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
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
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 16 25 4 8 1 6 13 850,000 125,000 250,000 13,000 200,000 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)
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
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
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 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 +
NADH による電子の供給 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
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
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 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
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
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
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
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
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 (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 - - - - - - - -
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 +
NADH NAD + 2e Complex I 4H+ コハク酸 フマル酸 FADH2 Complex II CoQ Complex III 4H+ 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 Cyt c 2H+ Complex IV) NADH から 3ATP コハク酸から 2ATP 2e 2 H + + 1/2 O2 H2O
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 (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
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 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
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 )
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
クエン酸回路とアミノ酸 リンゴ酸 AST
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-
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 )
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
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
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
NADH NAD + 2e Complex I 4H+ コハク酸 フマル酸 FADH2 Complex II CoQ Complex III 4H+ 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 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
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