生物学 第2版 — 第7章 細胞呼吸 —
Japanese translation of “Biology 2e”
OpenStax のサイトで公開されている教科書“ Biology 2e”の翻訳です。こちらのページから各章へ移動できます。
7 | 細胞呼吸
この章の概要
7.1:生物系のエネルギー
7.2:解糖
7.3:ピルビン酸の酸化とクエン酸回路
7.4:酸化的リン酸化
7.5:酸素を伴わない代謝
7.6:炭水化物、タンパク質、脂質の代謝経路の関連
7.7:細胞呼吸の調節
はじめに
図7.1の電気エネルギープラントは、エネルギーをある形態からより使いやすい別の形態に変換します。このタイプの発電所は地下の熱エネルギー(熱)から始まり、それを家庭や工場へと運ばれる電気エネルギーに変換します。発電所と同様に、動物や植物も環境からエネルギーを取り入れ、それを細胞が使用できる形態に変換しなければなりません。物質とそこに蓄えられたエネルギーはある形態で生物の体に入り、生物の生命機能に燃料を供給することができるような別の形態に変換されます。植物や他の光合成による生産者は、光合成の過程で光(太陽エネルギー)の形態でエネルギーを取り込み、それをグルコースの形態で化学エネルギーに変換します。グルコースはその化学結合の中にこのエネルギーを貯蔵しています。それから、まとめて細胞呼吸と呼ばれる一連の代謝経路が、グルコース中の結合からエネルギーを抽出し、それをすべての生物が使用できる形態へと変換します。
7.1 | 生物系のエネルギー
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•生物系のエネルギー伝達における電子の重要性について議論する
•どのようにしてATPが細胞によりエネルギー源として使用されているかを説明する
細胞内のエネルギー生産は多くの協調的な化学経路を含みます。これらの経路の大部分は、同時に起こる酸化反応と還元反応の組み合わせです。酸化反応は化合物中の原子から電子を取り除き、還元反応はこの電子を他の化合物へ付加することです。酸化と還元は通常一緒に起こるので、これらの対となる反応は酸化還元反応と呼ばれます。
電子とエネルギー
分子から電子を除去する(酸化する)と、酸化された化合物のポテンシャルエネルギーが減少します。しかしながら、電子(時には水素原子の一部として)は、細胞の細胞質内では結合しないままではいられません。むしろ、電子は第2の化合物へと移動し、この第2の化合物を還元します。ある化合物から別の化合物への電子の移動は、第1の化合物(酸化化合物)からいくらかのポテンシャルエネルギーを取り除き、第2の化合物(還元化合物)のポテンシャルエネルギーを増加させます。分子間の電子の移動は重要です。なぜなら、原子内に蓄えられて細胞の機能に力を与えるために使用されるエネルギーの大部分は高エネルギーの電子の形をしているためです。高エネルギーの電子の形でのエネルギーの伝達は、細胞が単一の破壊的なほとばしりではなく小さなパッケージで、エネルギーを徐々に伝達し使用することを可能にします。この章では食物からのエネルギーの抽出に焦点を当てます。あなたは、伝達の経路を追跡している際に、代謝経路を通って移動する電子の経路を追跡することになるでしょう。
電子伝達体
生物系では、いくつかの化合物の小さな一団が電子シャトルとして機能します。それらは生化学的経路において化合物間で高エネルギー電子を結合して運びます。私たちが考察する主な電子伝達体はビタミンB群に由来し、ヌクレオチドの誘導体です。これらの化合物は容易に還元(すなわち電子を受容する)または酸化(電子を失う)することができます。ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD)(図7.2)は、ビタミンB₃、つまりナイアシンに由来します。NAD⁺はこの分子の酸化型です。NADHはこの分子の還元型であり、2つの電子と1つの陽子(これらは一緒になると1つの水素原子と1つの余分な電子の同等物となります)を受け取った後のものです。もしある化合物に「H」がついている場合、それは一般に還元されたものである(たとえば、NADHはNADの還元型です)ことに留意してください。
NAD⁺はこの一般式に従って有機分子から電子を受け取ることができます:
電子が化合物に付加されると、それは還元されます。他のものを還元する化合物は還元剤と呼ばれます。上式において、RHは還元剤であり、NAD⁺はNADHへと還元されます。電子が化合物から除去されると、それは酸化されます。他のものを酸化する化合物は酸化剤と呼ばれます。上式において、NAD⁺は酸化剤であり、RHはRへと酸化されます。
同様に、フラビンアデニンジヌクレオチド(FAD⁺)は、ビタミンB₂、つまりリボフラビンとも呼ばれるものに由来します。その還元型はFADH₂です。NADの第2の変形であるNADPは、追加のリン酸基を含みます。NAD⁺とFAD⁺はどちらも糖からのエネルギー抽出に広く使用されており、NADPは同化反応および植物の光合成に重要な役割を果たしています。
生物系におけるATP
生きている細胞は、大量の自由エネルギーを蓄えることができません。過剰な自由エネルギーは細胞内の熱の増加をもたらし、それは細胞を損傷し破壊する可能性がある過度の熱運動をもたらすでしょう。そうではなくて、、細胞は、エネルギーを安全に貯蔵し、必要に応じて使用するためにエネルギーを放出することを可能にするような方法でそのエネルギーを処理することができなければなりません。生きている細胞は、化合物のアデノシン三リン酸(ATP)を使用することによってこれを達成します。ATPはしばしば細胞の「エネルギー通貨」と呼ばれ、実際の通貨と同様に、この多用途の化合物は細胞のエネルギー需要を満たすために使用することができます。どうやるのでしょうか?それは、充電式電池と同様に機能します。
ATPが、通常はその末端のリン酸基の除去により分解されると、エネルギーが放出されます。このエネルギーは、通常、放出されたリン酸が他の分子と結合し、それによってその分子を活性化することによって、細胞が仕事をするために使用されます。たとえば、筋肉収縮の機械的な仕事において、ATPは収縮性の筋肉タンパク質を動かすためのエネルギーを供給します。細胞膜におけるナトリウム-カリウムポンプの能動輸送の仕事を思い出してください。ATPはポンプとして機能する内在性タンパク質の構造を変化させ、ナトリウムとカリウムに対する親和性を変化させます。このようにして、細胞は仕事を実行し、その電気化学的勾配に逆らうようにイオンを送り込みます。
ATPの構造と機能
ATPの中心にはアデノシン一リン酸(AMP)分子があり、これはリボース分子と単一のリン酸基に結合したアデニン分子で構成されています(図7.3)。リボースはRNAに含まれる五炭素糖で、AMPはRNAのヌクレオチドの1つです。この核となる分子に第2のリン酸基を付加すると、アデノシン二リン酸(ADP)が形成されます。第3のリン酸基の付加によってアデノシン三リン酸(ATP)が形成されます。
分子へのリン酸基の付加はエネルギーを必要とします。リン酸基は負に帯電しているため、ADPとATPの中にあるときのように直列に並んでいると互いに反発します。この反発力により、ADPおよびATP分子は本質的に不安定になります。ATPからの1つまたは2つのリン酸基の放出(脱リン酸化と呼ばれるプロセス)は、エネルギーを放出します。
ATPからのエネルギー
加水分解は複雑な高分子を分解する過程です。加水分解の間に、水が分割されるかまたは溶解され、そして得られた水素原子(H⁺)およびヒドロキシル基(OH⁻)、または水酸化物がより大きい分子に加えられます。ATPの加水分解は、無機リン酸イオン(Pᵢ)と一緒にADPを生成し、そして自由エネルギーを放出します。生物のプロセスを実行するために、ATPは継続的にADPへと分解され、充電式バッテリーのように、ADPは継続的に3番目のリン酸基の再結合によってATPへと再生されます。ATP加水分解中に水素原子とヒドロキシル基(水酸化物)に分解された水は、第3のリン酸基がADP分子に付加されATPが再形成されると、再生します。
明らかに、ATPを再生するためにはエネルギーを系に注入しなければなりません。このエネルギーはどこから来るのでしょうか?地球上のほとんどすべての生物において、エネルギーはグルコース、フルクトース、またはガラクトースの代謝から来ています。これらはすべて、化学式C₆H₁₂O₆を持つ異性体ですが、分子構造は異なります。このように、ATPは、グルコース異化作用の発エルゴン経路の限られたセットと、生きている細胞に力を与える多数の吸エルゴン経路との間を直接的につなぐものです。
リン酸化
ある化学反応では、酵素は酵素上で互いに反応するいくつかの基質に結合し、中間複合体を形成するということを思い出してください。中間複合体は一時的な構造であり、そしてそれは基質の1つ(ATPのような)および反応物が互いにより容易に反応することを可能にします。ATPを含む反応において、ATPは基質の1つでありそしてADPは生成物です。吸エルゴン的な化学反応の間に、ATPは反応における基質および酵素と中間複合体を形成します。この中間複合体は、ATPがその第3のリン酸基をそのエネルギーとともに基質に移動させることを可能にします。これがリン酸化と呼ばれるプロセスです。リン酸化は、リン酸(～P)の付加を指します。これは以下の一般的な反応によって示されます。ここで、AおよびBは2つの異なる基質を表します:
