生化学

生化学 · 3/4

酸化的リン酸化によるATP合成；終末酸化の酸化還元反応；電子伝達系の酵素複合体

ATP synthesis by oxidative phosphorylation; redox reactions of terminal oxidation; enzyme complexes of the electron transport chain — L I

応用トピック
P/O比の実験的決定新生児脳障害と新生児けいれん
疾患
Leber遺伝性視神経症ミトコンドリア病

🧠 は「電子を段階的に酸素へ渡し、その発熱でプロトンを汲み上げてATPを作る」と読む。 栄養素の電子を直接O₂に渡すとで熱になってしまう。ミトコンドリアはで間接・段階的に電子を運び、を熱に逃さずATP合成に回収する。ミトコンドリアは由来。

生物学的酸化

  • 酸化: 電子の除去（常に電子受容体の還元を伴う）。分子状酸素なしでも起こる（）。
  • 還元: 電子の獲得。
  • 栄養素からO₂へ電子を直接渡すと全が熱になる（）。ではを介して段階的に渡す。

利点：①がATP合成に共役（を回収）、②過程を制御できる、③運んだ電子を還元的・に使える。

電子運搬体

電子は一般に、還元電位がより負の体から、より正の電子受容体へ流れる。

運搬体 運ぶ電子 性質
NAD⁺ 2電子（ヒドリドイオン） 遊離の
NADP⁺ 2電子（ヒドリドイオン） 遊離の（用）
/FMN（フラビンヌクレオチド） 1または2電子 酵素結合の
（Q） 1または2電子 膜内を動き回る脂溶性分子。はユビキノール
（Fe-S） 1電子 酵素結合の（, II, III）
ヘム 1電子（Fe³⁺ ⇄ Fe²⁺） に含まれる

💡 2電子の運び手から1電子の運び手への「変換器」がとフラビン。 NADHは2電子をまとめて渡すが、Fe-Sやヘムは1電子ずつしか受け取れない。1電子ずつも2電子まとめても扱えるFMN・がその間をつなぐ。

💡 ヘムでも「電子を運ぶヘム」と「運ばないヘム」がある。 やカタラーゼのヘムはに働くが、・ヘモグロビンのヘムは電子を運ばない（用）。

電子伝達系の複合体

内膜の4つの複合体を電子が流れ、・III・IVがプロトンをへ汲み出す。全体のは約 1.1 V。

複合体 名称 ・電子の通り道 へ出すH⁺（2電子あたり）
I （NADHデヒドロゲナーゼ） FMN → 一連のFe-S → 4（ポンプ）
II -還元酵素（＝） → Fe-S → 0（ポンプしない）
III ユビキノール-c還元酵素（bc₁複合体） ヘム b・Fe-S（リスケ中心）・ヘム c₁（Qサイクル） 4（Qサイクルによる放出）
IV cオキシダーゼ ヘム a・ヘム a₃・中心（CuA・CuB） 2（1 O₂＝4電子あたり4）

NADHから入った電子は合計 4＋4＋2＝10 H⁺、から入った電子はを通らないので 4＋2＝6 H⁺ をへ送り出す。この差がP/O比の差になる。

電子の流れ（反応図）

物質（電子の運び手）を、複合体を矢印ラベルに置く。

flowchart TD
  subgraph IN["電子の入口"]
    NADH["NADH"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='complex I'>複合体I</span><br>NADH → NAD⁺<br>FMN・Fe-S<br>4H⁺を<span class='jp-term jp-term-diagram' title='intermembrane space'>膜間腔</span>へ"| QH2["ユビキノール（QH₂）<br>膜内を拡散"]
    SUC["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='succinic acid'>コハク酸</span>"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='complex I'>複合体I</span>I（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='succinate dehydrogenase (SDH)'>コハク酸デヒドロゲナーゼ</span>）<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='flavin adenine dinucleotide'>FAD</span> → FADH₂ → Fe-S<br>H⁺は汲み出さない"| FUM["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='fumarate'>フマル酸</span>"]
    SUC -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='complex I'>複合体I</span>I<br>電子を<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ubiquinone (coenzyme Q)'>ユビキノン</span>へ"| QH2
  end
  QH2 -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='complex III'>複合体III</span>（Qサイクル）<br>QH₂ → Q<br>4H⁺を<span class='jp-term jp-term-diagram' title='intermembrane space'>膜間腔</span>へ放出"| CYTC["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='reduced form'>還元型</span><span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytochrome'>シトクロム</span>c<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='intermembrane space'>膜間腔</span>側の表在タンパク質"]
  CYTC -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='complex IV'>複合体IV</span>（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytochrome'>シトクロム</span>cオキシダーゼ）<br>O₂ ＋ 4H⁺（マトリックス）<br>さらに4H⁺/O₂を汲み出す"| H2O["H₂O"]
  O2["O₂"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='complex IV'>複合体IV</span><br>4電子で完全還元"| H2O

