スライド 1

クエン酸回路・

電子伝達系（３）

平成３０年５月１０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

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

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。

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

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）

内膜

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

銅は亜鉛よりイオン化傾向が低い。イオン化しにくい＝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は電子に対する親和性が高い

（酸化還元電位が高い）

NADH/NADは電子に対する

親和性が低い（酸化還元電位

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

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 Complex IV NADH _NAD+ 2e -CoQ cyt c 2e -2e -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

Fig14-09

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。

フリードライヒ運動失調症（FRDA）

神経変性、肥大型心筋症と糖尿病を特徴とす るミトコンドリア性疾患であり、死亡原因として 最も多いのは心不全である。 FRDAは、鉄−硫黄（Fe-S）クラスターの生合 成に必須のミトコンドリアタンパク質であるフラ タキシン（FXN）のレベル低下が原因である。 FRDA患者の心筋では、Fe-Sクラスター酵素 の活性低下のためミトコンドリアでの酸化的リ ン酸化の障害がおきる。

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

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

（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。

酸素がうまく電子をうけとることができないと活性酸素（ROS）ができて細胞

に障害をあたえる。ROSは老化やがんに関連している可能性がある。

一つの酸素に４つの電子が集まり、 2分子の水ができる

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。

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)

  















 



















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、４、２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+

4H+

2H+

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

MERRF：mtDNAのリシンをコードするtRNAの遺伝子変異。

ミオクローヌス発作、てんかん、小脳失調などの症状を呈する。

電子伝達系の異常による疾患

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 FAD FADH2 NADH NAD+ C2 → 2 CO2 イ ソ ク エ ン 酸 ２ -オ キ ソ グ ル タ ル 酸 NADH NAD+ CO2 A T P G T P ス ク シ ニ ル C o A コ ハ ク 酸 NADH CO2 CoA-SH CoA-SH NAD+ C3 → C2 + CO2

⎧

⎧

⎧

2xNADH

2xNADH

2xNADH

2xNADH

2xFADH2

2ATP

オキサロ酢酸 ク エン 酸 ピ ルビ ン 酸 NA DH アセチルCo A NA D+ CoA -SH CO2 Co A-SH

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

クエン酸回路とアミノ酸

リンゴ酸

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-NH3+-C-H CH2 COO-CH2 COO-C=O CH2 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） O 2 3 A D P 3 A T P 電子伝達系

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

・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

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 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–

コハク酸からだと6分子のＨがくみだされる

ため、２ATPしかできない

複合体１、３、４で各々プロトン

が４、４、２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+

4H+

2H+

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. NADH１分子から２分子のATPが産生される 「 」 10. 酸化還元電位の高いNADHから低い酸素に電子が移動する 「 」 11. 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 「 」 12. リンゴ酸はミトコンドリア内膜を通過できる 「 」 13. リンゴ酸アスパラギン酸シャトルは解糖系でつくられたFADH2の移動に重要である 「 」 理解の確認のために