A + 酵素 + ATP → [A ― 酵素 ― ～P] → B + 酵素 + ADP + リン酸イオン
中間複合体が分解されると、そのエネルギーは、基質を修飾するとともに基質を反応の生成物に変換するために使用されます。ADP分子と自由なリン酸イオンは媒質に放出され、細胞代謝を通じて再利用されます。
基質リン酸化
ATPはグルコースの分解中に2つのメカニズムを通じて生じます。異化経路で起こる化学反応の直接の結果として、いくつかのATP分子が生成されます(すなわち、ADPから再生されます)。この経路内の中間反応物からリン酸基が除去され、反応の自由エネルギーを使用して利用可能なADP分子に3つ目のリン酸が付加され、ATPが生成されます(図7.4)。この直接的なリン酸化の方法は、基質レベルのリン酸化と呼ばれます。
酸化的リン酸化
しかしながら、グルコース異化作用の間に生成されるATPの大部分は、はるかに複雑な過程である化学浸透に由来します。化学浸透は、真核細胞内のミトコンドリア(図7.5)または原核細胞の原形質膜内で起こります。細胞代謝におけるATP産生の過程である化学浸透は、グルコース異化作用の間に作られるATPの90%を生成するために使用され、そしてまた太陽光のエネルギーを利用するために光合成の光反応において使用される方法でもあります。化学浸透過程を利用したATPの生成は、そのプロセスに酸素が関与することから酸化的リン酸化と呼ばれています。
キャリアへのつながり
ミトコンドリア病医師
細胞呼吸の重要な反応が正しく進行しないとどうなるでしょうか?これは、代謝の遺伝的障害であるミトコンドリア病で起こりえることです。ミトコンドリア障害は、核内DNAまたはミトコンドリアDNAの突然変異から発生することがあり、それらは体細胞において正常よりも少ないエネルギーの生産につながります。たとえば、2型糖尿病では、NADHの酸化効率は低下し、酸化的リン酸化に影響を与えますが、他の呼吸段階には影響を与えません。ミトコンドリア病の症状には、筋力低下、協調の欠如、脳卒中様発作、および視覚や聴覚の喪失が含まれます。成人発症型の疾患もありますが、ほとんどの罹患者は小児期に診断されています。ミトコンドリア障害の特定と治療は専門の医療分野です。この職業のための教育的な準備は、大学教育と、それに続く医療遺伝学の専門を伴う医科大学院を必要とします。医療遺伝学者は、アメリカ医療遺伝学協会の認定を受けて、ミトコンドリア医学会や遺伝性代謝障害学会などのミトコンドリア病の研究に専念する専門機関に加入することができます。
7.2 | 解糖
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•解糖によるグルコースの化学分解中に生成された分子の観点から全体の結果を記述する
•生成されたATP分子とNADH分子の観点から解糖の成果物を比較する
あなたがここまで読んできたように、生きている細胞によって使われるエネルギーのほとんどすべては、糖グルコースの結合の形でそれらにもたらされます。解糖は、細胞代謝用のエネルギーを抽出するためのグルコースの分解における最初のステップです。事実、ほとんどすべての生物がその代謝の一部として解糖を行っています。このプロセスは酸素を直接使用しないため、嫌気性と呼ばれています。解糖は原核細胞と真核細胞の両方の細胞質で起こります。グルコースは2つの方法で従属栄養細胞に入ります。1つの方法は、輸送がグルコース濃度勾配に逆らって行われる二次性能動輸送によるものです。もう1つのメカニズムは、グルコース輸送タンパク質としても知られるGLUTタンパク質と呼ばれる一群の内在性タンパク質を使用します。これらの輸送体はグルコースの促進された拡散を助けます。
解糖は、単一のグルコース分子の六炭素環形構造で始まり、ピルビン酸と呼ばれる三炭素糖の2つの分子で終わります。解糖は、2つの異なる段階で構成されています。解糖経路の最初の部分は、細胞内のグルコース分子を捕捉し、それを修飾するためにエネルギーを使用して、六炭素糖分子を2つの三炭素分子に均等に分割することができるようにします。解糖の第2の部分では、分子からエネルギーを抽出し、それをATPおよびNADH(NADが還元された形態)の形で保存します。
解糖の前半(エネルギーを必要とするステップ)
ステップ1.解糖の最初のステップ(図7.6)は、ヘキソキナーゼによって触媒されます。ヘキソキナーゼは、六炭素糖のリン酸化を触媒する幅広い特異性を持つ酵素です。ヘキソキナーゼは、ATPをリン酸の源として用いてグルコースをリン酸化し、より反応性の高い形態のグルコースであるグルコース-6-リン酸を生成します。この反応は、リン酸化グルコース分子がGLUTタンパク質と相互作用し続けるのを妨げ、そして負に帯電したリン酸が原形質膜の疎水性内部の通過を不可能にするので、それはもはや細胞を離れることができなくなります。
ステップ2.解糖の第2のステップにおいて、イソメラーゼはグルコース-6-リン酸をその異性体の1つであるフルクトース-6-リン酸に変換します(この異性体は環の6番目の炭素の位置に結合したリン酸を有します)。イソメラーゼは、ある分子をその異性体の1つへと変換することを触媒する酵素です。(このグルコースリン酸からフルクトースリン酸への変化は、最終的に糖を2つの三炭素分子に分割することを可能にします。)
ステップ3.第3のステップは、ホスホフルクトキナーゼという酵素によって触媒されるフルクトース-6-リン酸のリン酸化です。第2のATP分子がフルクトース-6-リン酸に高エネルギーのリン酸を供与し、フルクトース-1,6-ビスリン酸を生成します。この経路において、ホスホフルクトキナーゼは律速酵素です。それはADPの濃度が高いときに活性化します。また、それはADPレベルが低く、ATPの濃度が高い場合には活性が低下します。したがって、もしその系に「十分な」ATPがあるならば、この経路はゆっくりになります。ATPはグルコース異化作用の最終生成物であるので、これは最終生成物阻害の一種です。
ステップ4.新たに加えられた高エネルギーのリン酸はフルクトース-1,6-ビスリン酸をさらに不安定化させます。解糖における第4のステップは、フルクトース-1,6-ビスリン酸を2つの三炭素異性体:ジヒドロキシアセトンリン酸およびグリセルアルデヒド-3-リン酸に開裂するために酵素のアルドラーゼを使用します。
ステップ5.第5のステップにおいて、イソメラーゼがジヒドロキシアセトンリン酸をその異性体グリセルアルデヒド-3-リン酸に変換します。したがって、この経路はグリセルアルデヒド-3-リン酸の2つの分子を伴って続くことになります。経路のこの時点まででは、1つのグルコース分子の分解に2つのATP分子からのエネルギーの正味の投入があります。
解糖の後半(エネルギーを放出するステップ)
これまでのところ、解糖は細胞に2つのATP分子を負担させ、2つの小さい三炭素糖分子を生産しました。これらの分子は両方とも経路の後半を進むことになり、初期投入として使用された2つのATP分子を埋め合わせるとともに、2つの追加のATP分子と2つのさらに高いエネルギーを持つNADH分子という利益を細胞にもたらすのに十分なエネルギーが抽出されます。
ステップ6.解糖の6番目のステップ(図7.7)は、糖(グリセルアルデヒド-3-リン酸)を酸化し、高エネルギー電子を抽出します。この電子は電子伝達体NAD⁺に取り込まれて、NADHを生成します。次いで、この糖は、第2のリン酸基の付加によってリン酸化され、1,3-ビスホスホグリセリン酸を生成します。この第2のリン酸基は別のATP分子を必要としないことに注意してください。
ここでもまた、この経路に対する潜在的な制限要因があります。この反応の継続は、酸化された形態の電子伝達体NAD⁺の利用可能性に依存します。したがって、このステップを継続するためには、NADHを継続的に酸化してNAD⁺に戻す必要があります。もしNAD⁺が利用できない場合、解糖の後半は減速または停止します。もし酸素が系内で利用可能であれば、間接的ではありますがNADHは容易に酸化され、この過程で放出された水素からの高エネルギー電子がATPを生成するために使用されるでしょう。酸素のない環境では、代替経路(発酵)がNADHをNAD⁺へと酸化することができます。
ステップ7.ホスホグリセリン酸キナーゼ(逆の反応のために名付けられた酵素)によって触媒される第7のステップにおいて、1,3-ビスホスホグリセリン酸は、高エネルギーのリン酸をADPに供与し、1分子のATPを形成します。(これは基質レベルのリン酸化の一例です。)1,3-ビスホスホグリセリン酸のカルボニル基はカルボキシル基へと酸化され、そして3-ホスホグリセリン酸が形成されます。
ステップ8.第8のステップにおいて、3-ホスホグリセリン酸の中の残りのリン酸基が第3の炭素から第2の炭素に移動し、2-ホスホグリセリン酸(3-ホスホグリセリン酸の異性体)を生成します。このステップを触媒する酵素はムターゼ(イソメラーゼ)です。
ステップ9.エノラーゼは第9のステップを触媒します。この酵素は2-ホスホグリセリン酸の構造から水分を失わせます。これは脱水反応であり、残りのリン酸結合のポテンシャルエネルギーを高め、ホスホエノールピルビン酸(PEP)を生成するような二重結合の形成をもたらします。
