질
2. 구조
1) 일반적인 구조식: CH3(CH2)nCOOH
포화지방산 : no C-C double bonds
불포화지방산: double bonds
명명법; common name (다른 교과서를 참조할 것)
systematic name: n-octadecanoic acid(stearic acid)
octadecenoic acid (oleate)
octadecadienoic acid
octadecatrienoic acid
numbering: carboxyl 말단부터 시작
생물계에 존재하는 지방산들은 전형적으로는 14와 24개 사이의 짝수로 존재하며, 그 중에서도 16과 18개의 탄소를 가진 것들이 가장 많다.
3. triacylglycerols
주 에너지원으로서 매우 농축된 에너지의 저장형이다. 그 이유는 환원된 상태로 존재하는 동시에, 무극성으로서 무수 상태(anhydrous)로 존재하기 때문이다. 무수상태는 수화가 되어 있지 않다는 것을 의미하며, 따라서 단위 그람당 보다 많은 에너지를 함유하게 한다. (당이나 글리코겐, 아미노산의 경우는 약 16-17 kJ/g, 지방은 약 37 kJ/g)
Triacylglycerol은 동물에서 지방조직 (또는 지방세포)에 저장된다.
지방세포나 음식물로 섭취한 triacylglycerol은 지방산을 유리시키는 lipase에 의해 분해되기 시작하는데 이 효소의 활성은 adrenaline, glucagon, 부신피질자극 호르몬 (adrenocorticotropic hormone, ACTH)와 같은 호르몬들의 cAMP를 매개로 하는 신호전달에 의하여 조절된다. 지방산은 triacylglycerol로부터 단계적으로 유리되고 혈액 속에 유리된 지방산은 혈청알부민과 결합하여 필요한 곳으로 운반된다.
음식물로 섭취한 triacylglycerol은 소량 위장에서 분해되고 대부분은 십이지장으로 이동하여 췌장에서 분비되는 lipase와 비특이적 esterase들에 의해 분해된다. 췌장의 lipase는 C-1과 C-3의 지방산을 가수분해하고, 다른 lipase와 esterase는 C-2 위치를 공격한다. 이 때 triacylglycerol의 분해를 도와주는 것이 담즙산염으로 triacylglycerol을 유화시키는 동시에 효소들의 활성을 촉진시킨다. 이렇게 분해된 지방산 중 짧은 사슬 지방산 (탄소 10개 이하)은 직접 작은창자 점막의 융모로 흡수되고, 보다 긴 것들은 담즙산과 함께 micelle을 형성하여 융모의 상피세포로 전달된다. 상피세포를 통과한 지방산들은 글리세롤과 축합되어 다시 triacylglycerol을 형성하고, 지방단백질과 결합하여 chylomicron (유미입자)를 형성한다. 이것은 림프계나 혈류로 운반되어 간, 폐, 심장, 근육 등 다른 조직으로 운반된다. 이들 조직에서 triacylglycerol은 다시 분해되어 글리세롤과 지방산을 방출하고, 이들은 산화과정을 밟게된다.
1) glycerol의 분해
glycerol → glycerol 3-phosphate → dihydroxyacetone phosphate
2) 지방산의 분해
(1) 지방산의 산화는 미토콘드리아 내에서 이루어지는데 긴 사슬의 지방산 경우는 미토콘드리아를 통과하기 전에 외막에서 카르복실기에 CoA가 결합되는 활성화되는 과정을 거친다. 이것을 acyl-CoA라고 부르며 이것의 형성은 acyl CoA synthetase에 의해 촉매되는 두 단계의 과정으로 이루어진다. 우선 지방산이 ATP와 반응하여 acyl adenylate를 형성하고, 이것이 CoA와 반응하여 acyl CoA를 형성한다. 이 반응들 각각은 가역적으로 전체 반응의 평형상수는 1에 가깝다. 그렇지만 ATP가 가수분해되면서 생기는 PPi는 다시 2Pi로 가수분해되면서 정반응의 진행을 가능케 한다.
(2) Medium chain의 경우는 필요없으나 long chain의 경우는 내막을 통과하는데 carnitine이 관여한다. 막 외부에서는 carnitine acyltransferase I이 acyl carnitine을 형성시키며, 이것이 translocase를 통해 전달된 후 막 내부에서는 carnitine acyltransferase II가 작용하여 역반응을 촉매한다. 짧거나 중간 길이의 지방산은 유리 상태로 미토콘드리아 내로 운반되어 acyl-CoA로 활성화된다.
4. 지방산의 산화 ( in mitochondria matrix )
지방산은 네 번의 반응에 의해 acetyl CoA, NADH, FADH2를 각각 1분자씩 생성하면서 두개의 탄소원자만큼 줄어드는 반응이 계속된다.
