スライド 1

クエン酸回路・電子伝達系（１）

（生化学２）

平成２９年４月２７日

病態生化学分野教授

本日の学習の目標

クエン酸回路の働きを理解する

PDH複合体について理解する

ビタミンとクエン酸回路の関係を理解する

グルコース

乳酸

グルコース

６リン酸

ピルビン酸

グリコーゲン

タンパク質

アミノ酸

脂肪酸

アセチル

CoA

トリアシルグリセロール

ケト酸

ATP

ピルビン酸

脱水素酵素

エネルギー代謝経路

グリコーゲン代謝

解糖系

クエン酸回路

電子伝達系

脂質代謝

アミノ酸代謝

β酸化

糖新生

クエン酸回路（サイクル） Citric acid cycle

トリカルボン酸回路（サイクル） Tricarboxylic acid cycle

TCA回路（サイクル） TCA cycle

クレーブス回路（ サイクル）Krebs cycle

Sir Hans Adolf Krebs

(1900-1981 独→英）

１９３７年 クエン酸回路の発見

１９６３年 ノーベル賞受賞

クリステ

Cristae

マトリックス

Matrix

内膜

Inner membrane

外膜

Outermembrane

膜間腔

Intermembrane space

ミトコンドリア Mitochondrion/Mitochondria

クエン酸回路の反応はマトリックス内でおきる

クエン酸回路（ミトコンドリア）

ピルビン酸

アセチルCoA

オキサロ酢酸

クエン酸

cis-アコニット酸

イソクエン酸

2-オキソグルタール酸

スクシニルCoA

コハク酸

フマル酸

リンゴ酸

NAD

NADH

NAD

NADH

NAD

NADH

FAD

FADH

2

NAD

NADH

GDP

GTP

細胞質から

ピルビン酸

輸送体

燃料からATPをつく

りだすためにNADH

やFADH2の形で高

エネルギー電子を

取り出す

NAD(H)

N

CH

₂

HO

OH

O

+

C

₂

O

NH

P O

O

-O

O

P

O

O

O

CH

₂

HO

OH

N

N

N

N

NH

₂

-O

酸化型（NAD, NAD

+

_）

ニコチン酸：

ビタミンB群の一つ

ニコチン酸アミド（ニコチンアミド）：

ビタミンB群の一つ

H

–

(2e

–

, H

+

)

N

C

₂

O

NH

R

H H

還元型（NADH）

NAD: Nicotinamide adenine dinucleotide

OPO3

2-酸化型（

NADP, NADP

+

N

CH

₂

HO

OH

O

+

C

₂

O

NH

P O

O

-O

O

P

O

O

O

CH

₂

HO

OH

N

N

N

N

NH

₂

-O

酸化型（NAD, NAD

+

_）

アデノシン

FAD(H

2

)

N

N

N

N

_O

O

CH

₃

CH

₃

CH

₂

HO-C-H

CH

₂

O

P O

O

O

P

O

O

O

CH

₂

HO

OH

H

N

N

N

N

NH

₂

-O

HO-C-H

HO-C-H

酸化型（FAD）

2e

–

, 2H

+

N

N

N

N

_O

O

CH

₃

CH

₃

H

H

H

R

還元型（FADH

2

）

リボフラビン：ビタミンB

2

アデノシン

FAD: Flavin adenine dinucleotide

FMN: Flavin mononucleotide

クエン酸回路と電子伝達系の連結

ミトコンドリア電子伝達系（呼吸鎖）

ATP 合成系

酸化的リン酸化

ク エ ン 酸 回 路

NAD,

FAD

NADH,

FADH2

e-

e-O

2

H

2

O

ATP

NADH, FADH

2

再酸化

（NAD, FAD再生）

ミトコンドリア電子伝達系

（呼吸鎖、酸化的リン酸化）

ATP 産生

酸素消費

電子伝達系がとまると、クエン酸回路もとまる

COO

−

+ NAD

+

_{+ CoA}

O

C

SCoA + NADH + CO

2

O

C

H

3

C

H

3

C

ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体

Pyruvate dehydrogenase complex

SH

CH

2

CH

2

NH

C=O

CH

2

NH

C=O

C

H

OH

C

H

3

C

CH

3

CH

2

O P O P O

=

O

=

O

CH

2

O

2-

_O

3

PO

OH

N

N

N

N

NH

2

Coenzyme A (CoA)