ステップ10.解糖における最後のステップは、酵素のピルビン酸キナーゼ(この酵素は、この場合ではピルビン酸のPEPへの変換の逆反応のために命名されています)によって触媒され、そして基質レベルのリン酸化による第2のATP分子と、ピルビン酸の化合物(またはその塩の形のピルビン酸塩)の産生をもたらします。酵素は順反応と逆反応(これらは、まず最初には非生理学的条件下の試験管環境で起こる逆反応によって説明されるでしょう)の両方を触媒することができるので、酵素経路中の多くの酵素が逆反応にちなんで名付けられています。
学習へのリンク
このサイト(http://openstaxcollege.org/l/glycolysis)にアクセスすることによって実際のプロセスを見て、解糖によるグルコースの分解のより良い理解を得てください。
解糖の成果物
解糖はグルコースから始まり、2つのピルビン酸分子、4つの新しいATP分子、および2つのNADH分子を生成します。(注:六炭素環の開裂を準備するために2つのATP分子が経路の前半で使用されるので、細胞は正味でその使用のために2つのATP分子および2つのNADH分子が増えたことになります)。もし細胞がピルビン酸分子をさらに異化することができない場合、それは1分子のグルコースから2つのATP分子のみを得ることになるでしょう。成熟した哺乳動物の赤血球はミトコンドリアを持たないため、酸素の存在下で生物がエネルギーを変換するプロセスである好気呼吸ができず、解糖が唯一のATP源となります。もし解糖が中断されると、これらの細胞はナトリウム-カリウムポンプを維持する能力を失い、そして最終的には死んでしまいます。
解糖の最後のステップは、ピルビン酸の形成を触媒する酵素であるピルビン酸キナーゼが十分な量で利用できない場合には起こらないでしょう。この状況では、解糖経路全体が進むでしょうが、後半では2つのATP分子しか作られません。したがって、ピルビン酸キナーゼは解糖の律速酵素です。
7.3 | ピルビン酸の酸化とクエン酸回路
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•クエン酸回路などの循環経路が、解糖などの線形な生化学経路と根本的に異なる点を説明する
•解糖の生成物であるピルビン酸がどのようにしてクエン酸回路に入るために準備されているかを記述する
もし酸素が利用可能であれば、好気呼吸が進みます。真核細胞では、解糖の終わりに産生されるピルビン酸分子は、細胞呼吸の部位であるミトコンドリアへと輸送されます。そこでは、ピルビン酸はアセチル基へと変換され、それは補酵素A(CoA)と呼ばれる担体化合物によって受け取られ活性化されるでしょう。得られる化合物はアセチルCoAと呼ばれます。CoAはビタミンB₅、つまりパントテン酸から得られます。アセチルCoAは細胞によってさまざまな方法で使用することができますが、その主な機能はピルビン酸に由来するアセチル基をグルコース異化作用における経路の次の段階に届けることです。
ピルビン酸の分解
解糖の生成物であるピルビン酸が次の経路に入るためには、それはいくつかの変化を受けなければなりません。この変換は3段階のプロセスです(図7.8)。
ステップ1.カルボキシル基がピルビン酸から除去され、二酸化炭素分子を周囲の媒体中に放出させます。この反応は、酵素(ピルビン酸デヒドロゲナーゼ)に結合した二炭素ヒドロキシエチル基を作り出します。私たちはこれが元のグルコース分子の6個の炭素から除去された最初の炭素であることに注意すべきです。(解糖の終わりには、嫌気的に代謝されるグルコースの分子1つにつき、2つのピルビン酸分子が生成されるので、このステップは2回進行します。したがって、両方のステップの終わりでは6つの炭素のうちの2つが除去されます。)
ステップ2.ヒドロキシエチル基はアセチル基へと酸化され、電子はNAD⁺によって受け取られ、NADHを形成します。NADHからの高エネルギー電子は後でATPを生成するために使用されます。
ステップ3.酵素結合アセチル基がCoAへと受け渡され、アセチルCoA分子を生成します。
グルコース代謝の第2段階では、炭素原子が除去されるときには必ず2つの酸素原子に結合し、細胞呼吸の主要な最終生成物の1つである二酸化炭素を生成する、ということに注意してください。
アセチルCoAからCO₂
酸素の存在下では、アセチルCoAはそのアセチル(2C)基を四炭素分子のオキサロ酢酸に渡して、3つのカルボキシル基を有する六炭素分子のクエン酸塩を形成します。この経路は、グルコース分子として始まったものから残りの抽出可能エネルギーを回収し、残りの4つのCO₂分子を放出します。この単一の経路はいくつかの異なる名前で呼ばれます:その名前とは、クエン酸回路(酢酸塩がオキサロ酢酸に結合するときに最初に形成される中間体 — クエン酸、またはクエン酸塩 — のために)、TCA回路(クエン酸またはクエン酸塩およびイソクエン酸塩がトリカルボン酸であるために)、そして、クレブス回路(1930年代にハト飛翔筋の中でこの経路のステップを最初に確認したハンス・クレブスにちなんで)です。
クエン酸回路
ピルビン酸のアセチルCoAへの変換のように、クエン酸回路はミトコンドリアのマトリックスで起こります。ミトコンドリアの内膜に埋め込まれている酵素のコハク酸デヒドロゲナーゼという1つの例外を除いて、クエン酸回路のほとんどすべての酵素は可溶性です。解糖とは異なり、クエン酸回路は閉じたループです。経路の最後の部分では、最初のステップで使用された化合物が再生されます。この回路の8つのステップは、2つの二酸化炭素分子、1つのGTP/ATP、および還元された伝達体のNADHとFADH₂を生成する一連の酸化還元、脱水、水和、および脱カルボキシル化反応です(図7.9)。生成されたNADHおよびFADH₂はそれらの電子を系内の次の経路(酸素を使用するもの)に移動させなければならないため、これは好気的な経路と見なされます。もしこの移動が起こらなければ、クエン酸回路の酸化のステップも起こりません。クエン酸回路が直接産生するATPはごくわずかであり、酸素を直接消費することはないということに注意してください。
クエン酸回路のステップ
ステップ1.ステップ1の前に、移行期間があり、その間にピルビン酸がアセチルCoAに変換されます。次に、回路の最初のステップが始まります。この縮合ステップでは、二炭素アセチル基と四炭素オキサロ酢酸分子を組み合わせて、六炭素分子のクエン酸を形成します。CoAはスルフヒドリル基(-SH)に結合して拡散し、最終的に別のアセチル基と結合します。このステップは非常に発エルゴン的なので、不可逆です。この反応の反応速度は、負のフィードバックおよび利用可能なATPの量によって制御されます。もしATPレベルが上昇すると、この反応の速度は低下します。もしATPが不足していると、速度は上昇します。
ステップ2.ステップ2では、クエン酸は1つの水分子を失い、もう1つの水分子を得る中で、その異性体であるイソクエン酸に変換されます。
ステップ3.ステップ3では、イソクエン酸は酸化され、1つのCO₂分子と2つの電子とともに五炭素分子のα-ケトグルタル酸を生成します。この電子がNAD⁺をNADHに還元します。このステップもまた、ATPおよびNADHからの負のフィードバックおよびADPの正の効果によって調整されます。
ステップ4.ステップ3とステップ4はどちらも、酸化と脱カルボキシル化のステップであり、それらはこれまで見てきたように、NAD⁺をNADHに還元する電子を放出し、CO₂分子を形成するカルボキシル基を放出します。α-ケトグルタル酸はステップ3の生成物であり、スクシニル基はステップ4の生成物です。CoAはスクシニル基と結合してスクシニルCoAを形成します。ステップ4を触媒する酵素は、ATP、スクシニルCoA、およびNADHのフィードバック阻害によって調節されています。
ステップ5.ステップ5では、補酵素Aをリン酸基で置換し、高エネルギー結合を形成します。このエネルギーは、基質レベルのリン酸化(スクシニル基からコハク酸への変換中)に使用され、グアニン三リン酸(GTP)またはATPのいずれかを形成します。このステップには、アイソザイムと呼ばれる2種類の酵素があります。それらは、見出される動物の組織の種類に応じて決まります。1つ目の形態は心臓や骨格筋など、大量のATPを使用する組織で見出されます。この形態の酵素はATPを生成します。酵素の第2の形態は、肝臓などの同化経路が多数存在する組織で見出されます。この形態の酵素はGTPを生成します。GTPはATPとエネルギー的に同等です。ただし、その使用はより制限されています。特に、タンパク質合成は主にGTPを使用します。
ステップ6.ステップ6は、コハク酸をフマル酸に変換する脱水プロセスです。2個の水素原子がFADに移動し、それをFADH₂に還元します。(注:これらの水素の電子に含まれるエネルギーは、NAD⁺を還元させるには不十分ですが、FADを還元させるには十分です。)NADHとは異なり、この伝達体は酵素に結合したままで電子を直接的に電子伝達鎖に移します。このプロセスは、ミトコンドリアの内膜の内側でこのステップを触媒する酵素の局在化によって可能になります。
ステップ7.ステップ7の間に加水分解によって水がフマル酸に付加され、リンゴ酸が生成されます。クエン酸回路の最後のステップは、リンゴ酸を酸化することによってオキサロ酢酸を再生します。その過程で別のNADH分子が生成されます。
学習へのリンク
ここでクエン酸サイクルの各ステップをクリックしてください(http://openstaxcollege.org/l/krebs_cycle)。