H⁺をへ出す・III・IVの働きのが、内膜を隔てたになる（次節）。

各複合体のポイント

  • : L字型の巨大タンパク質。NADHから2電子を受け、FMN→一連のFe-S中心→Qへ。2電子あたり4 H⁺輸送。
  • I（）: のと同一。FADH₂の電子をへ。プロトンをポンプしない（だからFADH₂由来のATPは少ない）。
  • ：Qサイクル: をプロトン輸送に共役させる仕組みで、電子をcへ渡す。ユビキノール2分子が側で酸化されて4H⁺を放出し、1分子分はマトリックス側で2H⁺を取り込んで再還元されるので、2電子あたり正味4H⁺をへ送る。ポンプではなく、のの場所の違いでH⁺を運ぶ。
  • : 4電子でO₂を2H₂Oへ還元する際、マトリックス側から4H⁺を水形成に使い、別の4H⁺をへ輸送する（1 O₂あたり）。1 O₂は完全還元までに保持され、の放出を抑える。

⚠️ の阻害は組織が酸素を使えない状態を作る。 ではがの金属中心に結合し、酸素が届いていてもが止まる。ATP産生は解糖に頼るため乳酸が上昇する。はヘモグロビンでの障害が主体だが、にも影響する。各阻害薬のはの阻害薬の表にまとめてある。

💡 複合体のサブユニットはと核の両方にコードされる。 そのための遺伝子異常はとして、脳・骨格筋・心筋などATP需要の高い臓器から症状を出す。

プロトン駆動力

でにH⁺が蓄積し、内膜を隔てたが生じる。これがATP合成を駆動する（）。

Δp=Δψm−2.3RTFΔpH≈Δψm−60 ΔpH  [mV]\Delta p = \Delta\psi_m - \frac{2.3RT}{F}\Delta pH \approx \Delta\psi_m - 60\,\Delta pH \;[\text{mV}]

37℃では 2.3RT/F が約60 mV になるので右辺の形になる。Δψₘ（膜電位）とΔpH（pH勾配）の2成分からなり、式の上では差の形だが、符号の約束（Δψₘ・ΔpH をマトリックス側から側を引いて取る）によるもので、両者は同じ向き（H⁺をマトリックスへ押し戻す向き）に足し合わさる。

