スライド 1

クエン酸回路・

電子伝達系（３）

平成２５年５月１４日

生化学２

（病態生化学分野）教授

山縣 和也

本日の学習の目標

電子伝達系を阻害する薬物を理解する

脱共役タンパク質について理解する

ミトコンドリアにNADHを輸送するシャトルにつ

いて理解する

ATPの産生量について理解する

電子の流れ

複合体I

複合体II

複合体III

複合体IV

複合体V

（ATP合成酵素）

構成成分 サブユニット数 分子量 補因子 Cofactors Complex I NADH-ユビキノン還元酵素 NADH-ubiquinone reductase NADH-CoQ reductase Complex II コハク酸ーユビキノン還元酵素 Succinate-ubiquinone reductase Succinate-CoQ reductase Complex III ユビキノンーシトクロムｃ還元酵素 Ubiquinone-cytochrome c reductase CoQ-cytochrome c reductase シトクロムｃ Cytochrome c Complex IV シトクロムｃ酸化酵素 Cytochrome c oxidase Cytochrome oxidase 850,000 16 – 25 4 8 1 6 – 13 FMN Fe-S clusters FAD Fe-S clusters ヘム b 560 Fe-S clusters ヘム b 562 ヘム b 566 ヘム c1 ヘム c ヘム a ヘム a3 2 Cu2+ _(Cu A, CuB) 125,000 250,000 13,000 200,000

金属のイオン化傾向

K>Ca>Na>Mg>Al>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Pt>Au

イオンになり、

電子をだしやすい

イオンになりにくく、

電子をだしにくい

高校化学１ 銅は亜鉛よりイオン化傾向が低い。イオン化しにくい、つまり電子を出しにくい。 銅と亜鉛の電極をつなぐと、電子を出しやすい亜鉛から電子をひきとりやすい 銅へと電子が流れる。

O2は酸化還元電位が高い

（電子に対する親和性が高い）

NADH/NADは酸化還元電位

が低い（電子に対する親和性

が低い）

酸化還元電位の低いNADHから高い酸素に電子がながれるということ

電子の流れ（電子を引き受けやすい分子へと移動）

酸化還元電位の低いNADHから高い酸素に電子が流れる。両者の間に中間

の酸化還元電位が並んでいるのが電子伝達系

∆G o’ = -nFΔEo’ ギブスエネルギーと酸 化還元電位の間には 比例関係がある。 酸化還元電位の低い NADHから高い酸素に 電子が流れる 自由エネルギーが 減少・遊離する

プロトンをくみ上げる

参考

Complex I Complex III C omplex IV NADH _NAD+ 2 e -CoQ cyt c 2e -2 e -1/2 O2 + 2H+ H2O ADP + Pi ATP nH+ nH+ n'H+ n'H+ n''H+ n''H+ mH+ mH+ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + + + +

[H

+

]

[H

+

_]

マトリックス Matrix

膜間空間 Intermembrane space

内膜 Inner membrane

Q：補酵素Q（ユビキノン）、Cyt：シトクロム、Fe-S：鉄ー硫黄タンパク質

Complex I (NADH-CoQオキシドレダクターゼ)

Complex II (コハク酸-CoQ レダクターゼ

(コハク酸デヒドロゲナーゼを含む)

Complex III (CoQ-シトクロムc オキシドレダクターゼ)

Complex IV (シトクロムc オキシダーゼ )

