クエン酸回路・ 電子伝達系（１）

平成２５年５月１３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

クエン酸回路の働きを理解する

PDH複合体について理解する

ビタミンとクエン酸回路の関係を理解する

クエン酸回路の異常による病気について理解する

グルコース

乳酸

グルコース ６リン酸

ピルビン酸

グリコーゲン タンパク質

アミノ酸 脂肪酸

アセチルCoA

トリアシルグリセロール

ケト酸

ATP

ピルビン酸 脱水素酵素

エネルギー代謝経路

グリコーゲン代謝

解糖系

クエン酸回路 電子伝達系

脂質代謝

アミノ酸代謝

β酸化 糖新生

クエン酸回路（サイクル） Citric acid cycle トリカルボン酸回路（サイクル） Tricarboxylic acid cycle

TCA回路（サイクル） TCA cycle クレーブス回路（ サイクル）Krebs cycle

Sir Hans Adolf Krebs (1900-1981 独→英）

１９３７年 クエン酸回路の発見 １９６３年 ノーベル賞受賞

クリステ Cristae

マトリックス Matrix 内膜

Inner membrane

外膜 Outermembrane

膜間腔 Intermembrane space

ミトコンドリア Mitochondrion/Mitochondria

クエン酸回路の反応はマトリックス内でおきる

クエン酸回路（ミトコンドリア）

ピルビン酸 アセチルCoA

オキサロ酢酸

クエン酸

cis-アコニット酸

イソクエン酸

2-オキソグルタール酸 スクシニルCoA

コハク酸

フマル酸

リンゴ酸

NAD NADH

NAD NADH

NAD NADH

FAD

FADH2

NAD NADH

GDP

GTP

細胞質から

ピルビン酸 輸送体

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

NAD(H)

NCH2

HO OH

O

+

C 2

ONH

P OO-

O

O

PO

O O CH2

HO OH

N

N

N

N

NH2

-

O

酸化型（NAD, NAD+）

ニコチン酸： ビタミンB群の一つ

ニコチン酸アミド（ニコチンアミド）： ビタミンB群の一つ

H– (2e–, H+)

N

C 2

ONH

R

H H

還元型（NADH）

NAD: Nicotinamide adenine dinucleotide

OPO32-

酸化型（NADP, NADP+

NCH2

HO OH

O

+

C 2

ONH

P OO-

O

O

PO

O O CH2

HO OH

N

N

N

N

NH2

-

O

酸化型（NAD, NAD+）

アデノシン

FAD(H2)

N

N

N

N O

O

CH3

CH3

CH2

HO-C-H

CH2

OP OOOPO

O O CH2

HO OH

H

N

N

N

N

NH2

-

-

O

HO-C-H

HO-C-H

酸化型（FAD）

2e–, 2H+

N

N

N

N O

O

CH3

CH3 HH

HR

還元型（FADH2）

リボフラビン：ビタミンB2

アデノシン

FAD: Flavin adenine dinucleotide FMN: Flavin mononucleotide

クエン酸回路と電子伝達系の連結

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

電子伝達系がとまると、クエン酸回路もとまる

COO− + NAD+ + CoA O C SCoA + NADH + CO2

O C H3C H3C

ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体 Pyruvate dehydrogenase complex

ピルビン酸 アセチルCoA

SH

CH2

CH2

NH

C=O

CH2

NH

C=O

C H OH

C H3C CH3

CH2 O P O P O

= O = O CH2

O

2-O3PO OH

N

N N

N

NH2

Coenzyme A (CoA)

パントテン酸： ビタミンB群の一つ

アデノシン3’-リン酸

O C CH3 〜 S

CH2

CH2

NH

C=O

CH2

NH

C=O

C H OH

C H3C CH3

CH2 O P O P O

= O = O CH2

O

2-O3PO OH

N

N N

N

NH2

=

アセチルCoA（アセチル補酵素A）

E２ ：ジヒドロリポイルアセチル基転移酵素 Dihydrolipoyl transacetylase

E1 ： ピルビン酸デヒドロゲナーゼ Pyruvate dehydrogenase （ピルビン酸デカルボキシラーゼ Pyruvate decarboxylase）

