biochem 100420 最近の更新履歴 Dr Hishiki's classroom (日紫喜研究室)

1

第３ 回  解糖系

日紫喜  光良

基礎生化学講義 ^{２０１０．４．２０}

2

目標

• ^{代謝パスウェ イ の理解}

の第一歩と し て、 解糖

系を理解する

– ^{解糖系ではたら く 酵素を}

理解する。

– ^{解糖系の中間代謝物を}

理解する

– ^{解糖系の調節を理解す}

る

3

代謝パスウェ イ をたと えると （ １ ）

butt://www.saitama-

shintoshin.org/access.htm

さいたま新都心インフォメーション

大阪（伊丹）空港へのアクセス http://www.osaka-

airport.co.jp/access/for_mono.html

4

代謝パスウェ イ ： 酵素と 中間代謝物

投入化合物

生産物

中間代謝物

中間代謝物

酵素

酵素

酵素

5

代謝パスウェ イ をたと えると （ ２ ）

http://www.jpca.or.jp/junior/index.htm 石油化学工業協会

http://f.hatena.ne.jp/wami/20051112195347 Hatenafotofile ^{萌える工場達}

6

解糖系のはたら 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

CO

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 _CO

CO

イラストレーテッド生化学 図８．２

7

解糖系でのエネルギー発生

２ 分子のＡ Ｔ Ｐ を使う （ エネル

ギー投資段階）

４ 分子のＡ Ｔ Ｐ 、 ２ 分子の

Ｎ Ａ Ｄ Ｈ を生成する（ エネ

ルギー生成段階）

２ 分子のピルビン酸

グルコ ース

グルコ ース→２   ピルビン酸

２   Ａ Ｄ Ｐ   →  ２   Ａ Ｔ Ｐ

２   Ｎ Ａ Ｄ ＋  →  ２   Ｎ Ａ Ｄ Ｈ

収支 イラストレーテッド生化学 図８．１１

8

Ａ Ｔ Ｐ （ アデノ シン三リ ン酸）

イラストレーテッド生化学 図６．５

高エネルギーリ ン酸

結合を有する物質の

ひと つ

9

Ｎ Ａ Ｄ ^＋

（ ニコ チンアミ ド アデニンジヌ ク レオチド ）

Ｎ Ａ Ｄ

と Ｎ Ａ Ｄ Ｐ

（イラストレーテッド生化学 図２８．１３）

電子の運び屋のひと つ

10

Ｎ Ａ Ｄ ^＋ の還元

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）

Ｎ Ａ Ｄ

Ｎ Ａ Ｄ Ｈ

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生体でのエネルギー発生

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

Ｃ Ｏ

２

^{、 Ｈ}

^Ｏ

還元

電子運搬物質

還元さ れた電子

運搬物質 _+H

酸素

H

O

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

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ミ ト コ ンド リ アのはたら き

Ｈ

Ｈ

の濃度勾配がＡ Ｔ Ｐ 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

水車を回し て

Ａ Ｔ Ｐ を作っ て

いる

（ 比喩）

Ａ Ｔ Ｐ を使っ て

化学反応をお

こ なっ ている。

汲み出す

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解糖系： 中間代謝物

グルコース６−リン酸

グルコース 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

デヒドロキシアセトン リン酸

1^，3^{−ビスフォスフォグリセリン酸} ３−フォスフォグリセリン酸

２−フォスフォグリセリン酸 フォスフォエノールピルビン酸

乳酸

ピルビン酸

炭素数：６

炭素数：３ イラストレーテッド生化学 図８．１

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解糖系： 酵素から みて（ １ ）

グルコ ースト ラ ン

スポータ ー

細胞外グルコース

細胞内グルコース

グルコ キナーゼ

・ ヘキソ キナーゼ

フ ォ スフ ォ グルコ ース

イ ソ メ ラ ーゼ

グルコース６−リン酸

フ ォ スフ ォ フ ルク

ト キナーゼ−１

フルクトース６−リン酸

フルクトース１，６−ビスリン酸

アルド ラ ーゼ

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 フルクトース１，６−ビスリン酸

