電子伝達系

解糖系、クエン酸回路と来たので、電子伝達系をまとめてみました。

ATP合成の基盤となる部分であり、個人的には理解すると生化学がとても楽しくなる部分だと思います。

電子は、クエン酸回路の基質を始まりとして、NADHやFADH2を経て、複合体やユビキノン(Q)、シトクロムc(Cytc)を通ってミトコンドリア内膜の中を伝達されて行き、最後は酸素に伝達され水となります。

プロトンは、それぞれの複合体でミトコンドリアの膜間腔にくみ出され、濃度が高くなると内膜にあるATP合成酵素を通ってマトリックスに流れ込みます。

この際のエネルギーを利用して大量のATPが合成されるのです。

電子の流れを簡単に書くと、

複合体Ⅰ・Ⅱ→ユビキノン→複合体Ⅲ→シトクロムc→複合体Ⅳ→O2

ちなみに電子が移動する原動力としては、電子は還元電位が大きい方に流れて行くという性質があります。

それでは、１つずつ細かく見て行きましょう。

複合体Ⅰ

クエン酸回路で生じたNADHは複合体ⅠでFMNにH-(H+と電子e-2で構成)を渡します。

さらにFMNはマトリックスからH+も取り込んでFMNH2になります。

このあとFMNH2はFe-Sクラスターに電子を渡します。

複合体ⅠにはFe-Sクラスターが、7〜8個あります。

これを飛び移って行き最後に、複合体Ⅰに付着しているユビキノン(Q)に渡されるのです。

電子が複合体Ⅰ内を移動中、マトリックスから2H+が吸収され、膜間腔には計4つのH+が放出されます。

ユビキノンはFe-Sクラスターから2個の電子e-を受け取ると、マトリックスからも2H+を吸収してQH2になりミトコンドリア内膜の中を拡散して行きます。

これにより、NADH→QH2の間に、

マトリックスから+5H

膜間腔へ+4H

計9H分の濃度勾配が出来ます。

複合体Ⅱ

複合体Ⅱは、クエン酸回路のコハク酸脱水素酵素です。

コハク酸から電子2個とH+2個がFADに渡り、FADはFADH2になります。

FADH2は電子を1個ずつ2回Fe-Sクラスターに渡し、H+を2個マトリックスに放出してFADに戻ります。

電子は3個のFe-Sクラスターを移動し、ユビキノンに伝達されます。

ユビキノンは2個の電子と、マトリックスから2H+を取り込んでユビキノール(QH2)になり、内膜の中を拡散して行きます。

複合体Ⅲ

QH2は複合体Ⅲに出会うとQH2サイトに結合し、運んでいた電子2個のうちの1つをFe-Sクラスターに、もう1つをシトクロムbが持つヘムb566に渡します。

電子を失ってQH2から遊離した2H+は膜間腔に放出されます。

そしてQH2はQになりQサイトに移ります。

そして、Fe-Sクラスターに渡された電子はシトクロムc1を経て、膜間腔側の表面に結合しているシトクロムcに渡されます。

電子を受け取ったシトクロムcは酸化型から還元型になり複合体Ⅲから遊離します。

一方、ヘムb566に渡された電子は、ヘムb562を経てQサイトに結合したQに渡されます。

Q-になった後、次のQH2のやりとりを待ち、再び電子を得たQ-はマトリックスから2H+も得てQH2になって内膜内に出て行きます。

まとめると、

2分子のQH2が来て、1分子のQH2と1分子のQ、さらに2分子の還元型シトクロムcが生じます。

その間に、

マトリックスから+2H+

膜間腔へ+4H+

計6H+分の濃度勾配が出来ます。

(もとの1分子のNADHあたり3h+の濃度勾配)