電子の流れ（電子を引き受けやすい分子へと移動）

フラビンモノヌクレオチド

複合体１は多数のサブユニットからなる巨大タンパク

質であり、NADHからの電子をユビキノンへ伝達する。

その際最初に電子を受け取るのがFMN。

電子はFMNから鉄ー硫黄タンパク質（Fe－S）にうつされ、

最終的にユビキノン（補酵素Q、コエンザイムQ）へ伝達さ

れる。

ユビキノン（補酵素Q、コエンザイムQ）

は長いイソプレン鎖を

もつ。哺乳類では１０個のイソプレン単位をもつことが一般的。

ユビキノンは電子を２個うけとって還元型ユビキノンになり、膜

の脂質を移動して次の

複合体III

へ電子をわたす。

コハク酸デヒドロゲナーゼ

Succinate dehydrogenase

・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

+ E•FAD

CH

COO-HC

COO-+ E•FADH

2 フマル酸 Fumarate

TCA回路におけるコハク酸からフマル酸への変換にともない生じたFADH2

からの電子が複合体IIを介してユビキノンに伝達される。

複合体I、III、IVを電子が移動するとプロトンが内膜の内側（マトリック

ス側）から外側へ移動する。マトリックスのプロトン濃度が低下し、膜

電位（内側がマイナス、外側がプラス）が生じる。

複合体IIは

プロトンポン

プでない

電子を受け取ると３価の鉄原子が２価にかわる。

QH2 Fe-S c1 c 複合体III

シトクロムC（ヘム鉄を含む）

（還元型） （酸化型）

シトクロムオキシダーゼ

シトクロムｃ

から電子を受け取った

複合体IV

は内部で銅、ヘム

鉄と電子が移動し、

最後に酸素

にわたされる

Fig14-27

複合体I、III、IVを電子が移動するとプロトンが内膜の内側（マトリック

ス側）から外側へ移動する。マトリックスのプロトン濃度が低下し、膜

電位（内側がマイナス、外側がプラス）が生じる。

化学浸透説

Chemiosmotic hypothesis

電子伝達（電気エネルギー）からATP産生のエネルギーへの変換

Peter Dennis Mitchell （英）1961年

電子伝達と共に、プロトン

（H

+

_{）がミトコンドリア内か}

ら外にくみだされ，それに

よって生ずる電気化学的プロ

トン（H

+

_{）勾配が膜内外にで}

きる．この電気化学的エネル

ギーがATP合成のための化学

エネルギーに変換される．

1978年 Nobel 化学賞

H

+

輸送ATPシンターゼ（F

o

-F

1

ATPアーゼ）

H

+

-Translocating ATP synthase (F

o

-F

1

ATPase)

+

-

--

-- -- --

-+ -+

+ +

+ +

+ + + +

-- --

-+ -+ -+ -+ -+

+ +

+ +

+

+

膜間空間 Intermembrane space マトリックス Matrix ADP + Pi ATP

-H

+

H

+

F

o

F

1

H

+

輸送ATPシンターゼ（F

o

-F

1

ATPアーゼ）

H

+

_{-Translocating ATP synthase (F}

o

-F

1

ATPase)

β δ α

β

β

β

α

α

α

δ

γ ε

α

β

β

α

α

α

δ

β

ε

膜間空間 Intermemberance space マトリックス Matrix 90 Å 50 Å 50 Å 茎 Stalk Fo F1

H

+

H

+ プロトンが通過することが駆動力になっ て、ATP合成酵素が回転する。回転する 力を使ってATPを合成する。

NADH NAD+ Complex I FADH2 Complex II コハク酸 フマル酸 CoQ 2e– Complex III Cyt c 2 H+ _{+ 1/2 O} 2 H2O Complex IV) 2e–

NADHから３ATP

コハク酸から２ATP

複合体１、３、４で各々プロトン

が４、２、４個くみ出されると考え

られる。

ATP１分子を産生するためには

およそ３個のプロトンが必要

4H+

2H+

4H+

ミトコンドリアのタンパク質の多くは 核のDNAにコードされるが、ミトコ ンドリア自身もDNAをもつ。 ヒトミトコンドリアDNAは環状DNA で電子伝達系の複合体などをコー ドしている。ミトコンドリア遺伝子異 常によって種々の病気がおこるこ とが知られている。

