정답
① 아세틸 CoA, ② 7
출제 의도
지방산 β-산화의 한 회전에서 생성되는 물질과, 탄소 수에 따른 β-산화 회전 수 및 생성되는 아세틸 CoA의 개수를 이해했는지, 또 불포화지방산과 포화지방산의 ATP 수득량 차이, 지질과 탄수화물의 단위 질량당 에너지 수득량 차이를 설명할 수 있는지를 묻는 문제이다.
풀이 과정
지방산 β-산화 한 회전에서는 다음 네 단계가 일어난다. FAD에 의한 산화(탈수소) → 수화 → NAD⁺에 의한 산화 → CoA에 의한 가싸이올분해(thiolysis)이다.
가싸이올분해 단계에서 지방산 사슬이 2탄소 단위만큼 잘려 나가면서 아세틸 CoA가 하나씩 떨어져 나온다. 따라서 보기의 ‘FADH₂, NADH, H⁺, ( ① )’에는 바로 이때 생성되는 물질인 아세틸 CoA가 들어간다.
탄소 수가 \(16\)개인 포화지방산 팔미틀산을 β-산화하면, 매 회전마다 탄소가 2개씩 잘려 나가므로 아세틸 CoA의 개수는
$$ \frac{16}{2} = 8 \text{개} $$
이다. β-산화 회전 수는 마지막에 4탄소(아세토아세틸 CoA)가 남는 순간까지이므로, 탄소 수가 \(2n\) 인 포화지방산에서 회전 수는 \(n-1\) 번이다. 팔미틀산에서는 \(n=8\) 이므로
$$ \text{회전 수} = n-1 = 8-1 = 7 \text{번} $$
이다. 따라서 팔미틀산은 β-산화가 7번 일어나 8개의 아세틸 CoA(①)로 분해된다. 즉 ( ② )에는 7이 들어간다.
팔미톨레산은 팔미틀산과 탄소 수는 같지만 이중결합을 1개 가진 불포화지방산이다. 불포화지방산의 β-산화에서는 이중결합 때문에 그림 아래에 제시된 것처럼 이성질화효소가 작용하여 cis 이중결합을 β-산화에 적합한 trans-Δ² 구조로 바꾸어 준다.
이 과정에서 이미 이중결합이 있는 자리에서는 원래 포화지방산에서 일어나는 첫 번째 FAD 의존 탈수소 반응(알칸 → 알켄 단계)을 거치지 않는다. 즉 그 회전에서는 FADH₂가 생성되지 않는다.
따라서 팔미틀산과 팔미톨레산을 완전히 산화할 때, 팔미틀산에서는 모든 β-산화 회전에서 FADH₂가 생성되지만, 팔미톨레산에서는 이중결합이 있는 한 회전에서 FADH₂ 생성이 생략된다. FADH₂는 전자전달계에서 ATP를 만들어 내므로, FADH₂를 한 분자 덜 만드는 팔미톨레산이 팔미틀산보다 ATP 생성량이 더 적다.
마지막으로, 같은 질량을 가진 중성지방과 다당류(예: 글리코젠)를 완전히 분해했을 때 중성지방에서 ATP가 더 많이 생성되는 이유는 다음과 같다.
중성지방(지방산)은 탄소 사슬 대부분이 C–C, C–H 같은 환원된 결합으로 되어 있어, 같은 질량의 탄수화물보다 훨씬 더 많은 전자를 가지고 있다. 이 전자들이 β-산화와 TCA 회로, 전자전달계를 거치면서 많은 FADH₂, NADH를 만들어 내고, 그만큼 ATP 생산량도 커진다.
반면 다당류(탄수화물)는 이미 C–O 결합 비율이 높아 상대적으로 산화된 상태라 단위 질량당 얻을 수 있는 환원력(전자 수)이 적다. 그 결과 같은 질량에서 생성되는 NADH·FADH₂, 나아가 ATP의 양도 중성지방보다 적다.
<풀이가 부정확할 수 있으니 반드시 교차검증 확인 바랍니다.>