複合体Ⅳ

複合体Ⅳでは、膜間腔を移動して来た還元型シトクロムcから電子が1個ずつ4回供給され、マトリックスからプロトンが4つ取り込まれます。

シトクロムcは電子を渡すことで酸化型シトクロムcに戻り複合体Ⅳから離れて行きます。

複合体Ⅳに結合した電子は、還元型シトクロムcから複合体Ⅳの銅イオンに飛び移ります。

その後、ヘムα、ヘムα3、ヘムα3内の銅イオンへと飛び移ります。

最後にヘムα3と銅イオンの間に結合しているO2に移ります。

まず、最初の電子2個でヘムα3の鉄原子Feと銅原子Cuがそれぞれ還元され酸素分子が結合出来るようになります。

酸素分子O2は還元されたヘムα3のFeとCuの両方から結合電子を受け取りFe-O-O-Cuになります。

その後、酸素分子は還元型シトクロムcから電子をさらに2個受け取り、マトリックスからのH+2個と結合し、Fe-OH HO-Cuになります。

最後にまたH+が2個取り込まれ2H2Oが生成され膜から出て行きます。

そして水分子がなくなったFeとCuは初期の状態に戻ります。

この過程において、機構は未解明ですが別途で4個のH+がマトリックスから取り込まれ、4個のH+が膜間腔に放出されます。

よって、1分子のO2から2分子の水が作られる過程においては、

マトリックスから+8H+

膜間腔へ+4H+

計12H+分の濃度勾配が出来きます。

(もとの1分子のNADHあたり3h+の濃度勾配)

こうして出来たプロトンの濃度勾配によって、ミトコンドリア内膜内のATP合成酵素のモーターが回りATPが生成されるのです。

次回は、ATP合成酵素やATP生成量についてまとめたいと思います。

クエン酸回路(TCAサイクル)

クエン酸回路はミトコンドリアのマトリクスに存在するシステムです。

クエン酸回路は、アセチルCaAが組み込まれることによって反応が始まります。

そのためには、まず解糖系で生成したピルビン酸がアセチルCaAにならないといけません。

ピルビン酸からアセチルCaAの生成には、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体という酵素と、チアミンピロリン酸(TPP)、リポアミド、CoA、FAD、NADという補酵素が必要になります。

ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体は、

ピルビン酸デヒドロゲナーゼ(E1)

ジヒドロリポイルトランスアセチラーゼ(E2)

ジヒドロリポイルデヒドロゲナーゼ(E3)

という3つの酵素からなり、反応は5段階に分かれています。

５段階の過程は、

ピルビン酸

ヒドロキシエチルチアミンピロリン酸

S-アセチルジヒドロリポイルリシン

アセチルCaA

となります。

これだけ見ると3回の反応ですが、これにFADとNADの酸化還元反応が補助的に入ります。

ピルビン酸からヒドロキシエチルチアミンピロリン酸の生成には、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ(E1)とチアミンピロリン酸(TPP)が必要になります。

ピルビン酸(C3H4O3)にチアミンピロリン酸(C12H19N4O7P2S)が付き、CO2を放出し、ヒドロキシエチルチアミンピロリン酸が出来ます。

C3H4O3+C12H19N4O7P2S→C2H4O~TPP+CO2

ヒドロキシエチルチアミンピロリン酸(C2H4O~TPP)からS-アセチルジヒドロリポイルリシンの生成には、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ(E1)とリポアミド(C8H15NOS2)が必要になります。

E1を触媒として、ヒドロキシエチルチアミンピロリン酸(C2H4O~TPP)にリポアミド(C8H15NOS2)が付き、TPPが放出され、S-アセチルジヒドロリポイルリシン(C10H19NO2S2)が出来ます。

C2H4O~TPP + C8H15NOS2→C10H19NO2S2 + TPP

このときのリポアミドが、wikiではα-リポ酸(C8H14O2S2)となっていて混乱する人もいると思いますが注意してください。

S-アセチルジヒドロリポイルリシンからアセチルCaAの生成には、ジヒドロリポイルトランスアセチラーゼ(E2)とCoAが必要になります。

E2を触媒として、S-アセチルジヒドロリポイルリシン(C10H19NO2S2)にCoA(C21H36N7O16P3S)が付き、ジヒドロリポアミド(C8H17NOS2)が放出され、アセチルCaA(C31H55N8O18P3S3)が出来ます。

C10H19NO2S2+C21H36N7O16P3S→C31H55N8O18P3S3+C8H17NOS2

ジヒドロリポアミドからリポアミドの生成には、ジヒドロリポイルデヒドロゲナーゼ(E3)とFADが必要になります。

E3を触媒として、ジヒドロリポアミド(C8H17NOS2)がFADによる酸化反応を受けてリポアミド(C8H15NOS2)が出来ます。

C8H17NOS2+FAD→C8H15NOS2+FADH2

酸化反応により出来た還元型FADはNADの酸化反応を受けてまた酸化型FADに戻ります。

FADH2+NAD→FAD+NAD+H+

これでやっと、ピルビン酸からアセチルCoAが出来ました。

ここからクエン酸回路が回り始めます。

反応は以下になります。

アセチルCoA

クエン酸

シスアコニット酸

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

アセチルCoAからクエン酸の生成にクエン酸シンターゼという酵素とオキサロ酢酸と水が必要になります。

クエン酸シンターゼを触媒として、アセチルCaA(C31H55N8O18P3S3)にオキサロ酢酸(C4H4O5)と水が付き、CoA(C21H36N7O16P3S)を放出してクエン酸(C6H8O7)が出来ます。

