第４回　ＴＣＡサイクルと 電子伝達系 日紫喜　光良 基礎生化学 ２００９．４．２８

ＴＣＡサイクル ＴＣＡ：　Tricarboxilic acids カルボニル基（炭素と酸素の２重結合）が３個含まれる酸 サイクル：もとに戻る

ＴＣＡサイクルのはたらき 炭素数６（グルコースなど） 炭素数３の中間代謝物 ×２分子（以下略） 炭素数２の中間代謝物 CO2 炭素数４の中間代謝物 炭素数６の中間代謝物 炭素数５の中間代謝物 CO2 CO2 イラストレーテッド生化学　図８．２

ＴＣＡサイクルの中間代謝物 ピルビン酸 アセチルCoA クエン酸 イソクエン酸 α－ケトグルタル酸 スクシニルＣｏＡ コハク酸 フマル酸 リンゴ酸 オキサロ酢酸 CO2 CO2 C6 C5 C4

ＴＣＡサイクルでのエネルギー産生 ピルビン酸 アセチルCoA クエン酸 イソクエン酸 α－ケトグルタル酸 スクシニルＣｏＡ コハク酸 フマル酸 リンゴ酸 オキサロ酢酸 CO2 CO2 C6 C5 C4 NADH NADH GTP FADH2 NADH

ＴＣＡサイクルでできるエネルギー源 ＧＴＰ ＮＡＤＨ ＦＡＤＨ２

ＮＡＤ＋の還元→NADHの生成 イラストレーテッド生化学　図２８．１４ ヒドリドイオン （水素原子＋電子） ＮＡＤ＋ ＮＡＤＨ

フラビンアデニンジヌクレオチド（FAD) イラストレーテッド生化学　図２８．１５ リボフラビン（ビタミンB2) リン酸結合 リン酸結合 リボース アデニン

TCAサイクルの酵素 ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体 ピルビン酸 アセチルＣｏＡ オキサロ酢酸 クエン酸 クエン酸シンターゼ アコニターゼ イソクエン酸 イソクエン酸デヒドロゲナーゼ αーケトグルタル酸 α-ケトグルタル酸デヒドロゲナーゼ複合体 スクシニルCoA リンゴ酸デヒドロゲナーゼ リンゴ酸 フマラーゼ フマル酸 コハク酸チオキナーゼ コハク酸 コハク酸デヒドロゲナーゼ

ＴＣＡサイクルの場所：ミトコンドリア 細胞質 ミトコンドリア 外膜 内膜 NADHなど アセチルCoAなど

物質を運ぶタンパク質：トランスポーター

ピルビン酸の場合 ピルビン酸トランスポーター ミトコンドリア内部（マトリクス） グルコース→→…→ピルビン酸 ピルビン酸→アセチルＣｏＡ＋ＣＯ２ （Solute Carrier Proteinの一種） ミトコンドリア内膜

ATP/ADPトランスポーター ATP/ADP トランスポーター イラストレーテッド生化学　図６．１３

電子を運ぶ、中間代謝物の「シャトル」 http://www.norikaiya.net/koutei-4-weave.html www.enjoytokyo.jp www.nasa.gov シャトルといえば… www.yonex.co.jp

リンゴ酸・アスパラギン酸シャトル ミトコンドリアのマトリクス 細胞質 アスパラギン酸 α-ケトグルタル酸 リンゴ酸 オキサロ酢酸 グルタミン酸 グルタミン酸 オキサロ酢酸 リンゴ酸 アスパラギン酸 α-ケトグルタル酸 NADH + H+ NAD+ NAD+ NADH + H+ 電子伝達系 イラストレーテッド生化学図６－１５

グリセロールリン酸シャトル ミトコンドリア内膜 細胞質 デヒドロキシアセトンリン酸 グリセロール3-リン酸 デヒドロキシアセトンリン酸 グリセロール3-リン酸 FAD FADH2 NADH + H+ NAD+ 電子伝達系へ イラストレーテッド生化学図６－１５

アセチルCoAの生成 ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体 CoA とNAD+ ピルビン酸 NADH + H+ CO2 アセチルCoA この反応は、産物であるアセチルCoAとNADHによって阻害される イラストレーテッド生化学　図９．２

コエンザイムＡ（CoA） イラストレーテッド生化学　図２８．１７ アセチルCoA http://www.steve.gb.com/science/core_metabolism.html パントテン酸を含む

構造の比較 ＮＡＤ＋ FAD CoA ニコチンアミド＋リン酸結合＋AMP リボフラビン＋リン酸結合＋AMP パンテテイン-ピロリン酸+アデノシン3－リン酸 電子を運ぶ 電子を運ぶ アセチル基CH3CO-を運ぶ AMP：アデノシン一リン酸

