| Tricarboxylic Acid Cycle의 약자. 발견한 사람의 이름을 따 크렙스 회로(Krebs cycle), 또한 이 회로의 출발물질에서 딴 시트르산 회로(Citric acid cycle)라 하기도 한다. Tricarboxylic acid란 이름 역시 시트르산이 3개의 카복실기를 가진 데에서 유래하였으며 3개의 카복실기가 1개의 카복실기를 내주고 2개의 카복실기가 되었다가 다시 1개의 카복실기를 얻어 3개의 카복실기가 되는 한바퀴를 TCA 회로 1사이클이라 한다. 회로 자체가 양방항성 회로(Amphibolic)이다. 즉 이화작용(Catabolism)과 동화작용(Anabolism)이 동시에 가능하다는 말인데, 회로 중간물질(Precursors)들은 거의 모두 생합성(Biosynthesis)에 이용된다. 우리 몸에서 합성되는 아미노산, 핵산염기들과 또한 중간물질 중 하나인 옥살로아세트산(oxaloacetate)은 포도당을 생성하기 위한 전구체로써 쓰인다(포도당 신생합성에서 전구체로 쓰인다). 그리고 회로 내에서 산화, 환원 반응을 통해 에너지(ATP 등)와 후에 벌어질 전자전달계(Electron Transport Chain, ETC)를 위한 환원력(NADH+H+, FADH2)를 제공하기도 한다. 주로 이 회로가 일어나는 장소는 미토콘드리아의 기질이며 여기서 생성된 환원력은 바로 전자전달계로 전달, 환원되어 가며 전자가 이동하면서 생기는 위치에너지로 양성자를 막간공간 쪽으로 넘겨주게 되고, 종국에는 최종 전자수용체가 전자를 받아서 산화되며 양성자가 ATP 합성 효소를 통해 기질 쪽으로 넘어오게 되고, 그 힘으로 인해 ATP 합성이 이루어진다. 즉 이 과정을 통해서 진핵생물은 자신이 살아가는 데 필요한 에너지를 만들 재료와, 생물의 생존과 성장에 필요한 재료의 대부분을 생산한다.(TCA회로 자체적으로도 소량의 ATP를 생성하고, 해당과정과 발효를 통해 에너지를 얻는 경우도 있기 때문에 '전부'라고 하는 것은 틀린 표현이다.) |
TCA cycle(Tricarboxylic Acid Cycle), 크렙스 회로(Krebs cycle), 시트르산 회로(Citric acid cycle)
TCA cycle(Tricarboxylic Acid Cycle, 구연산회로, Citric acid cycle)는 생물에게 있어서 가장 보편적인 세포내 물질 대사의 주요한 경로이며, 동식물의 미토콘드리아 안에서 이루어집니다. 동식물의 체내에서 에너지를 발생시키며 산소를 필요로 합니다.
<광합성의 요약된 전체적인 과정>
위의 그림은 광합성의 전체적인 과정으로써 명반응과 암반응을 가지고 있습니다. 명반응과 암반응은 위의 그림처럼 NADP, NADPH 등의 조효소(coenzyme)들을 주고 받으며, 이산화탄소와 물로부터 최종적으로 포도당, 산소, 물이 만들어집니다.
광의존적 반응(명반응) :
2H2O + 2NADP+ + 3ADP + 3Pi + 빛 에너지 → 2NADPH + 2H+ + 3ATP + O2
비광의존적 반응(캘빈회로) :
3CO2 + 9ATP + 6NADPH + 6H+ → 글리세르알데하이드 3-인산(G3P) + 9ADP + 8Pi + 6NADP+ + 3H2O
글리세르알데하이드 3-인산(G3P)은 또 과정을 거치며 포도당(C6H12O6)으로 전환됨.
■ Calvin cycle과 TCA cycle의 차이
광합성(photosynthesis)을 하는 식물의 경우 캘빈회로(Calvin cycle)는 암반응에서 18ATP와 12NADPH를 소모하면서 포도당을 생성하는 과정입니다. 그에 반해 TCA회로는 암반응을 통해 생성된 포도당(명반응은 포도당을 생성 못하고 이용만함)을 해당과정을 통해 생성된 두개의 피부르산으로 아세틸조효소A(acetyl-CoA)로 전환시키고, 이것이 회로 내의 옥살아세트산과 결합하여 시트르산을 생성함으로써 TCA 회로를 거쳐 ATP 에너지를 얻는(생성하는) 회로입니다. 따라서 동물은 광합성의 기능이 없이 식품을 통해 결국 포도당이 TCA 등을 통해 ATP를 생성하지만, 식물은 빛에너지를 이용하여 명반응과 암반응(캘빈회로)의 순환과정을 이용하여 최종적으로 포도당을 생성하고, 이 포도당을 이용하여 성장 및 저장에 이용하거나 TCA 회로를 거쳐 ATP 에너지를 생성합니다. TCA 사이클은 동물과 식물 그리고 미생물 등도 가지고 있지만, 캘빈 사이클은 주로 식물과 일부 미생물 등에만 해당됩니다.