C31H55N8O18P3S3+C4H4O5+H2O→

C6H8O7+C21H36N7O16P3S

クエン酸からシスアコニット酸の生成には、アコニターゼという酵素が必要になります。

アコニターゼを触媒として、クエン酸(C6H8O7)から水が抜けてシスアコニット酸(C6H6O6)が出来ます。

C6H8O7→C6H6O6+H2O

シスアコニット酸からイソクエン酸の生成には、同じくアコニターゼと水が必要になります。

シスアコニット酸(C6H6O6)に水が付きイソクエン酸(C6H8O7)が出来ます。

分子式的にはクエン酸と同じになります。

C6H6O6+H2O→C6H8O7

イソクエン酸からα-ケトグルタル酸の生成には、イソクエン酸デヒドロゲナーゼという酵素とNADが必要になります。

α-ケトグルタル酸を触媒とし、イソクエン酸(C6H8O7)はNADの酸化反応を受けCO2を放出してα-ケトグルタル酸(C5H6O5)が出来ます。

C6H8O7+NAD→C5H6O5+CO2+NADH2

α-ケトグルタル酸からスクシニルCoAの生成には、オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ複合体という酵素と、チアミンピロリン酸(TPP)、リポアミド、CoA、FAD、NADという補酵素が必要になります。

ピルビン酸からアセチルCoAと同じ反応になり、スクシニルCoA(C25H40N7O19P3S)とCO2とNADH2を放出します。

C5H6O5+C21H36N7O16P3S→C25H40N7O19P3S+CO2+H2

スクシニルCoAからコハク酸の生成には、スクシニルCoAシンターゼとGDPとリン酸が必要になります。

スクシニルCoA(C25H40N7O19P3S)にGDP(C10H15N5O11P2)とリン酸(H3PO4)が付き、CoA(C21H36N7O16P3S)とGTP(C10H16N5O14P3)を放出してコハク酸(C4H6O4)が出来ます。

C25H40N7O19P3S+C10H15N5O11P2+H3PO4→C4H6O4+C21H36N7O16P3S+C10H16N5O14P3

コハク酸からフマル酸の生成には、コハク酸デヒドロゲナーゼという酵素とFADが必要になります。コハク酸(C4H6O4)がFADによる酸化を受けてフマル酸(C4H4O4)が出来ます。