E３：ジヒドロリポアミドデヒドロゲナーゼ Dihydrolipoamide dehydrogenase

ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体

３種類の酵素と５種類の補酵素が関与 TPP、リポ酸、FAD、CoA、NAD＋

CH2

H2CS S

CH

CH2 CO

CH2 CH2 CH2 OH

リポ酸：ビタミン様物質 Lipoic acid

チアミン Thiamine ビタミン B1

チアミンピロリン酸 Thiamine pyrophosphate (TPP)

NH2

CH2 N

N

N +

C C

C S

CH2 CH2 O P O P O–

O O

O– O– CH3 H3C

ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体

CH3 CO

COO-CO2

E1 E1 E3E2

TPP

S

S

SS

FAD

S

S

CH3 CHOH

E1 E3E2

TPP

S

HS

SS

FAD

S

S

CH3 CO

E2

S

S

E1 E3E2

TPP SS

FAD

SHSCH3 C

OE2

E1 E3E2

TPP

S

S

SS

FAD

HS

HS

CoA-SH

CH3 CO

SCoA アセチルCoA

E2

E1 E3E2

TPP

S

S

SHSH

FAD

S

S

E3

NADH + H+

E3 NAD+

脱炭酸

アセチル基の転移

酸化型リポアミドの再生

E 1 E 3 E 2

T P P

S

S

S S

F A D

S

S

脚気（Beriberi）

•昭和初期までの国民病 •ビタミンB1欠乏症 •近年、再び患者の出現 •四肢の浮腫を伴う多発性神経炎、心不全を伴う

徳川家茂 和宮

（四肢遠位の筋力低下など）

B1欠乏による心不全。B1の投与で改善

Wernicke脳症 慢性アルコール中毒などの低栄養疾患でみられるB1欠乏脳症

急性に発症する意識障害、眼振、外眼筋麻痺など。 健忘、失見当識など精神症状がみとめられることもあり。

Leigh症候群

乳児期に発症する神経変性疾患。発育の停止、筋力低下、呼吸障害など。 ミトコンドリアの異常で発症する場合や、PDHの活性低下で発症する場合もある。

緊急安全性情報

高カロリー輸液療法施行中の重篤な アシドーシスの発現について 高カロリー輸液療法施行中に起こる重篤なアシドーシスについて再度『緊急安全性情報』がだされました。適正使用情報を配布後も重篤なアシドーシスが因果関係の不明な症例も含め１５例（死亡７例）に認められています。そこで【警告】欄にビタミンＢ１の併用を追記し、さらにアシドーシスが起こった場合の処置についても追記しました。

•１．高カロリー輸液療法施行中は必ずビタミンＢ１を投与すること。 •２．重篤なアシドーシスが起こった場合には直ちにビタミンＢ１の欠乏を考慮すること。 •３．ビタミンＢ１を投与していても基礎疾患、合併症などの病態の悪化により重篤なアシドーシスが発現することがあるので注意すること。 •４．高カロリー輸液療法の施行にあたっては、添付文書の記載事項に留意の上、適正に使用すること。 【警告】及び【一般的注意】 【警告】ビタミンＢ１を併用せずに高カロリー輸液療法を施行すると重篤なアシドーシスが発現することがあるので、必ずビタミンＢ１を併用すること。 ビタミンＢ１欠乏症と思われる重篤なアシドーシスが発現した場合には、直ちに１００～４００ｍｇのビタミンＢ１製剤を急速静脈内投与すること。 また、高カロリー輸液療法を施行中の患者では、基礎疾患及び合併症に起因するアシドーシスが発現することがあるので、症状があらわれた場合には高カロリー輸液療法を中断し、アルカリ化剤の投与等の処置を行うこと。 【一般的注意】 (1)高カロリー輸液療法施行中にビタミンＢ１欠乏により重篤なアシドーシスが起こることがあるので、必要量（１日３ｍｇ以上を目安に）のビタミンＢ１を投与すること。