パントテン酸：

ビタミンB群の一つ

アデノシン

3’-リン酸

O

C

CH

3

〜

S

CH

2

CH

2

NH

C=O

CH

2

NH

C=O

C

H

OH

C

H

3

C

CH

3

CH

2

O P O P O

=

O

=

O

CH

2

O

2-

_O

3

PO

OH

N

N

N

N

NH

2

=

アセチルCoA（アセチル補酵素A）

E２ ：ジヒドロリポイルアセチル基転移酵素

Dihydrolipoyl transacetylase

E1 ：

ピルビン酸デヒドロゲナーゼ Pyruvate dehydrogenase

（ピルビン酸デカルボキシラーゼ Pyruvate decarboxylase）

E３：ジヒドロリポアミドデヒドロゲナーゼ

Dihydrolipoamide dehydrogenase

ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体

３種類の酵素と５種類の補酵素が関与

TPP、リポ酸、FAD、CoA、NAD

＋

CH

2

H

2

C

S

S

C

H

CH

2

C

O

CH

2

CH

2

CH

2

OH

リポ酸：ビタミン様物質

Lipoic acid

チアミン Thiamine

ビタミン B

1

チアミンピロリン酸

Thiamine pyrophosphate (TPP)

NH

2

CH

2

N

N

N

+

C

C

C S

CH

2

CH

2

O P O P O

–

O

O

O

–

O

–

CH

3

H

3

C

ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体

CH

3

C

O

COO-CO

2

E

1

E

1

E

2

E

3

TPP

S

S

S

S

FAD

S

S

CH

₃

CH

OH

E

1

E

2

E

3

TPP

S

HS

S

S

FAD

S

S

CH

₃

C

O

E

2

S

S

E

1

E

2

E

3

TPP

S

S

FAD

S

HS

CH

₃

C

O

E

2

E

1

E

2

E

3

TPP

S

S

S

S

FAD

HS

HS

CoA-SH

CH

₃

C

O

SCoA

アセチルCoA

E

2

E

1

E

2

E

3

TPP

S

S

SH

SH

FAD

S

S

E

3

NADH + H

+

E

3

NAD

+

脱炭酸

アセチル基

の転移

酸化型リポアミド

の再生

E

1

E

2

E

3

TPP

S

S

S

S

FAD

S

S

脚気（Beriberi）

•昭和初期までの国民病

•ビタミンB1欠乏症

•近年、再び患者の出現

•四肢の浮腫を伴う多発性神経炎、心不全を伴う

徳川家茂

和宮

（四肢遠位の筋力低下など）

Wernicke脳症

慢性アルコール中毒などの低栄養疾患でみられるB1欠乏脳症

急性に発症する意識障害、眼振、外眼筋麻痺など。

健忘、失見当識など精神症状がみとめられることもあり。

Leigh症候群

乳児期に発症する神経変性疾患。発育の停止、筋力低下、呼吸障害など。

ミトコンドリアの異常で発症する場合や、PDHの活性低下で発症する場合もある。

緊急安全性情報

高カロリー輸液療法施行中の重篤なアシドーシスの発現

高カロリー輸液療法施行中に起こる重篤なアシドーシスについて再度『緊急安全性情報』がだされました。適正使用情報を配布後も重篤なアシド ーシスが因果関係の不明な症例も含め１５例（死亡７例）に認められています。そこで【警告】欄にビタミンＢ１の併用を追記し、さらにアシドーシス が起こった場合の処置についても追記しました。

•１．高カロリー輸液療法施行中は必ずビタミンＢ１を投与すること。

•２．重篤なアシドーシスが起こった場合には直ちにビタミンＢ１の欠乏を考慮すること。

•３．ビタミンＢ１を投与していても基礎疾患、合併症などの病態の悪化により重篤なアシドーシスが発現することがあるので注意すること。 •４．高カロリー輸液療法の施行にあたっては、添付文書の記載事項に留意の上、適正に使用すること。 【警告】及び【一般的注意】 【警告】ビタミンＢ１を併用せずに高カロリー輸液療法を施行すると重篤なアシドーシスが発現することがあるので、必ずビタミンＢ１を併用すること 。 ビタミンＢ１欠乏症と思われる重篤なアシドーシスが発現した場合には、直ちに１００～４００ｍｇのビタミンＢ１製剤を急速静脈内投与すること。 また、高カロリー輸液療法を施行中の患者では、基礎疾患及び合併症に起因するアシドーシスが発現することがあるので、症状があらわれた場 合には高カロリー輸液療法を中断し、アルカリ化剤の投与等の処置を行うこと。 【一般的注意】 (1)高カロリー輸液療法施行中にビタミンＢ１欠乏により重篤なアシドーシスが起こることがあるので、必要量（１日３ｍｇ以上を目安に）のビタミンＢ １を投与すること。

