크렙스 회로(Krebs Cycle), 또는 TCA 회로(Tricarboxylic Acid Cycle)나 시트르산 회로는 세포 호흡의 제2단계로, 미토콘드리아 기질에서 일어납니다. 이 회로의 핵심 목적은 활성 아세트산(Acetyl-CoA)을 산화시켜 에너지를 $NADH$와 $FADH_2$의 형태로 저장하고, $CO_2$를 배출하는 것입니다.

각 단계별 작용 기작을 구체적으로 설명하겠습니다.

0. 준비 단계: 피루브산의 산화 (연결 반응)

회로에 들어가기 전, 세포질에서 생성된 피루브산($C_3$)이 미토콘드리아 기질로 들어와 아세틸-CoA($C_2$)로 변환됩니다. 이 과정에서 $CO_2$ 1분자와 $NADH$ 1분자가 생성됩니다.

1. 시트르산 형성 (축합 반응)

  • 반응: 아세틸-CoA($C_2$) + 옥살아세트산($C_4$) + $H_2O$ → 시트르산($C_6$) + CoA-SH
  • 효소: 시트르산 합성 효소 (Citrate synthase)
  • 설명: 2탄소 화합물인 아세틸-CoA가 4탄소 화합물인 옥살아세트산과 결합하여 6탄소 화합물인 시트르산이 됩니다. 이 과정에서 조효소 A(CoA)는 분리되어 재사용됩니다.

2. 이소시트르산으로의 이성질화

  • 반응: 시트르산 → 이소시트르산
  • 효소: 아코니타아제 (Aconitase)
  • 설명: 시트르산의 구조를 약간 바꾸어 이어질 산화 반응이 잘 일어나도록 이소시트르산으로 변환합니다. (중간 단계로 시스-아코니트산이 형성되기도 합니다.)

3. 1차 산화 및 탈탄산 반응

  • 반응: 이소시트르산($C_6$) + $NAD^+$ → $\alpha$-케토글루타르산($C_5$) + $NADH$ + $H^+$ + $CO_2$
  • 효소: 이소시트르산 탈수소효소 (Isocitrate dehydrogenase)
  • 설명: 이소시트르산이 산화되면서 $NAD^+$를 $NADH$로 환원시키고, 탄소 하나가 $CO_2$ 형태로 떨어져 나갑니다. 결과물은 5탄소 화합물인 $\alpha$-케토글루타르산입니다.

4. 2차 산화 및 탈탄산 반응

  • 반응: $\alpha$-케토글루타르산($C_5$) + $NAD^+$ + CoA → 숙시닐-CoA($C_4$) + $NADH$ + $H^+$ + $CO_2$
  • 효소: $\alpha$-케토글루타르산 탈수소효소 복합체
  • 설명: 다시 한번 산화와 탈탄산이 일어납니다. $CO_2$가 방출되어 4탄소 화합물이 되고, $NADH$가 생성됩니다. 이때 다시 조효소 A가 결합하여 에너지 수준이 높은 숙시닐-CoA가 됩니다.

5. 기질 수준 인산화

  • 반응: 숙시닐-CoA($C_4$) + $GDP$(또는 $ADP$) + $Pi$ → 숙신산($C_4$) + $GTP$(또는 $ATP$) + CoA
  • 효소: 숙시닐-CoA 합성 효소
  • 설명: 숙시닐-CoA의 고에너지 결합이 끊어지면서 방출되는 에너지로 $GTP$ 또는 $ATP$를 생성합니다. (동물 세포에서는 주로 $GTP$가 생성된 후 $ATP$로 전환됩니다.) 결과물은 숙신산입니다.

6. 3차 산화 (FAD 환원)

  • 반응: 숙신산($C_4$) + $FAD$ → 푸마르산($C_4$) + $FADH_2$
  • 효소: 숙신산 탈수소효소 (Succinate dehydrogenase)
  • 설명: 숙신산이 산화되어 푸마르산이 됩니다. 이때 전자 수용체로 $NAD^+$ 대신 $FAD$를 사용하여 $FADH_2$를 생성합니다. (이 효소는 미토콘드리아 내막에 결합되어 있어 전자전달계와 직접 연결됩니다.)

7. 수화 반응

  • 반응: 푸마르산($C_4$) + $H_2O$ → 말산($C_4$)
  • 효소: 푸마라아제 (Fumarase)
  • 설명: 푸마르산에 물 분자가 첨가되어 말산으로 변환됩니다.

8. 4차 산화 (옥살아세트산 재생)

  • 반응: 말산($C_4$) + $NAD^+$ → 옥살아세트산($C_4$) + $NADH$ + $H^+$
  • 효소: 말산 탈수소효소 (Malate dehydrogenase)
  • 설명: 말산이 마지막으로 산화되면서 $NADH$를 생성하고, 회로의 출발 물질인 옥살아세트산으로 돌아옵니다. 이제 이 옥살아세트산은 새로운 아세틸-CoA를 맞이할 준비가 되었습니다.

요약 및 결과 (아세틸-CoA 1분자당)

1회의 크렙스 회로를 통해 얻어지는 산물은 다음과 같습니다. $CO_2$: 2분자 (3, 4단계) $NADH$: 3분자 (3, 4, 8단계) $FADH_2$: 1분자 (6단계) $ATP$ ($GTP$): 1분자 (5단계)

의의: 이 과정에서 생성된 $NADH$와 $FADH_2$는 전자전달계로 이동하여 다량의 $ATP$를 생산하는 데 사용됩니다. 즉, 크렙스 회로는 포도당의 에너지를 전자의 형태로 뽑아내어 저장하는 효율적인 에너지 추출 공정입니다.