グルコース

乳酸

グルコース ６リン酸

ピルビン酸

グリコーゲン タンパク質

アミノ酸 脂肪酸

アセチルCoA

トリアシルグリセロール

ケト酸

ATP

ピルビン酸 脱水素酵素

エネルギー代謝経路

グリコーゲン代謝

解糖系

クエン酸回路 電子伝達系

脂質代謝

アミノ酸代謝

β酸化 糖新生 脂肪酸合成

乳酸アシドーシス

ビタミンB1欠損

クエン酸回路（ミトコンドリア）

ピルビン酸 アセチルCoA

オキサロ酢酸

クエン酸

cis-アコニット酸

イソクエン酸

2-オキソグルタール酸 スクシニルCoA

コハク酸

フマル酸

リンゴ酸

NAD NADH

NAD NADH

NAD NADH

FAD

FADH2

NAD NADH

GDP

GTP

細胞質から

ピルビン酸 輸送体

クエン酸合成酵素

アコニターゼ

アコニターゼ

イソクエン酸 デヒドロゲナーゼ

αケトグルタル酸 デヒドロゲナーゼ複合体

スクシニルCoA 合成酵素

コハク酸 デヒドロゲナーゼ

フマラーゼ

リンゴ酸 デヒドロゲナーゼ

脱水

脱水素と 脱炭酸

酸化的脱炭酸 脱水素

水付加

脱水素

クエン酸シンターゼ Citrate synthase 炭素２原子をアセチル-CoAとしてクエン酸回路に導入

CH3-C-S-CoAO O

C COO-

CH2 COO-+ H2O HO C COO-

CH2 COO-

CH2 COO-

+ CoA-SH +

アセチル-CoA Acetyl-CoA

オキサロ酢酸 Oxaloacetate

クエン酸 Citrate

C2 C4 C6

アコニターゼ Aconitase クエン酸の異性化：次段階の酸化、脱炭酸を容易にする

COO-

CH2

HO CCH

COO-

HCOO-

COO-

H2CCC

COO-

H COO-

H2O

H2O

H2O

H2O

COO-

CH2

HOCC

H COO-

HCOO-

クエン酸 cis-アコニット酸 イソクエン酸

イソクエン酸デヒドロゲナーゼ Isocitrate dehydrogenase

酸化的脱炭酸：NADH と CO2 生成

COO-

CH2

HOCC

H COO-

HCOO-

イソクエン酸 Isocitrate

オキサロコハク酸 Oxalosuccinate （酵素から遊離しない）

COO-

CH2

O

CC

H

C-O

O

CO-

O

Mn2+

NAD NADH + H+

COO-

CH2

-O

C

C

H

C-O

O

Mn2+

CO2 H+

2-オキソグルタール酸 2-Oxoglutarate

COO-

CH2

O

CC

H

C-O

O

H

2-オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ複合体 2-Oxoglutarate dehydrogenase complex

R’ CO

COO- + NAD+ + CoA S-CoACO

R’ + NADH + CO2

R’ = CH2-OOC CH2 2-オキソグルタル酸

COO− + NAD+ + CoA O C SCoA + NADH + CO2

O C H3C H3C

ピルビン酸 アセチルCoA

2-オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ複合体 2-Oxoglutarate dehydrogenase complex

CO

COO-CH2-OOC CH2

2 -オ キ ソ グ ル タ ル 酸

CO2

TPP

E1

R’ CHOH

TPP S

S

FAD

SH

SH

FAD

NAD+

NADH + H+

E3

R’ = CH2-OOC CH2

CO

COO-CH2-OOC CH2

CO2

2-オキソグルタル酸

S

S

R

HS

HS

R

E2

CoA-SH

HS

S

R

R CO

S-CoACO

R’

