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れんかはやしもと
6 years ago
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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

2 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

3 エネルギー代謝経路グリコーゲングリコーゲン代謝タンパク質アミノ酸代謝トリアシルグリセロールグルコースグルコース 6 リン酸アミノ酸脂肪酸脂質代謝解糖系糖新生 β 酸化乳酸ピルビン酸アセチル CoA ケト酸ピルビン酸脱水素酵素クエン酸回路電子伝達系 ATP

4 細胞質からピルビン酸輸送体クエン酸回路 ( ミトコンドリア ) ピルビン酸アセチルCoA NAD NADH オキサロ酢酸リンゴ酸 NAD NADH クエン酸フマル酸 GTP コハク酸 FADH2 FAD GDP スクシニルCoA 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 NADH cis- アコニット酸イソクエン酸 NAD NADH NAD 2-オキソグルタール酸

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

6 FAD(H2) FAD: Flavin adenine dinucleotide FMN: Flavin mononucleotide N NH 2 N - - O O P O CH 2 O O O P O O CH 2 HO OH HO-C-H HO-C-H HO-C-H N N アデノシンリボフラビン : ビタミン B2 CH 3 CH 2 N N O 2e, 2H + CH 3 R N H N O CH 3 N O N H CH 3 N H O N H 酸化型 (FAD) 還元型 (FADH2)

7 酸化的リン酸化 Oxidative phosphorylation ミトコンドリアでおきる反応 ATP 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

8 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

9 NADH による電子の供給 Fig14-09

10 酸化的リン酸化は内膜でおきる

11 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 )

12 プロトンのくみ出し Fig14-21

13 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)

14 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

15 酸化還元電位の測定電子を失うのが酸化電子を受け取るのが還元 ( 定義 ) KCl のブリッジ水素ガス分圧 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 X 酸化型と X 還元型の等量混合液有機化合物でも電子の伝達を考える電子が溶液 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 )

16 酸化還元反応酸化還元電位 NADH NAD + + H + + 2e - H 2 O 1/2O 2 + 2H + + 2e mv +820 mv 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/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 )

17 電子の流れ ( 電子を引き受けやすい分子へと移動 ) 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 ) 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

18 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

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

19 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 omplex I [H + ] NAD + nh+ + CoQ n'h + Complex III cyt c omplex 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 +

20 電子の流れ ( 電子を引き受けやすい分子へと移動 ) プロトンの濃度勾配 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 ) 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

21 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

22 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

23 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

24 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

25 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

26 シトクロム C( ヘム鉄を含む ) 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

27 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

28 シトクロム酸化酵素での酸素と電子の反応 Fig14-27

29 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

30 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

31 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

32 β α β H + 輸送 ATP シンターゼ (Fo-F1 ATP アーゼ ) H + -Translocating ATP synthase (Fo-F1 ATPase) α γ β δ δ ε α β α α H + α β β α 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 δ ε 茎 Stalk 50 Å Fo 50 Å 膜間空間 Intermemberance space H +

33 NADH NAD + 2e Complex I 4H+ コハク酸フマル酸 FADH2 Complex II CoQ Complex III 2H+ 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 4H+ Complex IV) NADH から 3ATP コハク酸から 2ATP 2e 2 H + + 1/2 O2 H2O

34 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

35 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

36 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. 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

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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