クエン酸回路の生成物
2つの炭素原子がそれぞれのアセチル基からクエン酸回路に入り、これは1つのグルコース分子の6つの炭素のうち4つを表します。回路の1周ごとに2つの二酸化炭素分子が放出されます。しかしながら、この二酸化炭素は必ずしも直近に加えられた炭素原子を必ずしも含むものではありません。2つのアセチル炭素原子は、最終的には回路の後の周回で放出されるでしょう。したがって、元のグルコース分子からの6つすべての炭素原子は、最終的に二酸化炭素に取り込まれます。回路のそれぞれの周回は、3つのNADH分子と1つのFADH₂分子を形成します。これらの伝達体は、ATP分子を生成するために、好気呼吸の最後の部分である電子伝達鎖と結び付くでしょう。それぞれの回路で1つのGTPまたはATPも作成されます。クエン酸回路の中間化合物のいくつかは、必須でないアミノ酸の合成に使用することができます。したがって、この回路は、両用(異化および同化の両方)です。
7.4 | 酸化的リン酸化
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•電子が電子伝達鎖をどのように通過するかを記述し、この過程でそれらのエネルギーレベルに何が起きるかを説明する
•電子伝達鎖によってプロトン(H⁺)勾配がどのように確立され維持されるかを説明する
あなたはここまでで、解糖とクエン酸回路という、グルコース異化作用においてATPを生成する2つの経路について読んだところです。しかしながら、グルコースの好気的な異化作用の間に生成されるATPの大部分は、これらの経路からは直接は生成されません。代わりに、それは酸化還元反応を受ける一連の電子伝達体を通して電子を移動させることから始まるプロセスから派生します。このプロセスは水素イオンを膜間腔内に蓄積させます。したがって、濃度勾配が形成され、そこでは水素イオンはATPシンターゼを通過することによって膜間腔から出てミトコンドリアマトリックスに入るように拡散します。水素イオンの流れは、ADPをリン酸化してATPを生成するATPシンターゼの触媒作用に力を与えます。
電子伝達鎖
電子伝達鎖(図7.10)は、好気呼吸の最後の要素であり、グルコース代謝で大気中の酸素を使う唯一の部分です。酸素は植物の組織の中へ(典型的には気孔を通って)、そして菌類や細菌の中へ継続的に拡散します。しかしながら、動物では、酸素はさまざまな呼吸器系を通して体内に入ります。電子伝達は、電子が分子状の酸素を還元し、関連する陽子とともに水を生成する連鎖の終点へ向けて、電子がある構成要素から次の構成要素へと急速に受け渡されるという点で、リレー競走またはバケツリレーに似た一連の酸化還元反応です。図7.10の中でI～IVのラベルが付けられたタンパク質から構成される4つの複合体があり、これら4つの複合体の集合体は、関連する移動性の付属の電子伝達体と一緒に、電子伝達鎖と呼ばれます。電子伝達鎖は、真核生物のミトコンドリア内膜および原核生物の原形質膜内に複数の複製物を持つようにして存在します。
複合体I
まず、2つの電子がNADHを介して最初の複合体へと運ばれます。Iと表示されたこの複合体は、フラビンモノヌクレオチド(FMN)と鉄-硫黄(Fe−S)含有タンパク質からなります。FMNは、ビタミンB₂(リボフラビンとも呼ばれる)に由来し、電子伝達鎖のいくつかの補欠分子族または補因子の1つです。補欠分子族とは、タンパク質の活性に必要な非タンパク質分子です。補欠分子族は、その機能を促進するタンパク質に結合した有機または無機の非ペプチド分子です。補欠分子族には酵素の補欠分子族である補酵素が含まれます。複合体I中の酵素はNADHデヒドロゲナーゼであり、45個のアミノ酸鎖を含む非常に大きなタンパク質です。複合体Iは、4つの水素イオンを膜を横切るようにしてマトリックスから膜間腔に送り出すことができ、このようにしてミトコンドリア内膜によって隔てられた2つの区画間に水素イオン勾配が確立され維持されます。
Qと複合体II
複合体IIは、複合体Iを通過しないFADH₂を直接受け取ります。第1および第2の複合体を第3の複合体に連結する化合物はユビキノンBです。Q分子は脂溶性であり、膜の疎水性コアを通って自由に動きます。ひとたびそれが還元されると(QH₂)、ユビキノンはその電子を電子伝達鎖内の次の複合体に届けます。Qは、複合体IからのNADHに由来する電子と、複合体IIからのFADH₂に由来する電子とを受け取ります。この酵素とFADH₂は、第1の複合体を迂回して電子を電子伝達鎖に直接伝達する小さな複合体を形成します。これらの電子は第1の複合体を迂回し、したがってそのプロトンポンプに力を与えないので、FADH₂電子から生成されるATP分子はより少なくなります。最終的に得られるATP分子の数は、ミトコンドリア内膜を横切って送り出される陽子の数に直接的に比例します。
複合体III
3番目の複合体は、シトクロムb(もう1つのFe-Sタンパク質)、リスケセンター(2Fe-2Sセンター)、およびシトクロムcタンパク質で構成されています。この複合体はシトクロムオキシドレダクターゼとも呼ばれます。シトクロムタンパク質はヘムの補欠分子族を有します。ヘム分子はヘモグロビンのヘムと似ていますが、酸素ではなく電子を運んでいます。その結果、そのコアにある鉄イオンは電子を受け渡すときに還元されたり酸化されたりし、Fe⁺⁺(還元)とFe⁺⁺⁺(酸化)という異なる酸化状態の間で変動します。シトクロム中のヘム分子は、それらに結合する異なるタンパク質の効果のためにわずかに異なる特徴を有し、それぞれの複合体にわずかに異なる特徴を与えます。複合体IIIは膜を通して陽子を送り出し、その電子をシトクロムcに渡してタンパク質および酵素の第4の複合体に伝達します。(シトクロムcはQから電子を受け取ります。しかしながら、Qは電子のペアを運ぶのに対して、シトクロムcは一度に1つしか受け取れません。)
複合体IV
4番目の複合体は、シトクロムタンパク質c、a、およびa₃で構成されています。この複合体は、2つのヘム基(シトクロムaおよびa₃という2つに対してそれぞれ1つ)および3つの銅イオン(シトクロムa₃中の1対のCuAおよび1つのCuB)を含みます。シトクロムは、酸素が2つの電子の獲得によって完全に還元されるまで、鉄と銅のイオンの間に酸素分子を非常にしっかりと保持します。還元された酸素は、それから周囲の媒質から2つの水素イオンを拾い上げて水(H₂O)を作ります。系からの水素イオンの除去は、化学浸透の過程の基礎を形成するイオン勾配に寄与します。
化学浸透
化学浸透において、いま説明した一連の酸化還元反応からの自由エネルギーは、ミトコンドリア膜を横切って水素イオン(陽子)を送り出すために使用されます。H⁺イオンの膜を横切った不均一な分布は、水素イオンの正電荷および膜の片側においてそれらが凝集しているために、濃度勾配および電気勾配の両方(したがって、電気化学的勾配)を確立します。
もし膜が水素イオンの単純な拡散に対して継続的に開放されている場合、イオンはそれらの電気化学的勾配を生成する濃度によって駆動されて、逆に拡散してマトリックス中に戻るでしょう。多くのイオンは、イオンチャネルの助けなしにはリン脂質膜の無極性領域を通って拡散することはできないということを思い出してください。同様に、マトリックス空間内の水素イオンはATPシンターゼと呼ばれる内在性膜タンパク質によってのみミトコンドリア内膜を通過することができます(図7.11)。この複雑なタンパク質は、電気化学的勾配を下るようにそのタンパク質を通って拡散する水素イオンの力によって回転させられる、小さな発電機のように作用します。この分子機械の部品を回転させると、水素イオン勾配のポテンシャルエネルギーを使用して、リン酸をADPに付加してATPを形成するのが容易になります。
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ジニトロフェノール(DNP)は、ミトコンドリア内膜を陽子に対して「漏出性」にする「脱共役剤」です。それは1938年まで減量薬として使用されていました。DNPがミトコンドリア内膜を横切るpHの変化にどのような影響を与えると予想しますか?あなたはなぜこれが効果的な減量薬であると思いますか?
化学浸透(図7.12)は、好気性のグルコース異化作用の間に作られるATPの90%を生成するために使われます。それはまた、光リン酸化の過程で太陽光のエネルギーを利用するために、光合成の光反応において使用される方法でもあります。ミトコンドリアにおける化学浸透の過程を用いたATPの生産は酸化的リン酸化と呼ばれることを思い出してください。これらの反応の全体的な結果は、水素原子から取り除かれた電子のエネルギーによるATPの生成です。これらの原子はもともとグルコース分子の一部でした。経路の終わりに、電子は酸素分子を酸素イオンに還元するために使用されます。酸素上の余分な電子が周囲の媒質から水素イオン(陽子)を引き寄せ、水が形成されます。したがって、酸素は電子伝達鎖における最終電子受容体です。
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シアン化物は、電子伝達鎖の構成要素であるシトクロムcオキシダーゼを阻害します。もしシアン化物中毒が発生した場合、膜間腔のpHは増加すると予想しますか、減少すると予想しますか?シアン化物はATP合成にどのような影響を及ぼすでしょうか?