C4H6O4+FAD→C4H4O4+FADH2

フマル酸からリンゴ酸の生成には、フマラーゼという酵素と水が必要になります。

フマル酸(C4H4O4)に水が付加されリンゴ酸(C4H6O5)が出来ます。

C4H4O4+H2O→C4H6O5

リンゴ酸からオキサロ酢酸の生成には、リンゴ酸デヒドロゲナーゼという酵素とNADが必要になります。

リンゴ酸(C4H6O5)がNADによる酸化を受けてオキサロ酢酸(C4H4O5)が出来ます。

C4H6O5+NAD→C4H4O5+NADH+H+

以上がクエン酸回路の流れになります。

クエン酸回路の反応をまとめると、

アセチルCoA+CoA+3NAD+FAD+GDP+リン酸+2H2O→

2CO2+2CoA+3NADH+3H++FADH2+GTP

となります。

補足

クエン酸回路の維持

クエン酸回路の中間代謝物が減少すると、アセチルCoAが回路に入るために必要なオキサロ酢酸の濃度も低下し、回路が維持出来なくなります。

そのためピルビン酸からオキサロ酢酸を生成する経路があります。

ピルビン酸からオキサロ酢酸を生成するには、ピルビン酸カルボキシラーゼという酵素とATPとCO2が必要になります。

ピルビン酸カルボキシラーゼを触媒とし、ピルビン酸(C3H4O3)にATP(C10H16N5O13P3)とCO2が反応します。

このとき、ATPが加水分解され(ADPC10H15N5O10P2)とリン酸(H3PO4)が放出してオキサロ酢酸(C4H4O5)が出来ます。

C3H4O3+C10H16N5O13P3+CO2+H2O→C4H4O5+C10H15N5O10P2+H3PO4

解糖系

解糖系は細胞質で1分子のグルコースから2分子のピルビン酸が生成される過程をいいます。

グルコースからピルビン酸への過程は以下になります。

グルコース

グルコース-6-リン酸

フルクトース-6-リン酸

フルクトース-1,6-ビスリン酸

グリセルアルデヒド-3-リン酸+ジヒドロキシアセトンリン酸

1-3-ビスホスホグリセリン酸

3-ホスホグリセリン酸

2-ホスホグリセリン酸

ホスホエノールピルビン酸

ピルビン酸

解糖系準備期

まず、グルコースからグルコース-6-リン酸の生成には、一般的にはヘキソキナーゼという酵素とMgatp2-(ATP4-とMg2+)が必要になります。

肝臓のグルコキナーゼ(ヘキソキナーゼⅣ)はグルコース濃度が高くなると触媒し始めます。

ATP(C10H16N5O13P3)が加水分解されADPとリン酸(H3PO4)が出来ます。

C10H16N5O13P3+H2O→C10H15N5O10P2+H3PO4

取れたリン酸がグルコースの6位の水素に結合し、グルコース-6-リン酸(C6H13O9P)が出来ます。

C6H12O6+H3PO4→C6H13O9P+H2O

このリン酸化が直ちに起こるのは、グルコースが細胞外に拡散してしまうのを防ぐためです。

リン酸化により電荷が導入されるので、グルコース-6-リン酸は容易に細胞膜を通過することができません。

細胞内のグルコース濃度は細胞外より低濃度に保たれてます。

これは細胞外へのグルコースの流出を防ぎ、細胞内への膜輸送を促進するためです。

グルコース-6-リン酸からフルクトース-6-リン酸の生成には、グルコース-6-リン酸イソメラーゼという酵素と、Mg2+が必要です。

グルコース-6-リン酸イソメラーゼは、グルコース-6-リン酸のαアノマー(α-D-グルコピラノース-6-リン酸)に優先的に結合し環を開けたあと、アルドースからケトースへと転換させます。

C6H13O9Pの分子式は変わりません。

フルクトース-6-リン酸からフルクトース1,6-ビスリン酸の生成には、ホスホフルクトキナーゼとMgatp2-(ATP4-とMg2+)が必要です。

ここでもATPからリン酸が加水分解され、フルクトース-6-リン酸の1位の水素に結合し、フルクトース-1,6-ビスリン酸(C6H14O12P2)が出来ます。

C6H13O9P+H3PO4→C6H14O12P2+H2O

フルクトース、マンノースなどのヘキソースはフルクトース-6-リン酸になることで解糖系
に入れるようになります。

解糖系のすべての基質がこの反応から合流します。

フルクトース-1,6-ビスリン酸は、アルドラーゼという酵素によって炭素の3番4番の結合が切れ、グリセルアルデヒド-3-リン酸とジヒドロキシアセトンリン酸に分かれます。

C6H14O12P2→C3H7O6P+C3H7O6P

分子式はどちらも同じです。

ジヒドロキシアセトンリン酸はそのままでは解糖系を進めないので、トリオースリン酸イソメラーゼという酵素によりグリセルアルデヒド-3-リン酸(C3H7O6P)に変えられます。

C3H7O6P→C3H7O6P

解糖系報酬期

グリセルアルデヒド-3-リン酸から1,3-ビスホスホグリセリン酸の生成には、グリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼという酵素とリン酸とNAD+が必要です。