동물의 경우는 체내에 소화된 탄수화물, 단백질, 지방이 소화되면서, 탄수화물의 글루코오스와 글리코겐 그리고 단백질의 아미노산 그리고 지방산과 글리세롤은 해당과정(Glycolysis)을 통해 생성된 두개의 피부르산(pyruvate)으로부터 식물과 마찬가지로 TCA 회로를 거쳐 ATP 에너지를 얻게 됩니다.
TCA회로는 아세틸조효소(Co)A와 옥살아세트산이 결합하여 시트르산(citrate)이 생성되면서 시작됩니다. 시스트르산이 회로를 돌며 다시 옥살아세트산이 되면서 이과정은 반복됩니다. TCA회로를 거치면서 시트르산이 옥살아세트산이 되면서 H2O와 CO2가 결합하거나 분리됩니다. 아세틸조효소가 되기전 1NADH와 TCA회로에서 3NADH와 1FADH2가 생성됩니다. 결국 TCA회로는 1 피부르산이 옥살아세트산이 되면서 1 ATP를 생성합니다(전자전달계를 거치지않는 경우).
포도당이 해당과정을 거쳐 두개의 피부르산으로 되면서 피부르산은 각자 탈수소반응 혹은 포름산 연결효소반응을 통해 아세틸조효소A가 되고, 아세틸조효소A에서 아세틸기가 옥살아세트산으로 전이되어 시트르산을 생성시켜, TCA회로를 계속 순환하게 만들고, 반복되는 순환과정중에 일부가 이산화탄소와 물로 산화됩니다.
TCA회로를 거치는 동안 기질수준인산화를 통해 1ATP(또는 1GTP)와 3분자의 이산화탄소가 생성됩니다. 피루브산이 가지고 있던 수소(H)는 탈수소 효소에 의해 NAD와 FAD에 결합되어 4NADH와 1FADH2를 생성합니다. 이러한 4NADH와 1FADH2는 전자전달계로 들어가 산화되어 산화적인산화로 ATP를 따로 생성합니다(대부분의 ATP는 여기에서 생성됨). NAD는 수소를 받아 NADH를 형성하는 수소수용체로서 조효소의 하나입니다.
이미 해당과정에서 2ATP가 생성되고, 2개의 피부르산은 TCA사이클을 거쳐 각각 1ATP가 생성되어 총 2ATP가 생성되며, 해당과정에서 2NADH는 전자전달계를 거쳐 6ATP를 생성하고, TCA회로에서 두개의 피부르산이 2NADH와 6NADH 그리고 2FADH2이 전자전달계를 거처 28ATP가 생성됩니다.
해당과정 회수기에서 NADH 2개, 산화적인산화에서 NADH 2개, Krebs cycle에서 NADH 6개, FADH2 2개가 생성되어 총 NADH 10개, FADH2 2개가 됩니다. 이때 여기에 산화적인산화를 거치며 각각 에너지인 ATP가 생성됩니다.
산화적인산화(전자전달계를 포함)를 통한 ATP 생성 반응식 :
10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 28 ADP + 28 Pi + 6 O2 → 10 NAD+ +2 FAD + 12 H2O + 28 ATP
산화적인산화를 통한 28ATP 생성에서 산화적인산화가 아닌 혹은 전자전달계를 거치지않는 해당과정이나 TCA 회로의 여분의 ATP가 합쳐져서 최대 38ATP가 됩니다.
TCA회로가 1번 돌때 1분자의 GTP(또는 ATP), 3분자의 NADH, 1분자의 FADH2, 2분자의 CO2가 생성됩니다. 1분자의 포도당은 2분자의 아세틸-CoA를 생성하므로 포도당 1분자당 2번의 TCA회로가 진행되며 따라서 2번의 TCA회로에서 모두 2GTP(또는 2ATP), 6NADH, 2FADH2, 4CO2가 생성됩니다. 이때 1NADH는 3ATP, 1FADH2는 2ATP를 생성합니다.
포도당은 해당과정, TCA회로, 전자전달계를 거쳐 총 38ATP를 생성하게 됩니다. 1몰의 ATP(adenosine triphosphate)는 ADP(adenosine diphosphate)로 전환되고, ADP는 또한 AMP(adenosine monophosphate)로 전환되는데, 이때 각각 7~8Kcal의 에너지가 생성됩니다. 따라서 ATP가 AMP로 전환되면 14Kcal에 가까운 에너지가 생성합니다.
시스템들은 순환작용을 하면서 질량을 에너지로 전환시키며, 손실된 질량을 다시 보충하여 에너지를 발생시키는 순환시스템을 갖추게 됩니다. 이것은 원자의 진동과도 원리는 같습니다.