ATP収量
グルコースの異化作用から生成されるATP分子の数はさまざまです。たとえば、電子伝達鎖の複合体が膜を通って送り出すことができる水素イオンの数は種によって異なります。変動の他の原因は、ミトコンドリアの膜を横切る電子のやりとりから生じます。(解糖から生成されたNADHはミトコンドリアに容易に入ることができません。)したがって、電子はNAD⁺またはFAD⁺のいずれかによってミトコンドリアの内側で取り上げられます。あなたが以前に学んだように、これらのFAD⁺分子はより少ないイオンしか輸送することができません。その結果、FAD⁺が伝達体として機能するときに生成されるATP分子は少なくなります。NAD⁺は肝臓の電子伝達体として使用され、FAD⁺は脳内で作用します。
グルコースから生成されるATP分子の収量に影響を与える他の要因は、これらの経路における中間化合物が他の目的にも使用されるという事実です。グルコース異化は、細胞内の他のすべての生化学的化合物を構築または分解する経路と関連しており、その結果は、これまでに説明した理想的な状況よりもいくらか厄介なものとなっています。たとえば、グルコース以外の糖がエネルギー抽出のために解糖経路に供給されることがあります。さらに、核酸を形成する五炭素糖は、解糖の中間体から作られます。特定の非必須アミノ酸は解糖とクエン酸回路の両方の中間体から製造することができます。コレステロールやトリグリセリドなどの脂質もこれらの経路の中間体から作られており、アミノ酸とトリグリセリドの両方がこれらの経路を介してエネルギーのために分解されます。全体として、生物系では、グルコース異化作用のこれらの経路はグルコースに含まれるエネルギーの約34%を抽出し、残りは熱として放出されます。
7.5 | 酸素を伴わない代謝
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•嫌気性細胞呼吸と発酵の基本的な違いについて議論する
•動物細胞で容易に起こる発酵の種類とその発酵を開始させる条件を記述する
好気呼吸では、最終電子受容体は酸素分子O₂です。好気呼吸が起こる場合には、NADHまたはFADH₂によって電子伝達鎖に運ばれる高エネルギー電子のエネルギーを使用してATPが生成されます。好気呼吸が起こらない場合には、解糖経路を継続するための電子伝達体として再利用するために、NADHはNAD⁺に再酸化されなければなりません。これはどのように行われるのでしょうか?いくつかの生物系は最終電子受容体として有機分子を使用します。NADHからNAD⁺を再生するために有機分子を使用するプロセスは、まとめて発酵と呼ばれます。これとは対照的に、いくつかの生物系は最終電子受容体として無機分子を使用します。どちらの方法も嫌気性細胞呼吸と呼ばれ、そこでは生物が酸素の不在下での使用のためにエネルギーを変換します。
嫌気性細胞呼吸
細菌と古細菌のドメインのいくつかの種を含む特定の原核生物は、嫌気呼吸を使用します。たとえば、メタン生成菌と呼ばれる古細菌のグループは、二酸化炭素をメタンに還元してNADHを酸化します。これらの微生物は土壌や牛・羊などの反芻動物の消化管に見られます。同様に、ほとんどが嫌気性である硫酸塩還元細菌(図7.13)は、硫酸塩を硫化水素に還元してNADHからNAD⁺を再生します。
学習へのリンク
このサイト(http://openstaxcollege.org/l/fermentation)にアクセスして、嫌気性細胞呼吸の作用を確認してください。
乳酸発酵
動物やヨーグルトの中のものなどのある種の細菌が使用する発酵方法は、乳酸発酵です(図7.14)。この種の発酵は、ミトコンドリアを持たない哺乳動物の赤血球や、好気呼吸を継続させるのに十分な酸素供給がない骨格筋(すなわち、疲労する点まで使用された筋肉)で日常的に使用されています。筋肉では、乳酸の蓄積は血液循環によって取り除かれなければなりません。そして乳酸が水素を失うとき、結果として生じる乳酸塩は更なる代謝のために肝臓に運ばれます。乳酸発酵の化学反応は以下の通りです:
ピルビン酸 + NADH ↔ 乳酸 + NAD⁺
この反応に使用される酵素は乳酸デヒドロゲナーゼ(LDH)です。反応はどちらの方向にも進行することができますが、左から右への反応は酸性条件によって阻害されます。このような乳酸の蓄積は筋肉のこわばり、疲労、および痛みを引き起こすとかつては考えられていましたが、より最近の研究はこの仮説に異議を唱えています。ひとたび乳酸が筋肉から取り除かれ、肝臓に循環されると、それはピルビン酸に再変換され、さらにエネルギーのために異化されることができます。
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マルバフジバカマという植物に含まれる代謝毒であるトレメトールは、乳酸の代謝を妨げます。牛がこの植物を食べると、牛が生産する牛乳にトレメトールが濃縮されます。この牛乳を消費した人は重い病気になることがあります。嘔吐、腹痛、振戦などを含むこの病気の症状は運動後に悪化します。あなたはなぜそうなのだと思いますか?
アルコール発酵
もう1つのよく知られている発酵プロセスはアルコール発酵(図7.15)であり、これはエタノールを生産します。アルコール発酵の最初の化学反応は以下の通りです(CO₂は2番目の反応には関与しません):
ピルビン酸 + H⁺ → CO₂ + アセトアルデヒド + NADH + H⁺ → エタノール + NAD⁺
第1の反応は、細胞質酵素であるピルビン酸デカルボキシラーゼと、補酵素のチアミンピロリン酸(TPP、ビタミンB₁に由来し、チアミンとも呼ばれます)よって触媒されます。カルボキシル基はピルビン酸から除去され、二酸化炭素を気体として放出します。二酸化炭素が失われると、分子のサイズが炭素1つ分減少し、アセトアルデヒドが生成されます。第2の反応はアルコールデヒドロゲナーゼにより触媒されてNADHをNAD⁺に酸化し、そしてアセトアルデヒドをエタノールに還元します。酵母によるピルビン酸の発酵は、アルコール飲料に含まれるエタノールを生産します。酵母のエタノール耐性は、酵母菌株および環境条件に応じて、約5%から21%の範囲で変動します。
他の種類の発酵
他の発酵方法は細菌中で行われます。多くの原核生物は通性嫌気性であることに注意してください。これは、遊離酸素の利用可能性に応じて、それらが好気呼吸と発酵を切り替えることができることを意味します。クロストリジウムなどの特定の原核生物は、偏性嫌気性の生物です。偏性嫌気性の生物は、分子状酸素の不在下で生存し成長します。酸素はこれらの微生物にとって毒であり、それらが酸素に曝露されると死んでしまいます。私たちはまた、乳酸発酵を除く全ての形態の発酵が気体を産生することにも注意すべきです。特定の種類の気体の生産は特定の炭水化物の発酵の指標として使用され、それは実験室での細菌の同定において役割を果たします。解糖の6番目のステップでNAD⁺を適切に供給するために、さまざまな発酵方法が種々の生物によって使用されています。これらの経路がなければ、このステップは起こらず、グルコースの分解からATPを得ることができないでしょう。
7.6 | 炭水化物、タンパク質、脂質の代謝経路の関連
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•炭水化物の代謝経路、解糖、およびクエン酸回路がタンパク質および脂質の代謝経路とどのように関連しているかについて議論する
•代謝経路がなぜ閉鎖系と見なされないのかを説明する
あなたは、生きている細胞にエネルギーを提供するグルコースの異化作用について学びました。しかし、生物はグルコース以外の有機化合物を食物として消費します。ターキーサンドイッチはどのようにしてあなたの細胞のATPとなるのでしょうか?これは、炭水化物、タンパク質、脂質のすべての異化経路が、最終的に解糖とクエン酸回路の経路につながるために起こります(図7.17参照)。代謝経路は、穴の多い相互接続的なものであると考えられるべきです。つまり、物質は他の経路から入り、中間体は他の経路へと出ていきます。これらの経路は閉鎖系ではありません!特定の経路における基質、中間体および生成物の多くは他の経路における反応物です。
他の糖類とグルコース代謝との関連
グルコースのポリマーであるグリコーゲンは動物のエネルギー貯蔵分子です。十分なATPが存在するときには、過剰なグルコースはグリコーゲンとして肝臓細胞と筋肉細胞の両方に貯蔵されます。もし血糖値が下がると、グリコーゲンはグルコース1-リン酸モノマー(G-1-P)に加水分解されます。グルコース源としてのグリコーゲンの存在は、運動中に長期間にわたってATPを産生させることを可能にします。グリコーゲンは、筋肉細胞と肝細胞の両方でグルコース-1-リン酸(G-1-P)に分解され、グルコース-6-リン酸(G-6-P)に変換され、この生成物は解糖経路に入ります。
スクロースは、グリコシド結合で一緒に結合したグルコース分子とフルクトース分子とを有する二糖類です。フルクトースは、消化中に血流に直接吸収されるグルコースとガラクトース(乳糖の二糖ラクトースの一部)とともに、3つの「食事性」単糖のうちの1つです。フルクトースとガラクトースの両方の異化作用は、グルコースと同数のATP分子を生成します。
タンパク質とグルコース代謝との関連
タンパク質は細胞内のさまざまな酵素によって加水分解されます。ほとんどの場合、アミノ酸は新しいタンパク質の合成にリサイクルされます。しかしながら、もし過剰なアミノ酸がある場合、または身体が飢餓状態にある場合、一部のアミノ酸はグルコース異化作用の経路にまわされます(図7.16)。それぞれのアミノ酸はこれらの経路に入る前にそのアミノ基を除去されていなければならないことに注意しておくことは非常に重要です。アミノ基はアンモニアへと変換されます。哺乳動物では、肝臓は2つのアンモニア分子と1つの二酸化炭素分子から尿素を合成します。このように、尿素は哺乳動物の主な廃棄物であり、これはアミノ酸に由来する窒素から生成され、尿として体から出ます。アミノ酸は、細胞呼吸サイクルにおいて中間体および反応物から合成され得ることに留意すべきです。
