베타 산화 문서 원본 보기

{{위키데이터 속성 추적}}
'''베타 산화'''({{lang|en|β oxidation}})는 [[지방산]]의 [[이화작용]] 중 첫 번째 과정이다. 베타 산화는 [[미토콘드리아]]에서 지방산이 분해되어 [[아세틸 조효소 A]](아세틸-CoA)와 [[NADH]], [[FAD|FADH<sub>2</sub>]]를 생산하는 과정이다. 아세틸 조효소 A는 [[시트르산 회로]]에 들어가고, NADH와 FADH<sub>2</sub>는 [[전자전달계]]에서 사용된다. 지방산 이화작용의 두 번째 단계에서는 아세틸-CoA를 산화하고 [[이산화탄소]]가 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 [[카르니틴]]과 반응하여 아실카르니틴을 생성하고, 아실-카르니틴 수송체(translocase)에 의해 미토콘드리아 내막 안쪽으로 이동한다. 지방산 아실-CoA가 탄소수 10개 미만일 때는 간단히 [[확산]]되어 미토콘드리아 내막을 관통한다.

지방산이 미토콘드리아 기질에 들어오면 '''베타 산화'''가 시작된다.
# 긴 지방산 사슬이 탈수소화되고 α 탄소(C-2)와 β 탄소(C-3) 사이에 트랜스형 [[이중 결합]]을 만들어 ''트랜스''-Δ<sup>2</sup>-에노일-CoA를 생성한다. [[아실-CoA 탈수소효소]](acyl-CoA dehydratase)가 이 반응을 촉매 작용하고, FAD를 전자 받개로 이용하여 FADH<sub>2</sub>로 환원한다.
# ''트랜스''-Δ<sup>2</sup>-[[에노일-CoA]]의 이중 결합이 수화되어 [[β-하이드록시아실-CoA|<sub>L</sub>-β-하이드록시아실-CoA]]가 된다. [[에노일-CoA 수화효소]](enoyl-CoA hydratase)가 촉매 작용한다.
# <sub>L</sub>-β-하이드록시아실-CoA가 다시 탈수소화되어 β-케토아실-CoA가 된다. [[β-하이드록시아실-CoA 탈수소효소]]가 촉매 작용하고, NAD를 전자 받개로 이용한다.
# β-케토아실-CoA의 α 탄소(C-2)와 β 탄소(C-3) 사이에 가(加)싸이올 분해({{lang|en|thiolysis}})가 일어난다. 새로운 [[조효소 A]](CoA) 분자가 β 탄소(C-3)를 공격(친핵성)하고 결합을 끊을 때 싸이올레이스가 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 수질]]과 같은 몇몇 조직은 지방산을 에너지원으로 사용하지 않고 [[탄수화물]]을 이용한다.