1) β 산화: β탄소로부터의 산화로서 지방산의 기본적인 산화과정이다.
그런데 이 경우 지방산의 종류에 따라 다른 효소들인 추가로 필요하다.
(1) 짝수의 탄소를 가진 포화지방산
β oxidation 과정은 4 단계로 진행된다. 우선 FAD에 의한 산화가 일어나고, 수화, 다시 NAD+ 에 의한 산화, 그리고 마지막으로 CoA에 의한 thiolysis가 일어난다.
이 반응들에 관여하는 TCA cycle에서 succinate→fumarate→malate→ oxaloacetate 과정과 유사하다.
acyl CoA dehydrogenase: acyl CoA(n) → trans-Δ2-enoyl CoA (Claisen condensation의 역반응)
enoyl CoA hydratase (crotonase): → L-hydroxyacyl CoA
L-3-hydroxyacyl CoA dehydrogenase: → 3-ketoacyl CoA (β-ketoacyl CoA)
β-ketothiolase: → acetyl CoA + acyl CoA(n-2)
Claisen
condensation: alpha-hydrogen in esters (like alpha-hydrogen
in aldehydes or ketones) are weakly acidic and can form ester enolates when treated with strong bases. Ester enolates can act as carbon nucleophiles and attack on the carbonyl group of a second ester molecule. A new carbon-carbon bond is formed and the product is a beta-ketoester.
반응의 결과는 Cn-acyl CoA + FAD+ NAD++ H2O + CoA → Cn-2-acyl CoA + FADH2 + NADH + acetyl CoA + H+ 로서, palmitoyl CoA (C16)의 경우 8 acetyl coA + 7FADH2 + 7NADH + 7 H+ 가 생긴다. 따라서 8 acetyl CoA 에서 ATP의 생성은
8 x 12 (10) = 96 (80)
7 FADH2 7 x 2 (1.5) = 14 (10.5)
7 NADH 7 x 3 (2.5) = 21 (17.5)
-------------------
= 131 (108)
그런데 지방산의 활성화에서 2분자의 고에너지가 사용되었으므로 (ATP → AMP + PPi), 1분자의 palmitate 지방산에서는 도합 131 (108) - 2 = 129 (106) 분자의 ATP가 생성된다.
2) 불포화 지방산의 산화
2종류의 추가적인 효소작용이 필요: enoyl CoA isomerase와 2,4-dienoyl-CoA reductase
A. 단일 불포화지방산 (예: Palmitoleate(cis-Δ9-hexadecanoate)의 산화)
3번의 산화과정 후에 나오는 산물은 cis-Δ3-enoyl CoA이다. 이것의 이중결합은 C-3와 C-4 사이에 존재한다. 이 위치의 이중결합은 C-2와 C-3 사이에 이중결합이 생기는 것을 방해하므로 이것의 위치를 옮기는데 필요한 효소가 enoyl CoA isomerase로서 trans-Δ2-enoyl CoA가 형성된다.
B. 다불포화 지방산 (cis,cis-Δ9,Δ12-octadecadienoate, linoleoyl-CoA)
enoyl-CoA isomerase가 두 번 작용하고, 2,4-dienoyl-CoA reductase가 추가로 필요하다.
3번의 산화과정 후에 cis-Δ3,Δ6-enoyl CoA가 생성된다. 이것의 이중결합에 있는 수소원자들의 cis-배열 상태를 enoyl CoA isomerase가 trans Δ2로 바꾸어 다시 한번 산화가 일어날 수 있다. 이때 acyl-CoA dehydrogenase가 작용하고 나면 trans-Δ2,cis-Δ4-enoyl CoA가 생긴다. 이것에 2,4-dienoyl-CoA reductase가 작용하면 trans-Δ2가 만들어지고, 이것은 다시 한번 enoyl-CoA isomerase가 작용하여 trans-Δ2로 바꾸어 계속적인 산화를 가능케 한다.
3) 홀수의 탄소를 가진 지방산의 산화
홀수의 지방산은 포유동물에서는 드물지만 식물이나 해양 유기체에서 흔하다. 포유동물이 이런 지방을 섭취하는 경우 β-산화를 거쳐 마지막 산화과정에서 acetyl CoA가 아니라 3탄당의 propionyl CoA가 생성된다. 이것은 methylmalonyl CoA와 succinyl CoA를 거쳐 TCA cycle로 들어간다.
