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生物化学ＩＩ

７．電子伝達と酸化的リン酸化　（１８章） 　（2016/11/21)

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グルコースの完全酸化 　　C6H12O6 + O2 → 6CO2 + 6H2O 細胞内では２分割して実施する １．解糖とクエン酸サイクルで 　　C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H

+ + 24e-

２．電子伝達系で 　　6O2 + 24H

+ + 24e- → 12H2O

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解糖とクエン酸サイクルで生じた 電子（24e-）とプロトン（24H+）は NAD+とFADを還元して10NADH、2FADH2となり ミトコンドリア内膜の電子伝達系に移動 電子伝達では １．NADHとFADH2から電子を移動 　　（NAD+とFADに再酸化） ２．酵素複合体を通して 　　O2をH2Oに還元 ３．プロトンの移動による 　　化学勾配を用いて 　　酸化的リン酸化でATPを合成

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真核細胞内のエネルギー産生機関 外膜で細胞質から仕切られ、 内膜でマトリクスと膜間部に区切られる 内膜はクリステを形成し表面積を増やしている

18.1　ミトコンドリア

外膜

内膜

膜間部

マトリクス

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Ａ．内膜 マトリクス 　ピルビン酸デヒドロゲナーゼ、 　クエン酸サイクル酵素などを含む 　ミトコンドリア独自のDNA、RNA、リボソームも含む 内膜 　電子伝達系複合体、F1FO-ATPアーゼなどを持つ 　マトリクスと膜間部のイオン拡散を制限して 　プロトン濃度勾配を作る

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Ｂ．ミトコンドリア膜のトランスポーター 外膜 　ポリンが存在し10kDa以下の分子は自由拡散する 　膜間部の代謝産物などは細胞質と同じ 内膜 　O2、CO2、H2Oのみが自由に透過 　ATP、ADP、ピルビン酸、リンゴ酸、アスパラギン酸、 　Ca2+、Piなどはトランスポーターで通過 　その他の物質移動は制限され、 　内膜両側にはイオン濃度勾配が生じる

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NADH用のシャトル系 NADHのトランスポーターはない 解糖系でできたNADHは 電子のみをオキサロ酢酸を介した リンゴ酸－アスパラギン酸 シャトルで還元当量として移動 その他に グリセロリン酸シャトルもある

内膜 マトリクス 膜間部

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ATP/ADPトランスロケーター ATPをマトリクスから膜間へ ADPを膜間からマトリクスへ 交換輸送する H+濃度勾配で駆動される リン酸キャリア（Piトランスポーター） H+濃度で駆動されるシンポート

マトリクス

膜間部

ATP(4-)

ADP(3-)

内膜

H+濃度高い

コンフォメー ション変化

マトリクス

膜間部 Pi(-)

内膜

H+濃度高い

H(+)

-電荷を排出

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18.2　電子伝達 NADHをO2で酸化する場合 　1/2O2 + NADH + H

+ → H2O + NAD+

NAD+ + H+ + 2e- → NADH E˚ = -0.315 V 1/2O2 + 2H

+ + 2e- →H2O E˚ = 0.815 V 1/2O2 + NADH + H

+ → H2O + NAD+ E˚ = 1.130 V

自由エネルギー変化は ΔG˚ = -218 kJ mol-1 NADH １molあたり およそ2.5molのATPを合成する（76.3 kJ）ので 効率はおよそ35％

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電子伝達は ミトコンドリア内膜での ４複合体の反応 （複合体IIはクエン酸回路） NADHからH2Oまでの ΔE˚=1.13Vを 段階的に反応させる

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電子の移動 複合体I 　NADHからCoQH2 複合体II 　コハク酸（FADH2）からCoQH2 複合体III 　CoQH2からCytc(Fe2+) 複合体IV 　Cytc(Fe2+)からH2O