脂質とグルコース代謝との関連
グルコース経路に関連する脂質には、コレステロールおよびトリグリセリドが含まれます。コレステロールは細胞膜の柔軟性に寄与する脂質であり、ステロイドホルモンの前駆体です。コレステロールの合成はアセチル基から始まり、一方向にのみ進行します。このプロセスを元に戻すことはできません。
グリセロールと3つの脂肪酸の結合から作られるトリグリセリドは、動物の長期的なエネルギー貯蔵の一形態です。動物はそれらが必要とする脂肪酸のほとんどを作ることができます。トリグリセリドは、グルコース異化経路の一部を介して生成および分解することができます。グリセロールはグリセロール-3-リン酸にリン酸化することができ、これは解糖を通して続きます。脂肪酸は、β酸化と呼ばれるプロセスで異化されます。β酸化はミトコンドリアのマトリックスで起こり、それらの脂肪酸鎖を二炭素単位のアセチル基に変換します。このアセチル基はCoAによって拾い上げられてアセチルCoAを形成し、それはクエン酸回路へと進みます。
進化へのつながり
光合成と細胞代謝の経路
光合成および細胞代謝のプロセスはいくつかの非常に複雑な経路からなります。一般に、最初の細胞は、おそらくは温暖な海洋環境で、おそらく多孔質の粘土の表面上にある水性環境(栄養素の「スープ」)で発生したと考えられています。もしこれらの細胞がうまく繁殖し、それらの数が着実に増えるならば、それらが栄養素をそれら自身の体の構成要素へと変化させるにつれて、細胞はそれらが生きている培地から栄養素を使い果たし始めることになるでしょう。この仮説的な状況は、その環境に残っている栄養素を使用することによって、そしてこれらの栄養素を生き残るための材料へと操作することによって生存することができるような有機体に有利な自然選択をもたらしたでしょう。選択は、それらがアクセスできる栄養素から最大の価値を引き出すことのできる有機体に有利に働くでしょう。
初期の形の光合成は、水素原子の源として水を使って太陽のエネルギーを利用するように発展しました。しかしこの経路は、遊離酸素を生成しませんでした(酸素非発生型の光合成)。(別のタイプの酸素非発生型の光合成は、水素イオン源として水を使用しなかったので遊離酸素を生成しませんでした。その代わりに、それは硫化水素などの物質を使用し、その結果として硫黄を生成しました。)この時点で解糖が発達し、生成される単糖を利用することができたと考えられていますが、これらの反応は炭水化物に蓄えられたエネルギーを十分に引き出すことができなかったと考えられます。解糖の発達は、「原始スープ」に自発的に蓄積する物質からエネルギーを抽出するのに非常に適していたので、おそらく光合成の進化に先立つものでした。後の形態の光合成は、水を電子および水素の供給源として使用し、遊離酸素を生成しました。時間が経つにつれて、大気は酸素化されるようになりましたが、それは放出された酸素が海の中の金属を酸化し、堆積物に「さび」の層を作り出した後のことでした。これは、最初の酸素発生型の光合成の登場の年代測定を可能にしてくれます。私たちが知っているような好気呼吸が進化することを可能にしたこの新しい大気を利用するために、生物は適応しました。酸素発生型の光合成の全過程が発達し、大気が酸素化されるようになると、細胞はついに、光合成によって放出された酸素を使用して、クエン酸回路と酸化的リン酸化を用いて糖分子からかなり多くのエネルギーを抽出することができるようになりました。
7.7 | 細胞呼吸の調節
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•フィードバック阻害が経路内の中間体または生成物の産生にどのように影響するかを記述する
•電子伝達鎖を通る電子の輸送速度を制御するメカニズムを特定する
細胞呼吸は、ATPの形でバランスのとれた量のエネルギーを供給するために調節されなければなりません。細胞はまた、高分子の同化作用および異化作用において使用されるいくつもの中間化合物を生成しなければなりません。制御がなければ、前方および後方反応が平衡状態に達してしまうために、代謝反応はすぐに停止してしまうでしょう。資源は不適切に使用されることになってしまいます。細胞は、それが作ることができる最大量のATPを常に必要とするわけではありません:時には、細胞は、アミノ酸、タンパク質、グリコーゲン、脂質、および核酸の産生のための経路へと中間体のいくつかを振り向ける必要があります。つまり、細胞はその代謝を制御する必要があります。
調節メカニズム
細胞呼吸を制御するためにさまざまなメカニズムが使用されています。グルコース代謝のそれぞれの段階にはいくつかの種類の制御が存在します。グルコースの細胞へのアクセスは、グルコースを輸送するGLUT(グルコース輸送)タンパク質を使用して調節することができます(図7.18)。異なる形態のGLUTタンパク質は、特定の組織の細胞へのグルコースの通過を制御します。
いくつかの反応は、2つの異なる酵素 — 可逆反応の2つの方向に対してそれぞれ1つずつ — を有することによって制御されます。ただ1つの酵素によって触媒される反応は平衡に達することがあり、反応を行き詰らせます。対照的に、もし2つの異なる酵素(それぞれが所与の方向に特異的なもの)が可逆反応に必要である場合、反応速度を制御する機会が増え、そして平衡には達しません。
それぞれの経路に関与する多数の酵素(特に経路の最初に関係する反応を触媒する酵素)は、タンパク質上のアロステリック部位への分子の付着によって制御されます。この性質のために最も一般的に使用される分子は、ヌクレオチドATP、ADP、AMP、NAD⁺、およびNADHです。これらの調節因子(アロステリックエフェクター)は、それがある条件に応じて酵素活性を増加させたり減少させたりすることがあります。アロステリックエフェクターは酵素の立体構造を変化させ、通常は活性部位の立体配置に影響を及ぼします。タンパク質(酵素)の構造のこの変化は、基質に対するその親和性を増加または減少させ、反応速度を増加または減少させる効果を伴います。この付着は酵素に信号を送ります。この結合は酵素の活性を増加または減少させることができ、フィードバックメカニズムを提供します。このフィードバック型の制御は、それに影響を与える化学物質が酵素に結合している限り有効です。ひとたび化学物質の全体的な濃度が低下すると、それはタンパク質から拡散し、制御は緩和されます。
異化経路の制御
解糖、クエン酸回路、および電子伝達鎖において役割を果たす酵素、タンパク質、電子伝達体、およびポンプは、不可逆的反応を触媒する傾向があります。言い換えれば、もし最初の反応が起こると、経路は残りの反応を進めるようになります。特定の酵素活性が放出されるかどうかは、(ATP、ADP、およびAMPのレベルに反映されるように)細胞のエネルギーの必要性に依存します。
解糖
解糖の制御は、経路内の最初の酵素であるヘキソキナーゼから始まります(図7.19)。この酵素はグルコースのリン酸化を触媒し、それは後のステップで開裂のための化合物を準備するのを助けます。分子内に負に帯電したリン酸が存在すると、糖が細胞から離れるのを防ぐこともできます。ヘキソキナーゼが阻害されると、グルコースは細胞外に拡散し、その組織内の呼吸経路の基質にはなりません。ヘキソキナーゼ反応の生成物はグルコース-6-リン酸であり、これは後の酵素のホスホフルクトキナーゼが阻害されると蓄積します。
ホスホフルクトキナーゼは解糖において制御される主な酵素です。高レベルのATPまたはクエン酸、あるいはより低くより酸性のpHは酵素の活性を低下させます。クエン酸濃度の上昇は、クエン酸回路の閉塞によって起こります。乳酸などの有機酸の生産を伴う発酵は、細胞内の酸性度の増加の原因となることがよくあります。しかしながら、発酵の生成物は典型的には細胞内に蓄積しません。
解糖の最後のステップは、ピルビン酸キナーゼによって触媒されます。産生されたピルビン酸は、異化されるかまたはアミノ酸のアラニンに変換されるように進むことができます。もしこれ以上のエネルギーが必要なくなり、アラニンが十分に供給されている場合、この酵素は阻害されます。フルクトース-1,6-ビスリン酸レベルが増加すると、この酵素の活性は増加します。(フルクトース-1,6-ビスリン酸は解糖の前半の中間体であることを思い出してください。)ピルビン酸キナーゼの調節は、キナーゼ(ピルビン酸キナーゼ)によるリン酸化を伴い、その結果、活性の低い酵素になります。ホスファターゼによる脱リン酸化はそれを再活性化します。ピルビン酸キナーゼはまた、ATP(負のアロステリック効果)によっても調節されます。
もしより多くのエネルギーが必要とされる場合には、さらに多くのピルビン酸がピルビン酸デヒドロゲナーゼの作用を通じてアセチルCoAに変換されるでしょう。もしアセチル基またはNADHのいずれかが蓄積すると、反応の必要性が少なくなり、速度が低下します。ピルビン酸デヒドロゲナーゼはリン酸化によっても調節されます。キナーゼはそれをリン酸化して不活性酵素を形成し、ホスファターゼはそれを再活性化します。キナーゼとホスファターゼもまた調節されています。
クエン酸回路