細胞質NADHのシャトル

ミトコンドリア外（細胞質）で生じたNADHは内膜を通れないため、やなどのを介して電子を運び込む。どのシャトルを使うかでP/O比が変わる。

flowchart TD
  subgraph MAS["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='malate-aspartate shuttle'>リンゴ酸-アスパラギン酸シャトル</span>（肝・心筋・腎）"]
    OAAc["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='oxaloacetate'>オキサロ酢酸</span>（細胞質）"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='malate dehydrogenase (MDH)'>リンゴ酸脱水素酵素</span>（細胞質）<br>NADH → NAD⁺"| MALc["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='malate'>リンゴ酸</span>（細胞質）"]
    MALc -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='malate'>リンゴ酸</span>-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='alpha-ketoglutarate'>α-ケトグルタル酸</span>輸送体（内膜）<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='alpha-ketoglutarate'>α-ケトグルタル酸</span>と交換"| MALm["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='malate'>リンゴ酸</span>（マトリックス）"]
    MALm -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='malate dehydrogenase (MDH)'>リンゴ酸脱水素酵素</span>（ミトコンドリア）<br>NAD⁺ → NADH（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='complex I'>複合体I</span>へ）"| OAAm["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='oxaloacetate'>オキサロ酢酸</span>（マトリックス）"]
    OAAm -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='aspartate aminotransferase (AST)'>アスパラギン酸アミノトランスフェラーゼ</span><br>グルタミン酸 → <span class='jp-term jp-term-diagram' title='alpha-ketoglutarate'>α-ケトグルタル酸</span>"| ASPm["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='aspartate'>アスパラギン酸</span>（マトリックス）"]
    ASPm -->|"グルタミン酸-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='aspartate'>アスパラギン酸</span>輸送体（内膜）<br>グルタミン酸＋H⁺と交換・膜電位で駆動"| ASPc["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='aspartate'>アスパラギン酸</span>（細胞質）"]
    ASPc -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='aspartate aminotransferase (AST)'>アスパラギン酸アミノトランスフェラーゼ</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='alpha-ketoglutarate'>α-ケトグルタル酸</span> → グルタミン酸"| OAAc
  end
  subgraph G3PS["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glycerophosphate shuttle'>グリセロールリン酸シャトル</span>（骨格筋・脳）"]
    DHAP["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='dihydroxyacetone phosphate'>ジヒドロキシアセトンリン酸</span>"] -->|"グリセロール-3-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glucose-6-phosphate dehydrogenase, G6PD'>リン酸脱水素酵素</span>（細胞質）<br>NADH → NAD⁺"| G3P["グリセロール-3-リン酸"]
    G3P -->|"グリセロール-3-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glucose-6-phosphate dehydrogenase, G6PD'>リン酸脱水素酵素</span>（内膜外面）<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='flavin adenine dinucleotide'>FAD</span> → FADH₂ → <span class='jp-term jp-term-diagram' title='ubiquinone (coenzyme Q)'>ユビキノン</span>へ"| DHAP
  end
シャトル 電子の入り口 細胞質NADH 1分子あたりのATP 特徴
マトリックスのNADH → ミトコンドリア内NADHとほぼ同等（P/O比 約2.5〜2.7） の排出がグルタミン酸＋H⁺の取り込みと共役し、で押されるため、実際上は細胞質NADHを酸化する向きの一方向に働く2
FADH₂ → （を飛ばす） と同等（P/O比 約1.5〜1.6） 一方向で、ATPは少ない

💡 2つのシャトルはどちらも「坂を上る」電子輸送を別のやり方で解いている。 マトリックスの遊離は細胞質よりずっと高いので、細胞質NADHの電子をマトリックスのNAD⁺へ渡すのはそのままでは逆向きである。は、の排出にを少し使ってこの差に逆らい、電子をの入口へ届ける2。は、電子をマトリックスのNAD⁺ではなくより下流のへ直接渡すことで差を回避するが、そのぶん汲み出すH⁺が6個に減る（効率を捨てて単純さを取った経路）。

まとめ

  • 電子は運搬体を介して段階的にO₂へ渡され、を熱に逃さずATP合成に回収する。
  • 運搬体はNAD⁺・・・Fe-S・ヘムで、電子はおおむねの低いものから高いものへ流れる（Fe-Sは複合体ごとに電位の幅が広い）。とフラビンが2電子と1電子の受け渡しをつなぐ。
  • （NADH）・II（/FADH₂）→→III（Qサイクル）→c→IV（O₂→水）。I・III・IVがH⁺をへ出し（2電子あたり4・4・2）、IIは出さない。NADH由来で10 H⁺、由来で6 H⁺。複合体は超複合体としても組織化される。3
  • の阻害（など）は、酸素があっても組織が使えない状態を作る。
  • で（Δp=Δψ−60ΔpH）が生じ、ATP合成を駆動（）。
  • 細胞質NADHはシャトルで電子を運び込む。はへ、はへ入るのでATPが少ない。

出典

  1. 1.Variable proton-pumping stoichiometry in structural variants of cytochrome c oxidase（Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics・2010）シトクロムcオキシダーゼでは酸素還元に使う化学プロトンと膜を越えて輸送するプロトンを区別する閲覧 2026-08-20
  2. 2.The malate–aspartate shuttle (Borst cycle): How it started and developed into a major metabolic pathway（IUBMB Life・2020）ミトコンドリアからのアスパラギン酸の排出はプロトン駆動力に依存し、アスパラギン酸1分子の排出ごとにグルタミン酸1分子とプロトン1個が取り込まれる。このためリンゴ酸-アスパラギン酸シャトルは実際上、細胞質NADHを酸化する向きの一方向に働き、遊離NADH/NAD⁺比がミトコンドリアで細胞質よりずっと高いことを説明する（2026-09-27、Consensus の抄録で確認）閲覧 2026-09-27
  3. 3.The assembly, regulation and function of the mitochondrial respiratory chain（Nature Reviews Molecular Cell Biology・2022）ミトコンドリア呼吸鎖の複合体・可動性電子担体・超複合体は協調して還元当量の酸化をプロトン駆動力へ共役する閲覧 2026-08-20