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Ｃ．複合体Ｉ（NADH-補酵素Ｑオキシドレダクターゼ） フラビンモノヌクレオチド (FMN)、 ８〜９個の鉄硫黄クラスターを持ち 結合した補酵素Ｑ(CoQ)を 還元しCoQH2にする

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１．NADHの電子をFMNに移動してFMNH2に還元 ２．鉄硫黄クラスターに電子が移動 　　（Fe3+→Fe2+）還元 ３．CoQに移動してCoQH2に還元 NADH + H+ + CoQ → NAD+ + CoQH2 H+を４個膜間に汲み出す

FMN→FMNH2

CoQ→CoQH2

鉄硫黄 クラスター

NADH

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Ｂ．複合体II（コハク酸-補酵素Ｑオキシドレダクターゼ） コハク酸デヒドロゲナーゼ（クエン酸サイクル酵素）、 FAD、鉄硫黄クラスター、シトクロムb-560を持ち、 CoQへ電子を受け渡す シトクロムはヘム（ポルフィリン誘導体）を持ち 中心のFeの酸化還元（Fe2+/Fe3+）で 電子を授受する

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１．コハク酸の電子をFADに 　　移動してFADH2に還元 ２．鉄硫黄クラスターに移動 　　（Fe3+→Fe2+）還元 ３．CoQに移動してCoQH2に還元 コハク酸 + CoQ → フマル酸 + CoQH2 （FADH2 + CoQ → FAD + CoQH2） 複合体IIはH+の汲み出しには関与しない 複合体I及びII由来のCoQH2は 膜内を拡散して 電子を複合体IIIに移動する

FAD→FADH2

CoQ→CoQH2

鉄硫黄 クラスター

コハク酸

Cytb

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Ｃ．複合体III （補酵素Ｑ-シトクロムcオキシドレダクターゼ） シトクロムb、 鉄硫黄クラスター、 シトクロムc1を持ち CoQH2からシトクロムcへ 電子を受け渡す CoQH2の電子は Cyt bとCyt c1へ 二分されて流れ Ｑサイクルを形成する

CoQH2

Cyt c1

Cyt b

鉄硫黄 クラスター

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Ｑサイクル サイクル１ 　CoQH2（２e-キャリア）から 　１e-はCyt c1へ（Fe3+→Fe2+） 　１e-はCoQに戻る（CoQ-·） サイクル２ 　CoQH2（２e-キャリア）から 　１e-はCyt c1へ（Fe3+→Fe2+） 　１e-はCoQ-·に戻りCoQH2を再生 合計でCoQH2を２分子使用して 　Cyt c1２分子を生成し 　CoQH2１分子を再生し 　４個のH+を膜間に汲み出す CoQH2 + 2Cyt c1(Fe

3+) + 2H+（マトリクス）

　→ CoQ + 2Cyt c1(Fe2+) + 4H+（膜間）

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Ｄ．複合体IV（シトクロムcオキシダーゼ） シトクロムa、a3、銅原子２箇所を持ち シトクロムcの電子をO2に受け渡す

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4 Cyt c(Fe2+) + 4H+ + O2 → 4 Cyt c(Fe3+) + 2 H2O 複合体内ではFe-Cu二核錯体と近隣のTyrが酸化還元に関与 この過程でさらに４個のH+を （NADH１個あたり２個のH+） 膜間に汲み出す

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電子伝達系まとめ NADH１個から複合体I、III、IVを通過すると 　複合体I　　NADH + H+ + CoQ → NAD+ + CoQH2　（4H+膜間へ） 　複合体III　CoQH2 + 2Cyt C(Fe

3+) + 2H+（マトリクス）

　　　　　　　　→ CoQ + 2Cyt C(Fe2+) + 4H+（膜間）

　複合体IV 　2 Cyt c(Fe2+) + 2H+ + 1/2O2 　　　　　　　　→ 2 Cyt C(Fe3+) + H2O　（2H+膜間へ） 　合計　　　 NADH + H+ + 1/2O2 → NAD+ + H2O（10H+膜間へ） コハク酸（FADH2）１個から複合体II、III、IVを通過すると 　複合体II コハク酸 + CoQ → フマル酸 + CoQH2 　合計　　　コハク酸 + 1/2O2 → フマル酸 + H2O（6H+膜間へ）

