スライド 1

ミトコンドリア電子伝達系・

酸化的リン酸化

平成２４年５月２１日

第２生化学（病態生化学分野）

教授

山縣 和也

本日の学習の目標

電子伝達系でNADHからO２へ電子が流れるし

くみを理解する

電子が伝達されると共役してATPが産生される

しくみを理解する

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（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 FADH2 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

+

, NADH

H- (2e-, H+) H- (2e-, H+) N C ₂ O NH R H H 酸化型（NAD, NAD+_） 還元型（NADH） N N N N NH₂ P O O -O O P O O O CH₂ HO OH -O N CH₂ HO OH O + C ₂ O NH アデノシン ニコチン酸： ビタミンB群の一つ アデニン

NADはニコチン酸を材料として

生成される

補酵素

NADは様々な酵素と協同して

酸化反応における水素の回収

を行う。

NADは再利用される（リサイクル）。

一度、還元されたら、別の酵素反応によって

酸化されなければならない。

FAD(H

2

)

N N N N _O O CH₃ CH₃ CH₂ HO-C-H CH₂ O P O O O P O O O CH₂ HO OH H N N N N NH₂ -O HO-C-H HO-C-H

酸化型（FAD）

2e–_{, 2H}+ N N N N _O O CH₃ CH₃ H H H R

還元型（FADH2）

リボフラビン：ビタミンB2

アデノシン

FAD: Flavin adenine dinucleotide

FMN: Flavin mononucleotide

酸化的リン酸化 Oxidative phosphorylation

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-O2 H2O ATP NADH, FADH2 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

ミトコンドリアでおきる反応

水素、電子を失う＝酸化

水素、電子を受け取る＝還元

Fe

2+

Fe

3+

+ e-

酸化

NAD

+

+ 2e- + 2H

+

NADH + H

+

還元

FAD+ 2e- + 2H

+

FADH

₂

還元

酸化と還元は同時におきる。グルコースや脂肪酸の中間体が酸化される際には、 NADなどが還元され、NADHができる。

Fig14-09

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）

Fig14-21

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。

酸化還元電位の測定

電子が溶液XからH2の方に流れるのであれば、Xの電子に対する親和性はH2の親和 性より低いことを意味する（Xは負の酸化還元電位をもつという）。 電子を失うのが酸化、電子を受け取るのが還元（定義） 有機化合物でも電子の伝達を考える 水素ガス分圧１気圧 水素イオン濃度１モル の時の電極電位を０ボルトと規定する pH7で、分圧１気圧、濃度１モル あたりの基準電極との電位差 KClのブリッジ X酸化型とX還元型 の等量混合液

NADH NAD

+

+ H

+

+ 2e

-

H

₂

O 1/2O

₂

+ 2H

+

_{+ 2e}

- 酸化還元電位 酸化還元反応

-320 mV

+820 mV

O2/H

₂

O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）

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

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 「 」 理解の確認のために