ミトコンドリア遺伝子

MELAS（mitochondrial encephalopathy, lactic acdosis, and stroke）

脳卒中様発作と乳酸アシドーシスを伴う ミトコンドリア脳症 ロイシンtRNAをコードする遺伝子の異 常（３２４３A→G変異）によりほぼすべて の電子伝達系の機能が損なわれるため 発症する。 全く同じ遺伝子変異（３２４３A→G）でイ ンスリン分泌低下により糖尿病を発症す る場合もある。 ミトコンドリア３２４３変異

グルコース１mol当り何mol

のATPが合成されるか？

ク

エ

ン

酸

回

路

オ キ サ ロ 酢 酸 再 生

クエン酸回路

フ マ ル 酸 リ ン ゴ 酸 F A D F A D H 2 N A D H N A D + C2 → 2 CO2 イ ソ ク エ ン 酸 ２ -オ キ ソ グ ル タ ル 酸 N A D H N A D + CO2 A T P G T P ス ク シ ニ ル C o A コ ハ ク 酸 N A D H C O2 Co A -S H C o A -S H NAD+ C3 → C 2 + CO2

⎧

⎨

⎩

2xNADH

2xNADH

2xNADH

2xNADH

2xFADH2

2ATP

オ キ サ ロ 酢 酸 ク エ ン 酸 ピルビン酸 N A D H ア セ チ ル C o A N A D + C o A - S H CO2 C o A - S H

6ATP

6ATP

4ATP

6ATP

6ATP

合計３０ATPの産生

解糖 Glycolysis

エムデン・マイヤーホフ経路 Embden-Meyerhof pathway

グルコース グルコース _6-リン酸 フルクトース _{6-リン酸 1,6-ビスリン酸} フルクトース ジヒドロキシ アセトンリン酸 グリセルアルデヒド 3-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 NAD NADH

ATP ADP ATP ADP

ATP ADP ATP ADP

細胞質

ミトコンドリア（クエン酸回路，酸化的リン酸化）

解糖系：２ATPの産生

NADHはミトコンドリア内膜を通

過できない。細胞質でつくられ

たNADHはどうなるのか？

NADHシャトル

NADHのミトコンドリアへの移入

・

_{リンゴ酸アスパラギン酸シャトル}

・

_{グリセロールリン酸シャトル}

筋肉や膵

β細胞で発達

肝臓や心臓で発達

アスパラギン酸アミノ基転移酵素 （ミトコンドリア）

リンゴ酸アスパラギン酸

シャトル

リンゴ酸/2-オキソ グルタル酸キャリアー グルタミン酸/アスパラ ギン酸キャリヤー リンゴ酸 N A D H リンゴ酸 オキサロ 酢酸 NAD+ A アスパラ ギン酸 グルタ ミン酸 B オキサロ 酢酸 NAD+ N A D H C αーケト グルタル酸 αーケト グルタル酸 アスパラ ギン酸 グルタ ミン酸 D 膜間空間 細胞質 マトリックス ミトコンドリア内膜 A リンゴ酸デヒドロゲナーゼ _{（細胞質）} B アスパラギン酸アミノ基転移酵素 _{（細胞質）} C D リンゴ酸デヒドロゲナーゼ （ミトコンドリア） O₂ 3 A D P 3 A T P 電子伝達系

オキザロ酢酸

グルタミン酸

αーKG

アスパラギン酸

COO- NH3+-C-H CH2 COO- COO- NH3+-C-H CH2 COO- CH2 COO- C=O CH2 COO- COO- C=O CH2 COO- CH2

+

+

アスパラギン酸アミノトランスフェラーゼ

（AST)

アスパラギン酸アミノ基転移酵素 （ミトコンドリア）

リンゴ酸アスパラギン酸

シャトル

リンゴ酸/2-オキソ グルタル酸キャリアー グルタミン酸/アスパラ ギン酸キャリヤー リンゴ酸 N A D H リンゴ酸 オキサロ 酢酸 NAD+ A アスパラ ギン酸 グルタ ミン酸 B オキサロ 酢酸 NAD+ N A D H C αーケト グルタル酸 αーケト グルタル酸 アスパラ ギン酸 グルタ ミン酸 D 膜間空間 細胞質 マトリックス ミトコンドリア内膜 A リンゴ酸デヒドロゲナーゼ _{（細胞質）} B アスパラギン酸アミノ基転移酵素 _{（細胞質）} C D リンゴ酸デヒドロゲナーゼ （ミトコンドリア） O₂ 3 A D P 3 A T P 電子伝達系