グリ セルアルデヒ ド

３ −リ ン酸デヒ ド ロゲ

ナーゼ

1,3^{ビスホスホ} グリセリン酸

ホスホグリ セリ ン酸

キナーゼ

3-^{ホスホグリセリン酸}

2-^{ホスホグリセリン酸}

ホスホグリ セリ ン

酸ムタ ーゼ

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解糖系： 酵素から みて（ ２ ）

2-^{ホスホグリセリン酸}

ホスホエノールピルビン酸

エノ ラ ーゼ

ピルビン酸

グルコ キナーゼ

・ ヘキソ キナーゼ

反応が「 一方通行」 の酵素は？

フ ォ スフ ォ フ ルク

ト キナーゼ−１

ピルビン酸

キナーゼ

ピルビン酸

キナーゼ

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チェ ッ ク 項目

• ^{細胞に、 グルコ ースはどのよう にし て取り 込ま}

れるか？

– ^{肝臓と 他の細胞と の違い}

• どの中間代謝物までが炭素数６ で、 どこ から

どこ までが炭素数３ か？

• ^{どの中間代謝物どう し の間で、 エネルギーの}

出し 入れが起こ るか？

• ^{解糖系はどのよう にし てコ ント ロールさ れる}

か？

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細胞へのグルコ ースの取り 込み

グルコ ースト ラ ンスポータ ー

GLUT-1: ^{赤血球と脳}

GLUT-2: ^{肝臓、腎臓、膵臓} GLUT-3: ^神経細胞

GLUT-4: ^筋肉

GLUT-5: ^{グルコースでな} くフルクトースを輸送

イラストレーテッド生化学図８．１０

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グルコ ースのリ ン酸化

ヘキソ キナーゼ _(HK) または

グルコ キナーゼ _(GK)

ATP ^を消費

グルコ ース

グルコ ース６ リ ン酸

リン酸化によって、（１）グルコース が反応しやすい（高エネルギー）に なる。また、（２）細胞膜を通過でき なくなり、取り込んだグルコースをと どめておける

イラストレーテッド生化学図８．１２

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アルド ースから ケト ースへ

フ ルク ト ース６ _- リ ン酸（ ケト ース）

グルコ ース６ _- リ ン酸（ アルド ース）

フ ォ スフ ォ グルコ ースイ ソ メ ラ ーゼ

イラストレーテッド生化学図８．１５

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フ ルク ト ース６ _- リ ン酸から ２ 分子のト リ オース

（ 炭素３ つの糖） リ ン酸への分裂

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 フォスフォフルクト

キナーゼー１

抑制：_ATP, クエン酸 亢進：_AMP

亢進：フルクトース_2,6ビス リン酸

ATP

ADP

ＡＴＰを消費

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ピルビン酸の生成（ １ ）

グルセルアルデヒド₃リン酸

グルセルアルデヒド₃リン酸デヒドロゲナーゼ

1,3^{ビスホスホグリセリン酸}

2,3^{ビスホスホ} グリセリン酸

3-^{ホスホグリセリン酸} NADH + H⁺

ATP NAD Pi

ADP

ホスホグリセリン酸 キナーゼ

（イラストレーテッド生化学 図８．１８）

22

ピルビン酸の生成（ ２ ）

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

ピルビン酸 キナーゼ

促進 ^{フルクトース1,6ビス} リン酸

H₂O

ATP ADP

（イラストレーテッド生化学 図８．１８）

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ピルビン酸の処理

ピルビン酸

アセチル_CoA オキサロ酢酸

CO2

乳酸 アセトアルデヒド

エタノール

TCA^{サイクルまたは脂肪酸合成} TCA^{サイクルまたは糖新生}

（酵母、一部の細 菌など）

CO2

NAD+

NADH + H⁺

イラストレーテッド生化学 図８．２４も参照

無気的解糖

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無気的解糖の終点： 乳酸の生成

ピルビン酸

乳酸

乳酸デヒドロゲナーゼ

血管に乏しい、あるいはミトコン ドリアを欠く組織では、ピルビン 酸の多くは最終的に乳酸になる。 たとえば、眼のレンズと角膜、腎 臓の髄質、精巣、白血球、赤血 球など。