== 지방산 활성화와 수송 ==
[[파일:Acyl-CoA from cytosol to the mitochondrial matrix.svg|400 px|섬네일|세포질에서 미토콘드리아 기질로 아실-CoA가 운반되는 과정(지방산 수송 시스템)]]
유리 지방산은 음전하를 띠기 때문에 [[세포막]]을 관통할 수 없고, SLC27족 지방산 수송체와 같은 수송체 단백질에 의해 세포 내로 들어간다.<ref name="pmid12856180">{{저널 인용|언어=en |author=Stahl A |title=A current review of fatty acid transport proteins (SLC27) |journal=Pflugers Arch. |volume=447 |issue=5 |pages=722–7 |date=2004-02 |pmid=12856180 |doi=10.1007/s00424-003-1106-z |url=}}</ref><ref name="pmid23506886">{{저널 인용|언어=en |author=Anderson CM, Stahl A |title=SLC27 fatty acid transport proteins |journal=Mol. Aspects Med. |volume=34 |issue=2-3 |pages=516–28 |year=2013 |pmid=23506886 |pmc=3602789 |doi=10.1016/j.mam.2012.07.010 |url=http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3602789/}}</ref> [[세포질액]]에 들어온 지방산은 긴 사슬 아실-CoA 합성효소(synthetase)에 의해 활성화된다. 지방산은 [[아데노신 삼인산|ATP]]와 반응하여 아데닐산과 무기 인산을 공급받고, 유리 조효소 A와 반응하여 지방산 아실-CoA 에스터와 [[아데노신 일인산|AMP]]를 생성한다. 아실-CoA 에스터는 미토콘드리아로 이동하여 산화되거나 세포질에 남아 막지질을 합성하는데 쓰인다.<ref name="carnitine" />
지방산 산화를 위한 일차처리({{lang|en|priming}})는 [[카르니틴]] 왕복통로<ref name="carnitine">{{서적 인용
|author=DAVID L. NELSON
|editor=백형환, 윤경식, 김호식 외 역
|title=레닌저 생화학
|edition=5판
|volume=하
|date=2010-05-30
|publisher=월드사이언스
|isbn=978-89-5881-152-7
|pages=650-652
|chapter=17장 지방산의 이화
}}</ref><ref>{{웹 인용|언어=en|accessdate=2014-10-21|url=http://pharmaxchange.info/press/2013/10/activation-and-transportation-of-fatty-acids-to-the-mitochondria-via-the-carnitine-shuttle-with-animation/ | title=Activation and Transportation of Fatty Acids to the Mitochondria via the Carnitine Shuttle with Animation | date=2013-10-06 | author=Sweety Mehta | publisher=PharmaXChange.info}}</ref>를 통하여 이루어진다.
# 아실-CoA가 카르니틴의 하이드록시기로 전이된다. 이 반응은 [[세포질]]에 있는 [[사이토졸]](Cytosol)에 위치하는 [[카르니틴 팔미토일 트랜스퍼레이스|카르니틴 팔미토일 전이효소 I]](팔미토일전이효소)이 촉매 작용한다.
# [[미토콘드리아]]막에 위치한 [[카르니틴-아실카르니틴 수송체]](translocase)가 아실카르니틴을 미토콘드리아 기질로 이동시킨다.
# 미토콘드리아 내막에 있는 [[카르니틴 아실 전이효소 II]](팔미토일 전이효소)가 아실카르니틴을 다시 아실-CoA로 전환한다. 유리 카르니틴은 다시 세포질로 돌아간다.

== 지방산의 베타 산화 ==
=== 탄소수가 짝수인 포화 지방산 ===
미토콘드리아에 들어온 짝수 [[포화 지방산]]은 아래와 같이 4단계의 베타 산화를 반복하면서 한 번에 탄소를 두 개 단위([[아세틸 조효소 A|아세틸-CoA]])로 방출한다.

{| class="wikitable"
| '''설명''' || '''반응''' || '''효소''' || '''산물'''
 |- 
 | [[FAD]]에 의한 '''산화'''([[탈수소화 반응|탈수소화]]} : 아실-CoA 탈수소효소에 의한 지방산 산화의 첫 단계. C-2와 C-3 사이에 [[이중 결합]]을 형성한다. || [[파일:Beta-Oxidation1.svg|가운데|400px]] || [[아실-CoA 탈수소효소]] || 트랜스-Δ<sup>2</sup>-에노일-CoA
 |- 
 | '''수화''' : C-2와 C-3 사이 결합의 [[수화 반응 (유기화학)|수화]]. 이 반응은 [[입체특이성|입체특이적]]으로, <sub>L</sub>형 [[이성질체]]만 생성한다. || [[파일:Beta-Oxidation2.svg|가운데|400px]] ||  [[에노일-CoA 수화효소]] || L-β-하이드록시아실-CoA
 |- 
 | [[NADH|NAD<sup>+</sup>]]에 의한 '''산화''' : <sub>L</sub>-β-하이드록실-CoA의 [[하이드록시기]]가 [[산화환원 반응|산화]]되어 [[케톤]]기로 전환된다. || [[파일:Beta-Oxidation3.svg|가운데|400px]] || [[3-하이드록시아실-CoA 탈수소효소]]  || β-케토아실-CoA
 |- 
 | '''가(加) 싸이올분해'''([[싸이올리시스|thyolysis]]) : 새로운 [[조효소 A]] 분자의 [[싸이올]]기가 β-케토아실-CoA를 자른다. 싸이올은 C-2와 C-3 사이에 결합한다. || [[파일:Beta-Oxidation4.svg|가운데|400px]] || [[β-케토싸이올레이스]]  || [[아세틸 조효소 A|아세틸-CoA]] 분자 하나와 탄소 2개가 짧아진 [[아실-CoA]] 분자  하나
|}