*** Methylmalonyl CoA mutase (자리옮김 효소): Cobalamin을 보결원자단으로 보유하고 있다. Cobalamin에 있는 cobalt원자는 4개의 피롤고리에 있는 질소원자와 결합을 이루고 있으며, 5번째 치환기는 D 피롤 ring에서 나온 곁가지의 질소원자이다. 6번째 치환기는 -CH3, OH-, 또는 5'-deoxyadenosyl 기이다. cobalt원자는 +1, +2, +3의 산화상태를 가진다. OH-가 결합된 hydroxocobalamin은 +3의 상태이며, 2번의 환원을 거쳐 +1인 상태에서 ATP의 5'-탄소원자를 공격하여 삼인산기를 몰아내고 아데노신과 결합한 5'-deoxyadenosylcobalamin을 형성한다. 이것이 활성인 형태로서 다음 세가지의 반응을 촉매한다. (1)분자내 자리 옮김, (2)메틸화 반응, (3)ribonucleotide의 deoxyribonucleotide로의 환원. 이중 (1)(2)는 포유동물에서 이 조효소에 의해 촉매되는 유일한 반응이다.
Homolytic cleavage에 의한 자유라디칼 형성: 코발트 원자 주위의 steric crowding 때문에 stronger bond 형성이 방해되어 코발트와 -CH2 사이의 결합은 약하기 때문에 쉽게 절단되면서 라디칼을 형성한다. 일반적인 절단에서는 heterolytic cleavage이다. 왜냐하면 전자를 끌어당기는 정도가 차이가 나기 때문에 공유전자를 모두 가지고 떨어지거나, 아니면 전부 주고 떨어지는 경우가 일반적이다.
4) alpha oxidation
홀수의 탄소위치에 알킬기를 가진 가지 친 지방산의 경우 β-산화에는 적합치 못하다. 이런 경우 α-산화가 진행된다. long chain alcohol인 phytol(chlorophyll의 성분)의 산화에 관여.
페프섬 병이라고 α-산화에 결함이 있는 환자가 있다. 이런 환자의 경우는 클로로필을 섭취하지 않아야하며, 채식성 동물의 육류도 섭취해서는 안 된다.
5) 다른 세포내 기관에서의 지방산 산화
Peroxisome에서는 β-산화의 첫 번째 단계를 acyl-CoA oxidase가 촉매한다. 이 효소는 전자를 직접 산소에 전달하여 hydrogen peroxide를 생성한다. 따라서 전자가 전자전달계로 들어가지 못하므로 낮은 ATP 수율을 가진다. 나머지 산화과정은 미토콘드리아에서와 동일하다. Acyl-CoA oxidase는 6-8 혹은 그 이하의 지방산에 대해서는 활성을 가지지 않는다. 이와 유사한 효소는 식물의 glyoxisome에도 존재한다.
omega oxidation: rat liver microsome에서 발견된 minor pathway로서 말단 methyl기부터 산화해나가며, short-chain 지방산 ( C6 - C10 ) 산화에서 중요하게 작용한다. 이 경로에서는 시토크롬 p450에 의해 말단의 메틸기가 카르복시기로 산화되어 dicarboxylic acid가 만들어질 수 있다. 말단의 두 카르복시기 중 하나는 CoA와 결합하여 β-산화가 진행된다.
5. Ketone bodies; acetoacetate, D-3-hydroxybutyrate, acetone
Acetyl CoA가 TCA cycle로 들어가기 위해서는 oxaloacetate가 필요하다. 그런데 탄수화물이 부족하여 oxaloacetate 농도가 낮아지면 acetyl CoA는 TCA cycle로 들어가지 못하고 케톤체들을 형성하게 된다. 케톤체들의 주생성장소는 간 (그러나 간 자체는 이용하지 못함)으로 이들은 liver mitochondria로 부터 확산되어 나와 혈액을 통해 peripheral 조직으로 전달된다. 케톤체들은 이곳에서 다시 acetyl-CoA로 전환되어 이용된다.
심장근육과 신장의 피질은 glucose 보다 acetoacetate를 더 잘 이용한다고 하며, 뇌도 정상 상태에서는 glucose를 이용하나, 단식, 당뇨 등의 상태에서는 acetoacetate를 이용하도록 적응된다. 따라서 acetacetate는 acetyl unit의 water-soluble, transportable form으로 생각될 수 있다.
당뇨병 환자의 경우 글루코오즈를 이용하지 못하기 때문에 글루코오즈의 신생합성으로 가능한 oxaloacetate의 양이 부족하다. 따라서 지방산이 분해되어도 TCA 회로로 들어갈 수 없어 다량의 케톤체들이 생기게 된다. 당뇨병에는 제 I형과 제 II형 두가지가 존재한다. 제 I형은 인슐린 분비에 문제가 있는 경우이고, 제II형은 인슐린 수용체에 문제가 있는 경우다.