運動時の筋肉では、解糖によ る_NADHの産生が酸化的リン 酸化による処理よりも早いので、 反応の平衡が乳酸生成のほう に偏る。→細胞内環境が酸性 化→けいれん

上の反応の平衡は、_NADH/NAD⁺比で決まる

肝臓と心臓では_NADH/NAD+比は運動時の筋肉よりも低い イラストレーテッド生化学 図８．２１

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質問

• ^{静止状態と 比較すると 、 激し く 収縮し ている筋}

肉では何が起こ っ ているか

– A. ^{ピルビン酸から 乳酸への変換が増加し ている}

– B. ^{ピルビン酸の} CO2 ^{と 水への酸化は減少し て}

いる

– C.  NADH/NAD+ ^{比は減少し ている}

– D.  AMP ^{濃度は減少し ている}

– E. ^{フ ルク ト ース２ ， ６ −ビスリ ン酸濃度は減少し}

ている

26

乳酸アシド ーシス

• 血漿中の乳酸濃度が上昇し た状態

– ^{心筋梗塞、 肺塞栓、 大量の出血、 ショ ッ ク 状態な}

どで循環系が虚脱し た場合におこ る。

• ^{酸素不足→酸化的リ ン酸化障害→} ATP ^合成

の減少→嫌気的解糖の利用→乳酸の生成

• ^{酸素負債：} 酸素の利用可能性が不十分な

時期から 回復するために必要な余分の酸素

– ^{血中乳酸濃度でモニタ ーする。}

– ^{ショ ッ ク の有無・ 重症度}

– ^{患者の回復度}

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無気的解糖のまと め ₍₁₎

ATP^を消費 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

ATP^を消費

グリセルアルデヒド₃リン酸

２分子の_1,3ビスホスホグリセリン酸

2^分子のNADH^を生成

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無気的解糖のまと め ₍₂₎

２分子の_ATPを生成 2^分子の1,3-^{ビスホスホグリセリン酸}

2^分子の3-^{ホスホグリセリン酸} 2^分子の2-^{ホスホグリセリン酸}

2^{分子のホスホエノールピルビン酸}

２分子の_ATPを生成 2^{分子の乳酸} _{2分子のピルビン酸}

2^分子のNADH^を消費

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解糖系の調節機構

• ^{グルコ キナーゼ（ 肝臓）}

• ^{フ ォ スフ ォ フ ルク ト キナーゼ１}

• ^{ピルビン酸キナーゼ}

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ヘキソ キナーゼと グルコ キナーゼ：

活性の濃度依存性

ヘキソキナーゼ_(HK) グルコキナーゼ_(GK)

血糖濃度（_mmol/L) 空腹時の血糖値

ヘキソキナーゼの_Vmax グルコキナーゼの_Vmax

肝臓

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肝臓でのグルコ キナーゼ _(GK) の活性調節

GLUT-2: ^{グルコ ー}

スト ラ ンスポータ ー

細胞質

細胞膜

核

グルコース

グルコース ６リン酸

フルクトース ６リン酸

ピルビン酸

グルコキナーゼ調節 タンパク（_GKRP)

F6P ^は GK ^の核への

移転（ 非活性化） を

促進する

グルコ ースは核の

GKRP ^が GK ^を細胞

質に放出する（ 活性

化） のを促進する

図８．１４

32

ホスホフ ルク ト キナーゼ−１ _(PFK-1)