이 과정은 지방산 사슬 전체가 아세틸-CoA 단위로 쪼개질 때까지 반복된다. 마지막 베타 산화 주기에는 아실-CoA 대신 아세틸-CoA가 생성되므로 최종 산물로 아세틸-CoA 두 개가 생성된다. 각 주기에는 아실-CoA가 [[탄소]] 원자 두 개씩 짧아지고, [[FAD|FADH<sub>2</sub>]]와 [[NADH]], 아세틸-CoA 각각 한 분자가 생성된다.

=== 탄소수가 홀수인 포화 지방산 ===
일반적으로 탄소수가 홀수인 지방산은 식물과 몇몇 해양 생물에서 발견된다. [[반추동물]]은 [[혹위]]에서 [[탄수화물]]을 [[발효]]시켜 탄소가 3개인 [[프로피온산]]을 다량 생산한다.<ref>{{서적 인용
|author=DAVID L. NELSON
|editor=백형환, 윤경식, 김호식 외 역
|title=레닌저 생화학
|edition=5판
|volume=하
|date=2010-05-30
|publisher=월드사이언스
|isbn=978-89-5881-152-7
|pages=657
|chapter=17장 지방산의 이화
}}</ref>

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

프로피오닐-CoA는 [[중탄산염]]의 탄소가 프로피오닐-CoA의 가운데 탄소에 부가되어 <sub>D</sub>-메틸말로닐-CoA가 된다. 이 반응에는 [[바이오틴]] 보조인자와 ATP, 프로피오닐-CoA 카복실레이스가 참여한다. <sub>D</sub>형 [[입체이성질체|입체형태]]({{lang|en|conformation}})는 효소 메틸말로닐-CoA 에피머레이스에 의하여 <sub>L</sub>형 입체형태로 전환되고, 메틸말로닐-CoA 뮤테이스(조효소 B<sub>12</sub>가 필요)는 <sub>L</sub>형 입체형태 분자내 원자를 재배치하여 석시닐-CoA를 생산한다. 석시닐-CoA는 [[시트르산 회로]]로 들어간다.

아세틸-CoA가 이미 존재하는 옥살로아세트산과의 축합으로 시트르산 회로에 들어가는 반면, 석시닐-CoA는 그 자체로 반응에 참여하므로 석신산염은 회로를 순환하는 분자들과 섞여 실제로 [[물질대사|대사]]되지는 않는다. 시트르산 회로의 중간체가 과도하게 많아 [[아스파르트산]]이나 [[글루탐산]] 합성과 같이 중간체를 쓰는 반응([[:en:cataplerosis|cataplerotic reaction]])으로 균형을 유지할 수 있는 수준을 벗어나면, [[간]]과 [[콩팥]](신장)에서 중간체 일부가 [[포스포엔올피루브산 카복시키네이스]]를 통하여 [[포도당신생합성]] 경로로 빠져 유리 [[포도당]]으로 전환된다.<ref>{{웹 인용|언어=en |last=King|first=Michael |title=Gluconeogenesis: Synthesis of New Glucose |url=http://themedicalbiochemistrypage.org/gluconeogenesis.php |work=Subsection: "Propionate" |publisher=themedicalbiochemistrypage.org, LLC |accessdate=2013-03-20}}</ref>

=== 불포화 지방산 ===
[[파일:Unsaturated fatty acid- Beta oxidation.png|400 px|섬네일|[[불포화 지방산]]의 베타 산화]]
[[불포화 지방산]]은 시스 결합을 가지고 있어서 ''트랜스''-Δ<sup>2</sup> 결합의 형성을 방해한다. 이를 해결하는 효소가 에노일-CoA 이성질화효소와 2,4-다이에노일-CoA 환원효소이다.