グルコース

乳酸

グルコース

６リン酸

ピルビン酸

グリコーゲン

タンパク質

アミノ酸

脂肪酸

アセチル

CoA

トリアシルグリセロール

ケト酸

ATP

ピルビン酸

脱水素酵素

エネルギー代謝経路

グリコーゲン代謝

解糖系

クエン酸回路

電子伝達系

脂質代謝

アミノ酸代謝

β酸化

糖新生

脂肪酸合成

乳酸アシドーシス

ビタミンB1欠損

クエン酸回路（ミトコンドリア）

ピルビン酸

アセチルCoA

オキサロ酢酸

クエン酸

cis-アコニット酸

イソクエン酸

2-オキソグルタール酸

スクシニルCoA

コハク酸

フマル酸

リンゴ酸

NAD

NADH

NAD

NADH

NAD

NADH

FAD

FADH

2

NAD

NADH

GDP

GTP

細胞質から

ピルビン酸

輸送体

クエン酸合成酵素

アコニターゼ

アコニターゼ

イソクエン酸

デヒドロゲナーゼ

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

合成酵素

コハク酸

デヒドロゲナーゼ

フマラーゼ

リンゴ酸

デヒドロゲナーゼ

脱水

脱水素と

脱炭酸

酸化的脱炭酸

脱水素

水付加

脱水素

クエン酸シンターゼ Citrate synthase

炭素２原子をアセチル-CoAとしてクエン酸回路に導入

CH

3

-C-S-CoA

O

O

C

COO-CH

2

COO-+ H

2

O

HO C

COO-CH

2

COO-CH

2

COO-+ CoA-SH

+

アセチル-CoA

Acetyl-CoA

オキサロ酢酸

Oxaloacetate

クエン酸

Citrate

アコニターゼ Aconitase

クエン酸の異性化：次段階の酸化、脱炭酸を容易にする

COO-CH

2

HO C

C

H

COO-H

COO-H

2

C

C

C

COO-H

COO-H

2

O

H

2

O

H

2

O

H

2

O

COO-CH

2

HO

C

C

H

COO-H

COO-クエン酸

cis-アコニット酸

イソクエン酸

イソクエン酸デヒドロゲナーゼ

Isocitrate

dehydrogenase

酸化的脱炭酸：NADH と CO

2

生成

COO-CH

2

HO

C

C

H

COO-H

COO-イソクエン酸

Isocitrate

オキサロコハク酸

_{Oxalosuccinate}

（酵素から遊離しない）

COO-CH

2

O

C

C

H

C

-O

O

C

O-O

Mn

2+

NAD NADH + H

+

COO-CH

2

-O

C

C

H

C

-O

O

Mn

2+

CO

2

_H

+

2-オキソグルタール酸

2-Oxoglutarate

COO-CH

2

O

C

C

H

C

-O

O

H

IDH遺伝子変異とがん

イソクエン酸

IDH

αKG

正常

２ヒドロキシグルタル酸

αKG

変異IDH

グリオーマ、急性骨髄性白血病

メチル化異常・ヒストン修飾異常

（エピジェネティックな変化）

特定の遺伝子変異

2-オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ複合体

2-Oxoglutarate dehydrogenase complex

R’ C

O

COO-

+ NAD

+

+ CoA

C

S-CoA

O

R’

+ NADH + CO

2

R’ =

-OOC CH

2

CH

2

2-オキソグルタル酸

COO

−

+ NAD

+

_{+ CoA}

O

C

SCoA + NADH + CO

2

O

C

H

3

C

H

3

C

ピルビン酸

アセチルCoA

2-オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ複合体

2-Oxoglutarate dehydrogenase complex

C O COO-CH2 -OOC CH2

2 -オキソ グルタ ル酸

CO₂

TPP

E

1

R’ CH OH TPP S S FAD SH SH FAD NAD+ NADH + H+

E

3

R’ =

-OOC CH

2

CH

2

C

O

COO-CH

2

-OOC CH

2

CO

2

2-オキソグルタル酸

S S R HS HS R

E

2

CoA-SH

HS S R R C O S-CoA C O R’