クエン酸回路は、NADHの最初の2つの分子を作る反応を触媒する酵素によって制御されます(図7.9)。これらの酵素はイソクエン酸デヒドロゲナーゼおよびα-ケトグルタル酸デヒドロゲナーゼです。十分なレベルのATPおよびNADHが利用可能であるとき、これらの反応の速度は減少します。ADPレベルの上昇に反映されるように、より多くのATPが必要になると、その速度は増加します。α-ケトグルタル酸デヒドロゲナーゼはまた、スクシニルCoA(回路の後続の中間体)のレベルによっても影響を受け、活性の低下を引き起こします。この時点での経路の動作速度の低下は、必ずしも負ではありません。なぜなら、クエン酸回路によって使用されないレベルに増加したα-ケトグルタル酸はアミノ酸(グルタミン酸)合成のために細胞によって使用することができるためです。
電子伝達鎖
電子伝達鎖の特定の酵素はフィードバック阻害によっては影響されませんが、この経路を通る電子伝達の速度はADPおよびATPのレベルによって影響されます。細胞によるより多くのATPの消費は、ADPの蓄積によって示されます。ATP使用量が減少するにつれて、ADPの濃度は減少し、そして今度は、ATPが細胞内に蓄積し始めます。ATPに対するADPの相対濃度のこの変化は、細胞による電子伝達鎖の減速を引き起こします。
学習へのリンク
このサイト(http://openstaxcollege.org/l/electron_transp)にアクセスして、電子伝達鎖とATP合成のアニメーションをご覧ください。
細胞呼吸におけるフィードバック制御の要約については、表7.1を参照してください。
重要用語
アセチルCoA:ピルビン酸に由来するアセチル基とパントテン酸(B群ビタミン)から作られる補酵素Aの組み合わせ
好気呼吸:生物が酸素の存在下でエネルギーを変換するプロセス
嫌気性:酸素を使用しないプロセス
嫌気性細胞呼吸:生物が酸素の不在下での使用のためにエネルギーを変換するプロセス
ATPシンターゼ(または、F1F0 ATPシンターゼ):それを通じて拡散する陽子からのエネルギーを利用してADPにリン酸を付加する、膜に埋め込まれたタンパク質複合体
化学浸透:膜を横切る陽子勾配の関与によって、細胞代謝におけるアデノシン三リン酸(ATP)の産生があるプロセス
クエン酸回路(または、クレブス回路):炭水化物からのエネルギーを抽出するために、すべての生きている細胞で最も重要な一連の酵素触媒された化学反応
脱リン酸化:分子からのリン酸基の除去
発酵:最終電子受容体としての無機化合物または有機化合物を用いてNAD⁺を再生するプロセス。酸素の不在下で起こる
GLUTタンパク質:グルコースを輸送する内在性膜タンパク質
解糖:ATPとNADHの生成を伴って、グルコースを2つの三炭素分子へと分解するプロセス
イソメラーゼ:分子をその異性体に変換する酵素
クレブス回路(または、クエン酸回路):ハンス・クレブスにちなんで命名されたクエン酸回路の別名。クレブスは、1930年代にハトの飛翔筋においてこの経路のステップを最初に特定した。クエン酸回路を参照
酸化的リン酸化:酸素存在下での化学浸透プロセスを利用したATPの生産
リン酸化:化合物(通常は代謝中間体、タンパク質、またはADP)への高エネルギーリン酸の付加
補欠分子族(または、補欠補因子):タンパク質の機能を促進するような、タンパク質に結合した分子
ピルビン酸:脱カルボキシル化および酸化されてアセチルCoAを生成することができる三炭素糖。好気的条件下でクエン酸サイクルに入る。解糖の最終生成物
酸化還元反応:酸化反応と還元反応のカップリングからなる化学反応
基質レベルのリン酸化:化学反応からの過剰エネルギーと反応物からのリン酸基を用いたADPからのATPの生成
TCA回路(または、クエン酸回路):クエン酸のグループ名であるトリカルボン酸(TCA)にちなんで名付けられた、クエン酸回路の別名。クエン酸回路を参照
ユビキノン:第1または第2の複合体を第3の複合体に連結する電子伝達鎖中の可溶性電子輸送体
この章のまとめ
7.1 | 生物系のエネルギー
ATPは細胞のエネルギー通貨として機能します。それは細胞がエネルギーを短時間貯蔵することを可能にし、そして細胞内でそれを輸送して吸エルゴン的な化学反応を支えることを可能にします。ATPの構造は、3つのリン酸が結合したRNAヌクレオチドという構造です。ATPがエネルギーに使用されると、1つまたは2つのリン酸基が脱離し、ADPまたはAMPが生成されます。グルコース異化作用に由来するエネルギーは、ADPをATPに変換するために使用されます。ATPが反応に使用される場合、第3のリン酸はリン酸化と呼ばれる過程で一時的に基質に付着します。グルコース異化作用と関連して使用されるATP再生の2つの過程は、基質レベルのリン酸化および化学浸透プロセスによる酸化的リン酸化です。
7.2 | 解糖
解糖は、エネルギーを抽出するためのグルコースの分解に使用される細胞質内の最初の経路です。それはおそらく最も初期に進化した代謝経路の1つであり、地球上のほとんどすべての生物によって使用されています。解糖は2つの部分からなります:最初の部分は2つの三炭素糖への切断のためにグルコースの六炭素環を準備します。この前半の間にATPがプロセスに投入され、分離のためのエネルギーが与えられます。解糖の後半は、ATPと水素原子からの高エネルギー電子とを抽出し、それらをNAD⁺に結合させます。前半で2つのATP分子が投入され、後半の間に4つのATP分子が基質リン酸化によって形成されます。これにより、細胞は正味で2つのATPと2つのNADH分子の増加が得られます。
7.3 | ピルビン酸の酸化とクエン酸回路
酸素の存在下で、ピルビン酸は補酵素Aの担体分子に結合したアセチル基に変換されます。得られたアセチルCoAはいくつかの経路に入ることができますが、ほとんどの場合、アセチル基はさらなる異化作用のためにクエン酸回路に送られます。ピルビン酸からアセチル基への変換中に、二酸化炭素分子と2つの高エネルギー電子が除去されます。二酸化炭素は、元のグルコース分子の6個の炭素のうちの2個(2個のピルビン酸分子の変換)を占めます。電子はNAD⁺によって拾い上げられ、NADHはATP生成のための後の経路へとこの電子を運びます。この時点で、もともと細胞呼吸に入ったグルコース分子は完全に酸化されています。グルコース分子内に蓄積された化学ポテンシャルエネルギーは、電子伝達体に伝達されているか、またはいくつかのATPを合成するために使用されています。
クエン酸回路は、高エネルギーの電子と二酸化炭素を除去する一連の酸化還元反応と脱カルボキシル反応です。NADHおよびFADH₂の分子に一時的に貯蔵されている電子は、次の経路でATPを生成するために使用されます。GTPまたはATPのいずれかの1分子は、回路の各周回における基質レベルのリン酸化によって産生されます。環状経路と線形経路とに類似はありません。
7.4 | 酸化的リン酸化
電子伝達鎖は、グルコース異化作用において中間化合物から除去された電子の最終電子受容体として遊離酸素を使用する好気呼吸の一部です。電子伝達鎖は、ミトコンドリア内膜に埋め込まれた4つの大きな複数タンパク質の複合体と、それらの間で電子を往復させる2つの小さな拡散性の電子伝達体で構成されています。電子は一連の酸化還元反応を通過し、少量の自由エネルギーが膜を横切って水素イオンを輸送するために3つの箇所で使用されます。このプロセスは、化学浸透で使用される勾配に貢献します。電子伝達鎖を通過する電子は徐々にエネルギーを失います。低エネルギー電子が酸素分子を還元して水を形成することで、NADHまたはFADH₂のいずれかによって鎖に供与された高エネルギー電子が鎖を完成させます。電子の自由エネルギーのレベルは、NADH中の約60kcal/molまたはFADH₂中の45kcal/molから水の中の約0kcal/molまで低下します。電子伝達鎖の最終生成物は水とATPです。クエン酸回路のいくつかの中間化合物は、必須ではないアミノ酸、糖、および脂質などの他の生化学分子の同化作用に転用することができます。同じこれらの分子はグルコース経路のためのエネルギー源として役立つことができます。
7.5 | 酸素を伴わない代謝
もしNADHが好気呼吸によって酸化できない場合は、別の電子受容体が使用されます。ほとんどの生物は、NAD⁺の再生を達成するために何らかの形態の発酵を使用し、解糖の継続を確実にします。発酵におけるNAD⁺の再生はATP産生を伴いません。したがって、電子伝達鎖を用いてATPを生成するNADHのポテンシャルは利用されません。
7.6 | 炭水化物、タンパク質、脂質の代謝経路の関連
炭水化物、タンパク質、および脂質の分解と合成は、グルコース異化作用の経路と関連しています。単糖類はガラクトース、フルクトース、グリコーゲン、ペントースです。これらは解糖の間に異化されます。タンパク質由来のアミノ酸は、ピルビン酸、アセチルCoA、およびクエン酸回路の構成要素を介してグルコース異化作用と関連しています。コレステロール合成はアセチル基から始まり、トリグリセリドの成分は解糖からのグリセロール-3-リン酸とミトコンドリアで生成されたピルビン酸からのアセチル基に由来します。
7.7 | 細胞呼吸の調節
細胞の呼吸はさまざまな方法で制御されています。細胞へのグルコースの侵入は、グルコースの細胞膜の通過を助ける輸送タンパク質によって制御されています。呼吸過程の制御の大部分は、経路内の特定の酵素の制御を通じて達成されます。これは一種の負のフィードバックメカニズムであり、酵素をオフにします。酵素は最も多くの場合には、利用可能なヌクレオシドであるATP、ADP、AMP、NAD⁺、およびFADのレベルに反応します。この経路の他の中間体もまた系内のある種の酵素に影響を与えます。
ビジュアルコネクション問題
1.図7.11 | ジニトロフェノール(DNP)は、ミトコンドリア内膜を陽子に対して「漏出性」にする「脱共役剤」です。それは1938年まで減量薬として使用されていました。DNPがミトコンドリア内膜を横切るpHの変化にどのような影響を与えると予想しますか?あなたはなぜこれが効果的な減量薬であると思いますか?