クエン酸の生成 アセチルCoA オキサロ酢酸 クエン酸シンターゼ クエン酸 イラストレーテッド生化学　図９．５

α-ケトグルタル酸の生成 クエン酸 イソクエン酸 イソクエン酸デヒドロゲナーゼ α-ケトグルタル酸 イラストレーテッド生化学　図９．５ アコニターゼ

スクシニルCoAの生成 α-ケトグルタル酸 スクシニルCoA α-ケトグルタル酸デヒドロゲナーゼ複合体 NAD+ NADH + H+ CO2 イラストレーテッド生化学　図９．６

リンゴ酸の生成 スクシニルCoA コハク酸 コハク酸デヒドロゲナーゼ フマル酸 リンゴ酸 フマラーゼ コハク酸チオキナーゼ

オキサロ酢酸の再生 リンゴ酸 オキサロ酢酸 リンゴ酸デヒドロゲナーゼ イラストレーテッド生化学　図９．７

1分子のアセチルCoAから作られるATPの数 イラストレーテッド生化学　図９．８

TCA回路まとめ（１） 1周する間に、1分子のアセチルCoAから3分子のNADH, 1分子のFADH2ができる。また、1分子のGTPができる。アセチルCoAの炭素は２分子のCO2として消滅する。 アセチルCoA クエン酸 イソクエン酸 α-ケトグルタル酸 スクシニルCoA コハク酸 フマル酸 リンゴ酸 オキサロ酢酸 CO2 CO2 図９．９

ＴＣＡ回路の調節 ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体 イソクエン酸デヒドロゲナーゼ αーケトグルタル酸デヒドロゲナーゼ複合体

ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体の調節 リン酸化→不活性化 脱リン酸化→活性化 プロテインホスファターゼを活性化（ピルビン酸デヒドロゲナーゼを活性化）：カルシウムイオン プロテインキナーゼを活性化：ATP,アセチルCoA, NADH プロテインキナーゼを不活性化（ピルビン酸デヒドロゲナーゼを活性化）：ピルビン酸

TCA回路まとめ（2）反応を促進または阻害する要因 エネルギー物質（NADH, ATP, GTP）過剰、中間代謝物(スクシニルCoA)蓄積→阻害 エネルギー物質不足(ADP増加）、Caイオン→促進

ＮＡＤＨ、ＦＡＤＨ２の処理 電子の運び屋 水素原子を酸素と反応させて水をつくる。 その際のエネルギーでミトコンドリア内部からH+を外にくみ出す H+がチャンネルを通ってミトコンドリアに再流入するエネルギーでADPをリン酸化してATPにする。 「酸化的リン酸化」

代謝と酸化的リン酸化との関係 イラストレーテッド生化学　図６．６ 炭水化物、脂肪酸、アミノ酸 酸化 ＣＯ２、Ｈ２Ｏ 還元 電子運搬物質 還元された電子運搬物質+H+ 酸素 H2O 還元された電子運搬物質 電子運搬物質 酸化 電子の授受 ADP+Pi ATP H+の流れ

酸化的リン酸化をたとえると… Ｈ＋ Ｈ＋の濃度勾配がＡＴＰ生成の駆動力 Ｈ＋の濃度勾配 燃料電池 ポンプを回してＨ＋をくみ出している Ｈ+の流れで起電力をつくり、その電力でATPを合成している ＡＴＰを使って化学反応をおこなっている。 汲み出す

酸化的リン酸化はミトコンドリアの内部（マトリクス）でおこなわれる 内膜は多くの小イオン、小分子、大分子に対して非透過的 電子伝達系 ATPシンターゼ マトリクス TCA回路の酵素 脂肪酸酸化のための酵素 ミトコンドリアDNA, ミトコンドリアRNA ミトコンドリアリボソーム イラストレーテッド生化学　図６．７

電子伝達系 ミトコンドリア ミトコンドリアのマトリクス ミトコンドリアの内膜 NADH, FADH2 酸素 水 NAD+, FAD 電子の流れ エネルギーを放出 チトクロームオキシダーゼ 複合体I～IV: 水素と酸素を反応させてエネルギーを発生 複合体V: ATPを合成 図６．８

プロトン(H+)ポンプとATP合成 プロトンポンプ H+の濃度差のエネルギーでATPを合成 ミトコンドリアのマトリクス ミトコンドリアの内膜と外膜の間 膜間空間 内膜 外膜

微生物燃料電池 http://home.hiroshima-u.ac.jp/tkakizo/ 広島大学　柿園俊英研究室 酸化または還元状態をもち，かつ細胞膜透過性を有する電子伝達剤（メディエータ）を添加 プロトン交換膜 微生物の選択 電極の高活性化