Ａ．化学浸透説 電子伝達系の自由エネルギーを利用して膜間にH+に汲み出し 膜を挟んでH+濃度勾配を作成する（電気化学ポテンシャル） 電気化学ポテンシャルを利用してATPを合成する

18.3　酸化的リン酸化

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Ｂ．F1FO-ATPアーゼ（ATPシンターゼ）

F1成分とFO成分から構成されるATP合成酵素

F1成分　サブユニットα3β3γδε 　から構成され擬３回対称を持つ 　ATP合成、分解する FO成分 　サブユニットab2c12（大腸菌） 　から構成された膜貫通ユニット 　H+を輸送する

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F1成分でのATPの合成 ３組のαβは異なる３コンフォメーションを持つ 　Ｏ（オープン）　リガンド親和性が弱い 　Ｌ（ルーズ）　　リガンドと緩やかに結合 　Ｔ（タイト）　　　リガンドと強く結合し、触媒活性を持つ １）Ｌ部位に　ADPと無機リン酸が結合 ２）FO成分の回転由来のエネルギーが（γεを介して）入り 　　Ｌ→Ｔ、Ｔ→Ｏにコンフォメーション変化 ３）T部位で酵素反応してATPができ、水がとれる 　　Ｏ部位のATPは外れる

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H+通過によるFO成分の回転 １）H+が膜間からaサブユニットに入り　　cサブユニットに結合 ２）cサブユニットがコンフォメーション変化して 　　aサブユニットを押して回転 ３）120度分ひずみがたまると 　　γεが回転してエネルギーを伝える ４）H+が一周するとaサブユニットから 　　マトリクス側へH+を放出

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酸化的リン酸化によるATP合成数 １個のATP合成にはおよそ４個のH+が必要 　　NADH （10H+）から約2.5個ATP 　　FADH2 （6H+）から約1.5個ATP

アセチルCoA１個でクエン酸サイクルから 　　NADH （３分子）から約7.5個ATP 　　FADH2 （１分子）から約1.5個ATP 　　GTP（１分子）＝１個ATP　　合計　約10個ATP グルコース１個からでは 　　解糖　　NADH （２分子）から約5個ATP、２個ATP 　　アセチルCoA合成 （２分子）　　NADH （２分子）から約5個ATP 　　クエン酸回路　　約10個ATP×２＝約20個ATP 　　合計　　約32個ATP

Ａ．ATPとNADH濃度による制御 電子伝達系はNADH→Cyt c（複合体I〜III）はほぼ平衡で シトクロムcオキシダーゼ（複合体IV）不可逆 シトクロムcオキシダーゼが制御点 　Cyt C濃度で制御 　＝　[NADH]/[NAD+]比、[ATP]/[ADP]比が関与

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18.4　酸化的代謝の制御

解糖とクエン酸サイクルの制御 ATP/ADPやNADH/NAD+比で制御 クエン酸によるPFKの制御 　ミトコンドリア内の余剰なクエン酸は 　細胞質に輸送されてPFKを阻害する

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Ｂ．好気代謝と嫌気代謝 嫌気代謝 　C6H12O6 + 2ADP + 2Pi → 2乳酸 + 2H+ + 2H2O + 2ATP 好気代謝 　C6H12O6 + 32ADP + 32Pi + 6O2→ 6CO2 + 38H2O + 32ATP 好気代謝は嫌気代謝よりも16倍効率が良い しかし、好気代謝の場合 シトクロムcオキシダーゼでのO2還元が不十分だと 活性酸素種（ROS、O2

-•など）ができ、 他の生体分子が酸化され細胞機能が障害される スーパーオキシドディスムターゼとカタラーゼで 除去する機構がある