불포화 지방산의 입체형태와는 상관없이, 베타 산화는 탄화수소 사슬에 [[이중결합]]이 있어서 아실-CoA 탈수소효소 혹은 에노일-CoA 수화효소의 기질이 되지 못할 때까지 포화 지방산과 같은 양상으로 일어난다.
* 아실-CoA가 ''시스''-Δ<sup>3</sup> 결합을 포함하고 있으면 ''시스''-Δ<sup>3</sup>-에노일-CoA 이성질화효소가 시스 결합을 기질이 될 수 있는 ''트랜스''-Δ<sup>2</sup> 결합으로 전환한다.
* 아실-CoA가 ''시스''-Δ<sup>4</sup> 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''-Δ<sup>3</sup>-에노일-CoA를 생산하면 위와 마찬가지로 에노일-CoA 이성질화효소를 통하여 적당한 중간체로 전환될 수 있다.

요약하자면, 이중결합을 홀수 개 가진 지방산은 [[이성질화효소]]가 처리하고, 짝수 개 가진 지방산은 [[환원효소]]를 통해 이중결합을 홀수 개 가진 지방산으로 변한다.

== 과산화소체에서의 산화 ==
지방산 산화는 [[과산화소체]]에서 일어난다. 과산화소체에서 일어나는 산화는 옥타노일-CoA에서 정지된다. 탄소수 22개 이상으로 긴 사슬을 가진 지방산, 가지 달린 지방산,<ref>{{저널 인용|언어=en|author=Singh I |title=Biochemistry of peroxisomes in health and disease |journal=Mol. Cell. Biochem. |volume=167 |issue=1-2 |pages=1–29 |date=1997-02 |pmid=9059978 |doi= |url=}}</ref> [[프로스타글란딘]]과 [[류코트라이엔]] 일부<ref name="GibsonLake2013">{{서적 인용|언어=en|author=G. Gordon Gibson, Brian G. Lake|title=Peroxisomes: Biology and Importance in Toxicology and Medicine|url=http://books.google.com/books?id=YwEMQLzH-bYC&pg=PA69|date=2013-04-08|publisher=CRC Press|isbn=978-0-203-48151-6|pages=69|accessdate=2014-10-21}}</ref>는 과산화소체에서 산화가 개시되고, 이어서 미토콘드리아에서 산화를 계속한다.<ref>{{웹 인용|언어=en|accessdate=2014-10-21|url=http://oregonstate.edu/dept/biochem/hhmi/hhmiclasses/biochem/lectnoteskga/2kjan14lecturenotes.html|title=Fatty Acid Oxidation|보존url=https://web.archive.org/web/20141101212307/http://oregonstate.edu/dept/biochem/hhmi/hhmiclasses/biochem/lectnoteskga/2kjan14lecturenotes.html#|보존날짜=2014-11-01|url-status=dead}}</ref>

과산화소체에서 일어나는 산화는 [[아데노신 삼인산|ATP]] 합성과 짝지어서 일어나지 않는다는 점이 특이적이다. 고에너지 [[전자]]는 [[산소]]에 전달되어 [[과산화수소]](H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>)를 생성하고, 열이 발생한다.<ref name="peroxi">{{서적 인용
|author=DAVID L. NELSON
|editor=백형환, 윤경식, 김호식 외 역
|title=레닌저 생화학
|edition=5판
|volume=하
|date=2010-05-30
|publisher=월드사이언스
|isbn=978-89-5881-152-7
|pages=662
|chapter=17장 지방산의 이화
}}</ref> 과산화소체 내에서만 발견되는 [[카탈레이스]]가 H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>를 [[물]]과 [[산소]]로 전환한다.