グリセロールリン酸シャトル

細胞質 膜間空間 マトリックス ミトコンドリア内膜 2 ADP 2 ATP

e-

O

2 電子伝達系 FADH2 FAD N A D H グリセロール 3-リン酸 ジヒドロキシ アセトンリン酸 NAD+ A

B

B グリセロール3-リン酸 _{デヒドロゲナーゼ（内膜）} A グリセロール3-リン酸 _{デヒドロゲナーゼ（細胞質）}

NADHが

リンゴ酸ーアスパラギン酸シャトル

でミトコンドリア

の中に入ったとすると２分子のNADHが解糖系で産生され

ているので２ｘ３＝

６分子のATP

が産生されることになる。

３０ATP ＋ ２ATP（解糖系） ＋ ６ATP ＝

合計３８ATP

白色脂肪細胞 褐色脂肪細胞

褐色脂肪細胞

は新生児にみとめられる。

白色脂肪細胞に比べて脂肪の蓄積は

少なく、ミトコンドリアが発達している。

熱の産生

に中心的な働きを行っている

と考えられる。

褐色脂肪細胞の熱発生（UCPによる脱共役）

β 酸 化 ク エ ン 酸 回 路 NADH, FADH2 2e- H + H + H + H + H + H + 熱 発 生 H+ H+ 1 / 2 O2 _H2O A D P A T P Fo-F1 ATPase アシルCoA アシルCoA 脂肪酸 トリアシル グリセロール （脂肪） トリアシルグリセロール リパーゼ cAMP依存性 プロテインキナーゼ cAMP ATP アデニル酸シクラーゼ 活性化 ノルアドレナリン H+

UCP-1

活性化 活性化 活性化

UCP(uncoupling protein)

UCP-1（thermogenin）：

褐色脂肪細胞

に特異的に発現

UCP-2：種々の臓器に広く発現が認められる

UCP-3：筋肉に主に認められる。

UCP-4, UCP-5:脳神経に認められる。

糖尿病マウスでは膵島におけるUCP2の発現 が増加しており、インスリン分泌を低下させる 筋肉にUCP3を過剰発現する マウスでは、体重が減少する

1. 電子の獲得は還元である 「 」 2. 水素を付加は還元である 「 」 3. 電子伝達系はミトコンドリアの外膜でおこなわれる 「 」 4. 複合体I においてNADHからの電子はシトクロムｃに伝達される 「 」 5. ユビキノンは複合体Iから複合体IIへ電子を伝達する 「 」 6. 複合体II はNADHからの電子をうけとる 「 」 7. 酸素は複合体IIIを介して水に還元される 「 」 8. 複合体I、III、IVはプロトンポンプとしてはたらく 「 」 9. ミトコンドリア遺伝子異常によってMELASが発症する 「 」 10. NADH１分子から２分子のATPが産生される 「 」 11. 酸化還元電位の高いNADHから低い酸素に電子が移動する 「 」 12. グリセロールリン酸シャトルは細胞質でできたNADHをFADH2として ミトコンドリアに運ぶ 「 」 13. リンゴ酸はミトコンドリア内膜を通過できる 「 」 14. CN（青酸）は複合体IVにおける電子伝達を阻害する 「 」 15. ジニトロフェノールにより酸化とリン酸化は脱共役される 「 」 16. UCP２は褐色脂肪に発現している 「 」 17. 褐色脂肪は熱の産生に重要な働きを担っている 「 」 18. １分子のNADH2から２分子のATPが産生される 理解の確認のために