• ^{不可逆的リ ン酸化反応}

• ^{解糖系でも っ と も 重要な調節ポイ ント であり 、}

一方向性の律速段階である。

• ^基質（ ATP, ^{フ ルク ト ース６ −リ ン酸） の濃度に}

よる調節

• ^{調節物質による調節}

– 細胞内エネルギーレベル（ _ATP,AMP, ク エン酸 ₎

– ^{フ ルク ト ース２ ， ６ −ビスリ ン酸}

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エネルギーレベルによる調節

• ^{高エネルギー時：} ATP ^{、 ク エン酸が高濃度}

• ^{低エネルギー時：} AMP ^が高濃度

• ^{ホスホフ ルク ト キナーゼ−１ は} ATP ^{と ク エン酸}

によっ てアロステリ ッ ク に阻害さ れ、

• AMP ^{によっ てアロステリ ッ ク に活性化さ れる}

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フ ルク ト ース２ ， ６ ービスリ ン酸

• ^{フ ルク ト ース６ −リ ン酸から できる（ ホスホフ ル}

ク ト キナーゼ−２ （ _PFK-2 ） によっ て） 。

– ^{フ ルク ト ースビスフ ォ スフ ァ タ ーゼ−２ （} FBP-2 ^{） に}

よっ て分解さ れる。

• PFK-1 ^{を活性化する。}

– ^{フ ルク ト ース１ ， ６ −ビスホスフ ァ タ ーゼ（} FBP-1 ^）

を阻害する。

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イ ンスリ ンによる調節

アデニリル シクラーゼ

グルカゴン インスリン

プロテインキナーゼ_A

イラストレーテッド生化学 図８．１７

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血中のイ ンスリ ン濃度が高まると

肝細胞内フ ルク ト ース _2,6 ビスリ ン酸濃度が高まる

• 1. ^細胞内 cAMP ^{濃度の低下→活性化さ れた}

プロテイ ンキナーゼ _A の濃度の低下

• 2. PFK-2/FBP-2 ^{複合体のリ ン酸化反応は脱}

リ ン酸化さ れるほう に平衡が移動する

• 3. ^{脱リ ン酸化さ れた} PFK-2 ^{は活性化さ れるが、}

FBP-2 ^{は不活性化さ れる。 それで、 フ ルク ト ー}

ス _2,6 ビスリ ン酸が生成さ れる

• ^{４ ． フ ルク ト ース} 2,6 ^{ビスリ ン酸は} PFK-1 ^を活性

化するので、 解糖が促進さ れる。

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質問（ １ ）

• ^{ホスホフ ルク ト キナーゼ−１ によっ て触媒さ れ}

る反応に関する以下の記述のう ち正し いも の

はどれか

– A. ^高濃度の ATP ^{と ク エン酸によっ て活性化さ れ}

る

– B. ^{フ ルク ト ース１ −リ ン酸を基質と する}

– C.  解糖系の律速反応である。

– D. ^ほと んどの組織において平衡に近い

– E. ^{フ ルク ト ース２ ， ６ ービスリ ン酸によっ て阻害さ}

れる

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質問（ ２ ）

• 解糖系における以下の記述のう ち正し いも のはど

れか

– A. ^グルコ ースの乳酸への変換には酵素が必要である

– B. ^ヘキソ キナーゼは肝臓におけるグルコ ース代謝にお

いて、 糖質を含む食餌をと っ たあと の吸収期において重

要な役割をはたす

– C. ^{フ ルク ト ース２ ， ６ −ビスリ ン酸はホスホフ ルク ト キ}

ナーゼ−１ の強力な阻害因子である。

– D.  調節を受けている反応は不可逆反応である。

– E. ^{グルコ ースから 乳酸への変換により ２ 分子の} ATP ^{と ２}

分子の _NADH が産生さ れる。

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ピルビン酸キナーゼの調節（ １ ）

ホスホエノールピルビン酸

ピルビン酸

ピルビン酸 キナーゼ

促進 ^{フルクトース1,6ビス} リン酸

ATP ADP

フルクトース６リン酸

“Feed forward” ^調節

40

ピルビン酸キナーゼの調節（ ２ ）

グルカゴン

アデニリルシクラーゼ

ATP cAMP + PPi

プロテインキナーゼ _Aを活性化

ピルビン酸

キナーゼ

（ 活性型）

ピルビン酸

キナーゼ

（ 非活性

型）

ホスホエノール ピルビン酸

ピルビン酸

リン酸化

^{リ ン酸化}

血糖値低→グルカ ゴンが分泌さ れる

「糖新生」

産生低下 こちらに まわさ れる 血液中にグルコース を放出する

結果的に 肝細胞

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イ ンスリ ンと グルカ ゴンが

解糖系の酵素の量をどのよう に変えるか

グルコキナーゼ

インスリンで増大 グルカゴンで減少

ホスホフルクトキナーゼ

インスリンで増大 グルカゴンで減少

ピルビン酸キナーゼ

インスリンで増大 グルカゴンで減少 イラストレーテッド生化学 図８．２３

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ピルビン酸キナーゼの欠損症

• 赤血球においてピルビン酸産生低下

– ^{赤血球において、} ATP ^{産生低下、 乳酸産生低下}

• ^{赤血球が壊れやすく なる： 溶血}

– ^{赤血球はミ ト コ ンド リ アがないので、 解糖だけがエ}

ネルギー（ _ATP) 源

– ATP 不足→形の維持に必要な膜のポンプが機能

し ない→赤血球の形が変化→マク ロフ ァ ージに

貪食さ れる。

• ^{溶血性貧血：} 赤血球の未熟な段階での細

胞死と 溶解により おこ る

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質問

• ^{４ ３ 歳の男性が脱力、 疲労、 息切れ、 めまい感を訴}

えている。 ヘモグロビン値は５ ∼７ _g/dL （ 男子の正常

値は _13.5g/dL 以上） であっ た。 患者から 採取し た赤

血球では乳酸産生が異常に低下し ていた。 どの代

謝経路の異常が考えら れるか？

• ^{以下の酵素のう ち、 どの酵素の欠損がこ の患者の}

貧血の原因である可能性がも っ と も 高いか？

– A. ^{ホスホグイ ソ メ ラ ーぜ}

– B. ^{ホスホフ ルク ト キナーゼ−１}

– C. ^{ピルビン酸キナーゼ}

– D. ^{ヘキソ キナーゼ}

– E. ^{乳酸デヒ ド ロゲナーゼ}