2.図7.12 | シアン化物は、電子伝達鎖の構成要素であるシトクロムcオキシダーゼを阻害します。もしシアン化物中毒が発生した場合、膜間腔のpHは増加すると予想しますか、減少すると予想しますか?シアン化物はATP合成にどのような影響を及ぼすでしょうか?
3.図7.14 | マルバフジバカマという植物に含まれる代謝毒であるトレメトールは、乳酸の代謝を妨げます。牛がこの植物を食べると、牛が生産する牛乳にトレメトールが濃縮されます。この牛乳を消費した人は重い病気になることがあります。嘔吐、腹痛、振戦などを含むこの病気の症状は運動後に悪化します。あなたはなぜそうなのだと思いますか?
レビュー問題
4.細胞によって使用されるエネルギー通貨は________です。
a.ATP
b.ADP
c.AMP
d.アデノシン
5.還元化学反応は________。
a.化合物をより単純な形に還元する
b.基質に電子を加える
c.基質から水素原子を取り除く
d.異化反応である
6.解糖の後半では、何が起こりますか?
a.ATPが使い果たされる。
b.フルクトースが2つに分けられる。
c.ATPが作られる。
d.グルコースがフルクトースになる。
7.ピルビン酸からアセチル基への変換中に、ピルビン酸からは何が除去されますか?
a.酸素
b.ATP
c.ビタミンB
d.二酸化炭素
8.NAD⁺に追加された電子は何をするでしょうか?
a.それらは発酵経路の一部になる。
b.それらはATP生産のための別の経路に行く。
c.それらはアセチル基のクエン酸回路への参入にエネルギーを与える。
d.それらはNADPに変換される。
9.GTPまたはATPは________の変換中に生成されます。
a.イソクエン酸からα-ケトグルタル酸へ
b.スクシニルCoAからコハク酸へ
c.フマル酸からリンゴ酸へ
d.リンゴ酸からオキサロ酢酸へ
10.クエン酸回路の各周回では何個のNADH分子が生成されますか?
a.1個
b.2個
c.3個
d.4個
11.NADHから電子を受け取る化合物は何ですか?
a.FMN
b.ユビキノン
c.チトクロームc1
d.酸素
12.化学浸透は________を含みます。
a.細胞膜を横切る電子の動き
b.ミトコンドリア膜を横切る水素原子の動き
c.ミトコンドリア膜を横切る水素イオンの動き
d.細胞膜を通るグルコースの動き
13.以下の発酵方法の中で動物の骨格筋の中で起こり得るものはどれですか?
a.乳酸発酵
b.アルコール発酵
c.混合酸発酵
d.プロピオン酸発酵
14.解糖における糖の主なつながりは________です。
a.グルコース-6-リン酸
b.フルクトース-1,6-ビスリン酸
c.ジヒドロキシアセトンリン酸
d.ホスホエノールピルビン酸
15.β酸化は________です。
a.糖の分解
b.糖の組み立て
c.脂肪酸の分解
d.アミノ酸からのアミノ基の除去
16.高レベルのADPの効果は、細胞呼吸において________ことです。
a.特定の酵素の活性を高める
b.特定の酵素の活性を低下させる
c.特定の酵素の活性に影響を及ぼさない
d.経路の速度を落とす
17.どの酵素が解糖を最も制御していますか?
a.ヘキソキナーゼ
b.ホスホフルクトキナーゼ
c.グルコース-6-ホスファターゼ
d.アルドラーゼ
クリティカルシンキング問題
18.細胞が、炭水化物の結合から直接エネルギーを得るのではなく、ATPを使用するのが有益なのはなぜですか?いくつかの異なる化合物の結合から直接エネルギーを利用することの最大の欠点は何ですか?
19.地球上のほぼすべての生物が何らかの形の解糖を行っています。この事実は、解糖が最も古い代謝経路の1つであるという主張をどのように支持しているのでしょうか、あるいは支持していないのでしょうか?
20.赤血球は発達中にミトコンドリアを失うので、好気呼吸をすることができません。しかしながら、それらは細胞質内で解糖を行います。すべての細胞がエネルギー源を必要とするのはなぜですか?また、赤血球の中で解糖が阻害された場合には何が起こりますか?
21.循環経路と線形経路との間の主な違いは何ですか?
22.ユビキノンとシトクロムcの役割は、電子伝達鎖の他の成分の役割とどう違うのでしょうか?
23.細胞呼吸を通じて形成されるATP分子の数の違いを説明するものは何ですか?
24.発酵と嫌気呼吸との間の主な違いは何ですか?
25.あなたは代謝経路のことを本質的に無駄が多いと記述しますか、それとも本質的に経済的だと記述しますか?それはなぜ?
26.クエン酸回路からのクエン酸は解糖にどのように影響しますか?
27.なぜ生きている細胞では、負のフィードバックメカニズムのほうが正のフィードバックメカニズムよりも一般的なのでしょうか?
解答のヒント
第7章
1 図7.11 DNP中毒の後には、電子伝達鎖はもはや陽子勾配を形成できなくなり、ATPシンターゼはATPを産生できなくなります。DNPはATP合成を切り離すので効果的なダイエット薬となります。言い換えれば、それを摂取した後には、人は自分が食べる食物からより少ないエネルギーを得ることになります。興味深いことに、この薬の最悪の副作用の1つは異常高熱、または体の過熱です。ATPを形成することができないので、電子輸送からのエネルギーは熱として失われます。3 図7.14 この病気は乳酸の蓄積によって引き起こされます。運動後に乳酸レベルが上昇し、その症状が悪化します。牛乳病は今日ではまれですが、1800年代初頭のアメリカ合衆国中西部でよく見られました。4 A 6 C 8 B 10 C 12 C 14 A 16 A 18 ATPは、効率的な方法でエネルギーを処理する方法を細胞に提供します。この分子は帯電することも、貯蔵することも、そして必要に応じて使用することもできます。さらに、ATPを加水分解することから得られるエネルギーは一定量として送り届けられます。いくつかの異なる化合物の結合からエネルギーを集めたならば、異なる量のエネルギー供給となってしまうでしょう。20 すべての細胞は、膜を横切ってイオンを送り出すなどの基本的な機能を実行するためにエネルギーを消費しなければなりません。もし解糖が阻止されると、赤血球はその膜電位を失い、そして最終的には死ぬことになるでしょう。22 Qおよびシトクロムcは輸送分子です。それらがポンプではないという点でそれらの機能はATPの合成には直接つながりません。さらに、Qは、唯一のタンパク質ではない電子伝達鎖の成分です。ユビキノンおよびシトクロムcは、小さな可動性の電子伝達体であり、一方、電子伝達鎖の他の成分は、ミトコンドリア内膜に固定された大きな複合体です。24 発酵は解糖のみを使用します。嫌気呼吸は、クエン酸回路や電子伝達のようなミトコンドリアの中の部分を含む、細胞呼吸の3つの部分すべてを使います。それはまた、酸素気体の代わりに異なる最終電子受容体を使用します。26 クエン酸はフィードバック調節によってホスホフルクトキナーゼを阻害することができます。
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