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あきおらぶり
5 years ago
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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

2 本日の学習の目標ミトコンドリア電子伝達系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

3 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

4 酸化的リン酸化 Oxidative phosphorylation ミトコンドリアでおきる反応 ATP クエン酸回路 NAD, FAD NADH, FADH2 e- e- H2O O2 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電子伝達系 ( 呼吸鎖 ) ATP 合成系酸化的リン酸化

5 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

6 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 , , ,000 13, ,000 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 Cu 2+ (CuA, CuB)

7 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

8 電子の流れ ( 電子を引き受けやすい分子へと移動 ) NADH/NAD は電子に対する親和性が低い ( 酸化還元電位が低い ) O2 は電子に対する親和性が高い ( 酸化還元電位が高い ) 酸化還元電位の低い NADH から高い酸素に電子がながれる

9 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参考 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

ミトコンドリア電子伝達系 Mitochondrial electron transfer

+ Complex IV 1/2 O 2 _ n'h+ + 2H+ H 2 O [H + ]

10 ミトコンドリア電子伝達系 Mitochondrial electron transfer system 膜間空間 Intermembrane space + + nh + 内膜 Inner membrane NADH Complex I 2e - [H + ] NAD + nh+ + CoQ n'h + Complex III 2e - cyt c 2e Complex IV 1/2 O 2 _ n'h+ + 2H+ H 2 O [H + ] n''h+ マトリックス Matrix n''h + ADP + Pi mh+ ATP + mh +

11 NADH による電子の供給 Fig14-09

12 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

13 Fe2+ と Fe3+ の 2 つの状態をとる電子は 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

14 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

15 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

16 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 COO - COO - CH2 CH2 + E FAD CH HC + E FADH2 COO- COO - コハク酸 Succinate 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

17 複合体 II はプロトンポンプでない複合体 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

18 シトクロム C QH2 Fe-S c1 c 複合体 III ( 酸化型 ) ( 還元型 ) 電子を受け取ると 3 価の鉄原子が 2 価にかわる

19 一つの酸素に 4 つの電子が集まり 2 分子の水ができる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

20 水力発電複合体 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

21 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年 Nobel 化学賞

22 H + 輸送 ATP シンターゼ (Fo-F1 ATP アーゼ ) H + -Translocating ATP synthase (Fo-F1 ATPase) H + 膜間空間 Intermembrane space Fo マトリックス Matrix F1 ADP + Pi H + ATP

23 H + 輸送 ATP シンターゼ (Fo-F1 ATP アーゼ ) H + -Translocating ATP synthase (Fo-F1 ATPase) 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 F1 90 Å マトリックス Matrix 茎 Stalk 50 Å Fo 50 Å 膜間空間 Intermemberance space H +

24 NADH NAD + 2e Complex I 4H+ コハク酸フマル酸 FADH2 Complex II CoQ Complex III 4H+ 複合体で各々プロトンが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 Cyt c 2H+ Complex IV) NADH から 3ATP コハク酸から 2ATP 2e 2 H + + 1/2 O2 H2O

25 ミトコンドリア遺伝子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

電子伝達系の異常による疾患 MELAS(mitochondrial encephalopathy, lactic acdosis, and stroke) ミトコンドリア 3243 変異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

26 電子伝達系の異常による疾患 MELAS(mitochondrial encephalopathy, lactic acdosis, and stroke) ミトコンドリア 3243 変異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 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

27 グルコース 1mol 当り何 mol の ATP が合成されるか?

28 クエン酸回路 2xNADH 6ATP NA D + ピルビン酸 CoA -SH NA DH CO2 アセチル CoA Co A-SH C3 C2 + CO2 合計 30ATP の産生 6ATP 4ATP 2xNADH クエン酸回路リンゴ酸フマル酸 2xFADH2 オキサロ酢酸 NAD+ NADH オキサロ酢酸再生 FADH2 FAD コハク酸 CoA-SH G T P C2 2 CO2 クエン酸 NADH イソクエン酸 NAD+ CO2 2 -オキソグルタル酸 NAD + CoA-SH NADH CO2 スクシニル Co A A T P 2ATP 2xNADH 6ATP 2xNADH 6ATP

29 細胞質解糖 Glycolysis エムデンマイヤーホフ経路 Embden-Meyerhof pathway ATP ADP ATP ADP グルコースグルコースフルクトースフルクトース 6-リン酸 6-リン酸 1,6-ビスリン酸 ATP 3-ホスホグリセリン酸 ADP 1,3- ビスホスホグリセ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 NADH NAD 2- ホスホグリセリン酸 ADP ホスホエノールピルビン酸 ATP ピルビン酸 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? 解糖系 :2ATP の産生ミトコンドリア ( クエン酸回路, 酸化的リン酸化 )

30 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肝臓や心臓で発達グリセロールリン酸シャトル筋肉や膵 β 細胞で発達

31 クエン酸回路とアミノ酸リンゴ酸 AST

32 アスパラギン酸アミノトランスフェラーゼ (AST) + + オキザロ酢酸グルタミン酸 α ー KG アスパラギン酸 COO- COO- COO- COO- C=O NH3+-C-H C=O NH3+-C-H CH2 CH2 CH2 CH2 COO- CH2 CH2 COO- COO- COO-

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

34 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

35 NADH シャトル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

36 グリセロールリン酸シャトル細胞質膜間空間ミトコンドリア内膜マトリックス NAD + グリセロール 3- リン酸 B FAD A N A D H ジヒドロキシアセトンリン酸 FADH2 A グリセロール 3- リン酸デヒドロゲナーゼ ( 細胞質 ) e- 2 ADP 電子伝達系 B グリセロール 3- リン酸デヒドロゲナーゼ ( 内膜 ) 2 ATP O2

37 NADH NAD + 2e Complex I 4H+ コハク酸フマル酸 FADH2 Complex II CoQ Complex III 4H+ 複合体で各々プロトンが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 Cyt c 2H+ Complex IV) 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 2e 2 H + + 1/2 O2 H2O

38 理解の確認のために 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

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スライド 1 クエン酸回路電子伝達系 (3) 平成 29 年 5 月 25 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脱共役タンパク質について理解する酸化的リン酸化 Oxidative phosphorylation ミトコンドリアでおきる反応 ATP