베타 산화

지방산 이화작용은 세 단계로 구분되는데, 베타 산화(β oxidation)가 그 첫 번째이다. 베타 산화는 미토콘드리아에서 지방산이 분해되어 아세틸 조효소 A(아세틸-CoA)와 NADH, FADH2를 생산하는 과정이다. 아세틸 조효소 A는 시트르산 회로에 들어가고, NADH와 FADH2는 전자전달계에서 사용된다. 지방산 이화작용의 두 번째 단계에서는 아세틸-CoA를 산화하고 이산화탄소가 부산물로 생산되고, 마지막으로 전자 운반체에서 전자전달계로 전자가 전달된다.

지방산이 산화되기 위해서는 미토콘드리아 기질로 들어가는 활성화 과정이 필요하다. 지방산 아실-CoA의 아실 사슬이 탄소 10개 이상으로 이루어져 있으면 카르니틴과 반응하여 아실카르니틴을 생성하고, 카르니틴-아실카르니틴 수송체(translocase)에 의해 미토콘드리아 내막 안쪽으로 이동한다. 지방산 아실-CoA가 탄소수 10개 미만일 때는 간단히 확산되어 미토콘드리아 내막을 관통한다.

지방산이 미토콘드리아 기질에 들어오면 베타 산화가 시작된다.

1. 긴 지방산 사슬이 탈수소화되고 α 탄소(C-2)와 β 탄소(C-3) 사이에 트랜스형 이중 결합을 만들어 트랜스-Δ2-에노일-CoA를 생성한다. 아실-CoA 탈수소효소가 이 반응을 촉매 작용하고, FAD를 전자 받개로 이용하여 FADH2로 환원한다.
2. 트랜스-Δ2-에노일-CoA의 이중 결합이 수화되어 L-β-하이드록시아실-CoA가 된다. 에노일-CoA 수화효소가 촉매 작용한다.
3. L-β-하이드록시아실-CoA가 다시 탈수소화되어 β-케토아실-CoA가 된다. β-하이드록시아실-CoA 탈수소효소가 촉매 작용하고, NAD를 전자 받개로 이용한다.
4. β-케토아실-CoA의 α 탄소(C-2)와 β 탄소(C-3) 사이에 가(加)타이올 분해(thiolysis)가 일어난다. 새로운 조효소 A(CoA) 분자가 β 탄소(C-3)를 공격(친핵성)하고 결합을 끊을 때 타이올레이스가 반응을 촉매 작용한다. 이 반응으로 첫 번째 탄소 두 개가 아세틸-CoA 형태로 떨어져 나오고, 아실-CoA의 지방산 사슬은 탄소 두 개가 감소한다. 이 과정이 반복되어 지방산 사슬의 모든 탄소가 아세틸-CoA로 전환된다.

지방산은 신체 대부분의 조직에서 산화된다. 부신 수질과 같은 몇몇 조직은 지방산을 에너지원으로 사용하지 않고 탄수화물을 이용한다.

탄소수가 홀수인 포화 지방산[편집]

일반적으로 탄소수가 홀수인 지방산은 식물과 몇몇 해양 생물에서 발견된다. 반추동물은 혹위에서 탄수화물을 발효시켜 탄소가 3개인 프로피온산을 다량 생산한다.[5]

탄소수가 홀수인 지방산 사슬은 짝수인 사슬과 같은 방식으로 산화되지만, 마지막에 생성되는 것이 아세틸-CoA 두 분자가 아니라 프로피오닐-CoA와 아세틸-CoA이다.

프로피오닐-CoA는 중탄산염의 탄소가 프로피오닐-CoA의 가운데 탄소에 부가되어 D-메틸말로닐-CoA가 된다. 이 반응에는 바이오틴 보조인자와 ATP, 프로피오닐-CoA 카복실레이스가 참여한다. D형 입체형태(conformation)는 효소 메틸말로닐-CoA 에피머레이스에 의하여 L형 입체형태로 전환되고, 메틸말로닐-CoA 뮤테이스(조효소 B12가 필요)는 L형 입체형태 분자내 원자를 재배치하여 석시닐-CoA를 생산한다. 석시닐-CoA는 시트르산 회로로 들어간다.

아세틸-CoA가 이미 존재하는 옥살로아세트산과의 축합으로 시트르산 회로에 들어가는 반면, 석시닐-CoA는 그 자체로 반응에 참여하므로 석신산염은 회로를 순환하는 분자들과 섞여 실제로 대사되지는 않는다. 시트르산 회로의 중간체가 과도하게 많아 아스파르트산이나 글루탐산 합성과 같이 중간체를 쓰는 반응(cataplerotic reaction)으로 균형을 유지할 수 있는 수준을 벗어나면, 간과 신장에서 중간체 일부가 포스포에놀피루브산 카르복시카이네이스를 통하여 포도당신생합성 경로로 빠져 유리 포도당으로 전환된다.[6]

불포화 지방산[편집]

불포화 지방산의 베타 산화

불포화 지방산은 시스 결합을 가지고 있어서 트랜스-Δ2 결합의 형성을 방해한다. 이를 해결하는 효소가 에노일-CoA 이성질화효소와 2,4-다이에노일-CoA 환원효소이다.

불포화 지방산의 입체형태와는 상관없이, 베타 산화는 탄화수소 사슬에 이중결합이 있어서 아실-CoA 탈수소효소 혹은 에노일-CoA 수화효소의 기질이 되지 못할 때까지 포화 지방산과 같은 양상으로 일어난다.

• 아실-CoA가 시스-Δ3 결합을 포함하고 있으면 시스-Δ3-에노일-CoA 이성질화효소가 시스 결합을 기질이 될 수 있는 트랜스-Δ2 결합으로 전환한다.
• 아실-CoA가 시스-Δ4 결합을 포함하고 있어 탈수소반응을 통하여 2,4-다이에노일 중간체를 형성하면 에노일-CoA 수화효소의 기질이 될 수 없다. 그러나 2,4-다이에노일-CoA 환원효소가 NADPH로 중간체를 환원하여 트랜스-Δ3-에노일-CoA를 생산하면 위와 마찬가지로 에노일-CoA 이성질화효소를 통하여 적당한 중간체로 전환될 수 있다.

요약하자면, 이중결합을 홀수 개 가진 지방산은 이성질화효소가 처리하고, 짝수 개 가진 지방산은 환원효소를 통해 이중결합을 홀수 개 가진 지방산으로 변한다.