과산화소체에서 일어나는 베타 산화에는 과산화소체와 매우 긴 사슬 지방산({{lang|en|very long fatty acid}}, VLFA)에 특이적인 효소가 필요하다. 이들과 미토콘드리아 효소 사이의 차이점은 다음과 같다.
* 과산화소체의 베타 산화에는 미토콘드리아의 카르니틴 아실전이효소 I과 II 대신 과산화소체 카르니틴 아실전이효소가 필수적이다. 과산화소체 카르니틴 아실전이효소가 활성화된 아실기가 계속해서 분해되도록 미토콘드리아로 수송한다.
* 과산화소체에서 일어나는 산화 첫 단계는 아실-CoA 산화효소가 촉매 작용한다.
* 지방산 산화 세 번째 단계에서 생산된 [[NADH]]는 과산화소체에서 다시 산화되지 못하므로 환원당량이 [[세포질액]]으로 운반된다.
* 과산화소체의 β-케토타이올레이스는 미토콘드리아의 그것과는 다른 효소 특이성을 갖는다.

지방 비율이 높은 식사나 클로피브레이트({{lang|en|clofibrate}})와 같은 저지질혈증 약물을 투여하면 과산화소체에서 지방산 산화가 유도된다.<ref name="peroxi" />

== 에너지 생산량 ==
NADH가 3 ATP, FADH<sub>2</sub>가 2 ATP, 시트르산 회로가 최대 회전하였을 때 12 ATP를 생산한다고 가정한 경우 각 산화 주기에서는 이론적으로 최대 17 ATP가 생산될 수 있다. 실제로는 NADH 한 분자가 2.5 ATP, FADH<sub>2</sub>가 1.5 ATP, 시트르산 회로가 10 ATP를 생산하므로 일반적으로 14 ATP에 가깝다.

짝수 지방산 사슬을 가진 [[포화 지방산]](C<sub>2n</sub>)은 <math>n-1</math>번의 산화 과정을 거치고, 지방산의 활성화 과정에서 2 ATP가 손실된다. 따라서 총 ATP 생산량은 다음과 같다.

총 ATP 생산량 <math>= (n-1) * 14 +10 - 2 = 14n-6</math>

예를 들어, 팔미트산(C<sub>16</sub>, n=8)의 ATP 생산량은 <math>(8-1) * 14 + 10 - 2 = 106</math> ATP이다.
{| class="wikitable"
| '''에너지원''' || '''ATP''' || '''계'''
 |- 
 |  (8-1) FADH<sub>2</sub> || x 1.5 ATP  || = 10.5 ATP
 |- 
 |  (8-1) NADH || x 2.5 ATP  || = 17.5 ATP
 |- 
 | 8 acetyl CoA ||  x 10 ATP  || = 80 ATP
 |- 
 | 활성화 ||     || = -2 ATP
 |- 
 | 최종  ||     || = 106 ATP
|}

[[불포화 지방산]]의 베타 산화 과정에는 효소가 더 필요하므로 ATP 생산량에 차이가 있다.

== 임상에서 ==
베타 산화 경로에는 최소 25개의 효소 혹은 특이적 수송 단백질이 관여한다.<ref name=Tein2013>{{저널 인용|언어=en |last=Tein |first=Ingrid |year=2013 |title=Disorders of fatty acid oxidation |journal=Handbook of Clinical Neurology |volume=113 |pages=1675-1688 |doi=10.1016/B978-0-444-59565-2.00035-6}}</ref> 이들 중 18개가 인간 질병과 연관이 있다.

== 같이 보기 ==
* [[팔미트산]]
* [[지방산 대사]]
* [[지질 분해]]
* [[시트르산 회로]]
* [[오메가 산화]]
* [[알파 산화]]
* [[에너지대사]]

== 각주 ==
{{각주}}

{{물질대사}}

{{전거 통제}}

[[분류:세포생물학]]
[[분류:생화학]]
[[분류:지방산]]
[[분류:세포 호흡]]
[[분류:대사경로]]
[[분류:시트르산 회로]]