グリセルアルデヒド-3-リン酸が酸化し水素が抜けNAD+がNADH+H+になり、リン酸が付き1,3-ビスホスホグリセリン酸(C3H8O10P2)が出来ます。

C3H7O6P+H3PO4→C3H8O10P2+2H

1,3-ビスホスホグリセリン酸から3-ホスホグリセリン酸の生成には、ホスホグリセリン酸キナーゼという酵素とADPとMg2+が必要になります。

1,3-ビスホスホグリセリン酸から加水分解によりリン酸が取れてADPに渡され、ADPがATPになります。

リン酸が取れた1,3-ビスホスホグリセリン酸は、3-ホスホグリセリン酸(C3H7O7P)となります。

C3H8O10P2−H3PO4+H2O→C3H7O7P

3-ホスホグリセリン酸から2-ホスホグリセリン酸の生成には、ホスホグリセリン酸ムターゼ

という酵素とMg2+が必要になります。

3番目の炭素に付いていたリン酸を2番目の炭素に移動して2-ホスホグリセリン酸(C3H7O7P)が出来ます。

動物の場合、触媒反応を開始するためには中間体の2,3-ビスホスホグリセリン酸が常に少量細胞内に蓄えられていなくてはなりません。

C3H7O7P→C3H7O7P

2-ホスホグリセリン酸からホスホエノールピルビン酸の生成には、エノラーゼ(ホスホピルビン酸ヒドラターゼ)という酵素と、２つのMg2+が必要になります。

ホスホピルビン酸ヒドラターゼにより、炭素の2番目からHと3番目からOHを引き抜き脱水し、ホスホエノールピルビン酸(C3H5O6P)が出来ます。

C3H7O7P−H2O→C3H5O6P

ホスホエノールピルビン酸からピルビン酸の生成には、ピルビン酸キナーゼという酵素とADP、そして、K+、Mg2+かMn2+が必要になります。

ホスホエノールピルビン酸が加水分解されリン酸が取れてADPがATPになります。

ホスホエノールピルビン酸はリン酸が取れてピルビン酸(C3H4O3)になります。

C3H5O6P+H2O→C3H4O3+H3PO4

解糖系においては、2ATPを使い4ATPを回収します。

以上が、解糖系になります。

マグネシウム

マグネシウム(Mg2+)は、ミネラルの一つで骨や歯の形成に必要な元素です。

そんな中、生化学の教科書には神経や筋肉の興奮性を低下させると書かれている事も多いのですが、その書き方ゆえ多くの人がマグネシウム自体にその能力があると勘違いしてしまいます。

確かに間違いではないのですが、かなり簡略化した書き方であり、実際はあくまでも補助因子として働いているに過ぎません。

例えば…

筋肉の興奮性を低下させる。

本来、筋肉が弛緩するには筋小胞体にCa2+が回収されなくてはならないのですが、この回収時にATPが必要になります。

そのATPが枯渇すると筋肉は弛緩しづらくなり、興奮性が低下しません。

そのため、筋肉の興奮性を低下させるためにまずATPが必要になります。

Mg2+はそのATPを生成する過程で必要になるのです。

よって、直接的に筋肉の興奮性を低下させるのではなく、間接的に関係して来ます。

まずグルコースからATPを生成するのですが、ATPを生成するにあたりATPが必要になるという少し矛盾した感じになります。

これは分かりやすく言うと、少量のATPを使ってその後多量のATPを回収するといった感じです。

そのATPを使う際にMg2+が必要になります。

グルコース+ATP→グルコース6リン酸+ADP

グルコースがATPと反応してP(リン酸基)とくっ付くことでADPを押し出します。(求核攻撃)

その反応を触媒するのがヘキソキナーゼという酵素で、ADPを押し出しやすくするための補助因子としてMg2+が必要になるのです。

補足的な細かい説明をすると以下になります。

キナーゼとはドナー分子(ここでいうATP)から基質(ここでいうグルコース)にリン酸基を転移させる酵素のことを言います。(リン酸化)

基質とは酵素と結合して酵素が働く場所となる物質のことです。

キナーゼ系はMg2+を必要とします。

なぜなら、ヒドロキシ期もリン酸基も負電荷を帯びているため本来は反発しあうのですが、Mg2+の配位結合がリン酸基の負電荷を抑えることでリン原子が求核攻撃を受けやすくしているのです。(リン酸基が取れやすくなって転移しやすくなるってこと。)

ほとんどのところでヘキソキナーゼの基質をATPと省略して書かれていますが、実際は、ヘキソキナーゼの基質の一つはATP4-とMg2+が配意結合したMgatp2-となっているのです。

以上が、筋肉の興奮を低下させるときのMg2+利用の過程ですが、他にも、脂肪を分解させる時や様々な過程でATPが必要になってきます。

ですので、ATPが登場する過程では常にMg2+が必要となって来ます。

これが、Mg2+が生体の機能維持に不可欠と言われる理由です。

まとめとして車に例えると、車にとってタイヤは必要です。

でも、そのタイヤを留めるためのビスも必要です。

Mg2+はまさにそのビス的な存在です。

確かに必ず必要なものですが、だからといって100個も200個も用意しても車の性能は上がらない。

必要な分だけあれば良い。

ですので、Mg2+もたくさん摂れば良いという成分ではなく、不足しないように補っていれば特に問題がないという程度の成分なのです。

Mg2+にばかり注目してるヒマがあるなら、他にやるべきことに目を向けた方が身体の性能は上がるでしょう。

補足
マグネシウムが豆乳を豆腐に固化ささるように、高濃度のMg2+はタンパク質を固化する性質があるもあるので注意が必要です。