ス ク シ ニ ル Co AスクシニルCoA

E1 ：2-オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ 2-Oxoglutarate dehydrogenase E2 ：ジヒドロリポイルトランススクシニラーゼ Dihydrolipoyl transsuccinylase E3 ：ジヒドロリポイルデヒドロゲナーゼ Dihydrolipoyl dehydrogenase

スクシニル CoA シンテターゼ Succinyl-CoA synthetase （コハク酸チオキナーゼ Succinate thiokinase） 高エネルギーリン酸化合物（ヌクレオシド三リン酸）生成 基質レベルリン酸化

スクシニルCoA ＋ GDP ＋ Pi コハク酸 ＋ GTP ＋ CoA-SH

CO

CH2

COO-

CH2

-OC O C o A - S

C H 2

C O O -

C H 2

ATPとGTP

HO OH

N

N

N

N

NH2

O

O PO

O

OPO

O O-

- PO

OO

- -CH2

ATP アデノシン3-リン酸 Adenosine triphosphate

アデニン Adenine

グアニン Guanine

CH2

HO OH

N

N

N

NH

O

O

O PO

O

OPO

O O-

- PO

OO

- -NH2

GTP グアノシン3-リン酸 Guanosine triphosphate

GTP ＋ ADP GDP + ATP

ヌクレオシド二リン酸キナーゼ Nucleoside diphosphate kinase

コハク酸デヒドロゲナーゼ Succinate dehydrogenase（SDH）

・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

CH2

COO-

CH2

COO-

コハク酸 Succinate

+ FAD CHCOO-

HCCOO-

+ FADH2

フマル酸 Fumarate

褐色細胞腫

副腎髄質から発生 カテコールアミン産生腫瘍 高血圧、高血糖、発汗過多 などをきたす

SDH遺伝子異常で発症する例がある

フマラーゼ Fumarase （フマル酸ヒドラターゼ Fumarate hydratase）

C

C

OH-OOC

HCOO-H

H

C

C

H

H

COO-

H

HO

COO-

フマル酸 Fumarate

リンゴ酸 Malate S-リンゴ酸 L-リンゴ酸

フマル酸への水付加

C

C

H-OOC

H COO-

+ H2O ≡ C

C

H

H

COO-

H

HO

COO-

≡

リンゴ酸デヒドロゲナーゼ Malate dehydrogenase

クエン酸回路の完結（オキサロ酢酸の再生）

ΔGo' = +29.7 kJ/mol

リンゴ酸 Malate

オキサロ酢酸 Oxaloacetate

∆Go' は大きい正の値（+29.7 kJ/mol）をもつ：反応を進めるには不利 反応の推進力は低濃度のオキサロ酢酸 （クエン酸シンターゼ反応の ∆Go' = -32.2 kJ/mol ; ΔG' も負に大）

ΔG' が負に大きいほど反応は進みやすい（右向き）

C

CH2

HO

COO-

H

COO-

+ NAD+ CO

COO-

COO-CH2

+ NAD + H+

ΔG' = ΔGo' + RT ln [oxaloacetate] [NADH] [H+]

[malate] [NAD+]

1. クエン酸回路は細胞質で働く 「 」 2. クエン酸回路で酸素が使われる 「 」 3. クエン酸回路で３分子のFADH2が生成される 「 」 4. PDHの反応にはビタミンB1が必要である 「 」 5. ビタミンB1の欠損で脚気がおきる 「 」 6. オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼによりアセチルCoAが産生される 「 」 7. コハク酸デヒドロゲナーゼはマトリックスに存在する 「 」 8. スクシニルCoAシンテターゼの作用でCTPが産生する 「 」 9. リンゴ酸デヒドロゲナーゼの標準ギブスエネルギーは負の値をとる 「 」 10. クエン酸回路は嫌気状態でも進行可能である 「 」

理解の確認のために