スク シ ニルCoA

スクシニルCoA

E1 ：2-オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ

2-Oxoglutarate dehydrogenase

E2 ：ジヒドロリポイルトランススクシニラーゼ

Dihydrolipoyl transsuccinylase

E3 ：ジヒドロリポイルデヒドロゲナーゼ

Dihydrolipoyl dehydrogenase

スクシニル CoA シンテターゼ Succinyl-CoA synthetase

（コハク酸チオキナーゼ Succinate thiokinase）

高エネルギーリン酸化合物（ヌクレオシド三リン酸）生成

基質レベルリン酸化

スクシニルCoA ＋

GDP

＋

Pi

コハク酸

＋

GTP

＋

CoA-SH

C

O

CH

2

COO-CH

2

-O

C

O

CoA

-

S

CH2

COO-CH2

ATPとGTP

HO

OH

N

N

N

N

NH

₂

O

O P

O

O

O

P

O

O

O

--

O

_P

O

O

-

-

CH

2

ATP

アデノシン3-リン酸

Adenosine triphosphate

アデニン

Adenine

グアニン

Guanine

CH

2

HO

OH

N

N

N

NH

O

O

O P

O

O

O

P

O

O

O

--

O

_P

O

O

-

-NH

2

GTP

グアノシン3-リン酸

Guanosine triphosphate

GTP

＋

ADP

GDP + ATP

ヌクレオシド二リン酸キナーゼ

コハク酸デヒドロゲナーゼ

Succinate dehydrogenase（SDH）

・脱水素反応，

FADH2

生成

・ミトコンドリア内膜に結合

・クエン酸回路酵素で唯一

膜結合酵素

（他は，ミトコンドリアマトリックス中，可溶性）

・ミトコンドリア電子伝達系（呼吸鎖）酵素の一つ

CH

2

COO-CH

2

COO-コハク酸 Succinate

+ FAD

CH

COO-HC

COO-+

FADH

2

フマル酸 Fumarate

褐色細胞腫

副腎髄質から発生

カテコールアミン産生腫瘍

高血圧、高血糖、発汗過多

などをきたす

SDH遺伝子異常で発症する例がある

（SDHはがん抑制遺伝子でもある）

フマラーゼ Fumarase

（フマル酸ヒドラターゼ Fumarate hydratase）

C

C

OH

-OOC

H

COO-H

H

C

C

H

H

COO-H

HO

COO-フマル酸

Fumarate

リンゴ酸

_Malate

S-リンゴ酸

L-リンゴ酸

フマル酸への水付加

C

C

H

-OOC

H

COO-+

H

2

O

≡

C

C

H

H

COO-H

HO

COO-≡

リンゴ酸デヒドロゲナーゼ

Malate dehydrogenase

クエン酸回路の完結（オキサロ酢酸の再生）

ΔG

o

_{' = +29.7 kJ/mol}

リンゴ酸

Malate

オキサロ酢酸

Oxaloacetate

∆G

o

_{' は}

_{大きい正の値（}

_{+29.7 kJ/mol）をもつ：反応を進めるには不利}

反応の推進力は低濃度のオキサロ酢酸

（クエン酸シンターゼ反応の

_∆G

o

' = -32.2 kJ/mol ; ΔG' も負に大）

ΔG' が負に大きいほど反応は進みやすい（右向き）

C

CH

2

HO

COO-H

COO-+ NAD

+

O

C

COO-CH

2

+ NAD + H

+

ΔG' = ΔG

o

_{' + RT ln}

[oxaloacetate] [NADH] [H

+

_]

[malate] [NAD+]

1. クエン酸回路は細胞質で働く

「

」

2. クエン酸回路で酸素が使われる

「

」

3. クエン酸回路で３分子のFADH2が生成される

「

」

4. PDHの反応にはビタミンB1が必要である

「

」

5. ビタミンB1の欠損で脚気がおきる

「

」

6. オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼによりアセチルCoAが産生される 「

」

7. コハク酸デヒドロゲナーゼはマトリックスに存在する

「

」

8. スクシニルCoAシンテターゼの作用でCTPが産生する

「

」

9. リンゴ酸デヒドロゲナーゼの標準ギブスエネルギーは負の値をとる

「

」

10. クエン酸回路は嫌気状態でも進行可能である

「

」

理解の確認のために