Biochemistry · 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
- ミトコンドリア病
🧠 酸化的リン酸化oxidative phosphorylation酸化的リン酸化（oxidative phosphorylation）oxidative phosphorylation（酸化的リン酸化）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に渡すと燃焼combustion燃焼（combustion）combustion（燃焼）で熱になってしまう。ミトコンドリアは電子伝達系ETC電子伝達系（ETC）ETC（電子伝達系）で間接・段階的に電子を運び、自由エネルギーfree energy自由エネルギー（free energy）free energy（自由エネルギー）を熱に逃さずATP合成に回収する。ミトコンドリアは共生endosymbiosis共生（endosymbiosis）endosymbiosis（共生）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（脱水素反応dehydrogenation脱水素反応（dehydrogenation）dehydrogenation（脱水素反応））。
- 還元: 電子の獲得。
- 栄養素からO₂へ電子を直接渡すと全自由エネルギーfree energy自由エネルギー（free energy）free energy（自由エネルギー）が熱になる（燃焼combustion燃焼（combustion）combustion（燃焼））。中間代謝intermediary metabolism中間代謝（intermediary metabolism）intermediary metabolism（中間代謝）では電子運搬体electron carrier電子運搬体（electron carrier）electron carrier（電子運搬体）を介して段階的に渡す。
利点：①電子伝達electron transport電子伝達（electron transport）electron transport（電子伝達）がATP合成に共役（自由エネルギーfree energy自由エネルギー（free energy）free energy（自由エネルギー）を回収）、②過程を制御できる、③運んだ電子を還元的生合成biosynthesis生合成（biosynthesis）biosynthesis（生合成）・抗酸化antioxidant抗酸化（antioxidant）antioxidant（抗酸化）に使える。
電子運搬体
酸化還元電位redox potential酸化還元電位（redox potential）redox potential（酸化還元電位）の低い順（酸化力が弱い順）に電子が流れる。
| 運搬体 | 英語 | 性質 |
|---|---|---|
| NAD⁺ | nicotinamide adenine dinucleotide | 遊離の補酵素coenzyme補酵素（coenzyme）coenzyme（補酵素） |
| NADP⁺ | nicotinamide adenine dinucleotide phosphate | 遊離の補酵素coenzyme補酵素（coenzyme）coenzyme（補酵素）（生合成biosynthesis生合成（biosynthesis）biosynthesis（生合成）用） |
| FAD/FMN | flavin nucleotides | 酵素結合の補欠分子族prosthetic group補欠分子族（prosthetic group）prosthetic group（補欠分子族） |
| ユビキノンubiquinone (coenzyme Q)ユビキノン（ubiquinone (coenzyme Q)）ubiquinone (coenzyme Q)（ユビキノン） | ubiquinone / coenzyme Q | 膜内の脂溶性分子 |
| 鉄硫黄クラスターiron-sulfur cluster鉄硫黄クラスター（iron-sulfur cluster）iron-sulfur cluster（鉄硫黄クラスター） | iron-sulfur (Fe-S) | 酵素結合の補欠分子族prosthetic group補欠分子族（prosthetic group）prosthetic group（補欠分子族）（複合体I, II, III） |
| ヘム | heme | シトクロムcytochromeシトクロム（cytochrome）cytochrome（シトクロム）に含まれる |
💡 ヘムでも「電子を運ぶヘム」と「運ばないヘム」がある。 シトクロムcytochromeシトクロム（cytochrome）cytochrome（シトクロム）やカタラーゼのヘムは電子伝達electron transport電子伝達（electron transport）electron transport（電子伝達）に働くが、ミオグロビンmyoglobin, Mbミオグロビン（myoglobin, Mb）myoglobin, Mb（ミオグロビン）・ヘモグロビンのヘムは電子を運ばない（酸素運搬oxygen transport酸素運搬（oxygen transport）oxygen transport（酸素運搬）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、複合体I・III・IVがプロトンを膜間腔intermembrane space膜間腔（intermembrane space）intermembrane space（膜間腔）へ汲み出す。全体の酸化還元スパンredox span酸化還元スパン（redox span）redox span（酸化還元スパン）は約 1.1 V。
| 複合体 | 名称 | 反応 | H⁺ポンプ |
|---|---|---|---|
| I | NADH-Q oxidoreductase | NADH→FMN→Fe-S→Q、4H⁺輸送 | ○ |
| II | コハク酸succinic acidコハク酸（succinic acid）succinic acid（コハク酸）-Q還元酵素 | コハク酸succinic acidコハク酸（succinic acid）succinic acid（コハク酸）→FADH₂→Fe-S→Q | ×（ポンプしない） |
| III | Q-シトクロムcytochromeシトクロム（cytochrome）cytochrome（シトクロム）c oxidoreductase | Qサイクルで電子をcytc へ、H⁺輸送 | ○ |
| IV | シトクロムcytochromeシトクロム（cytochrome）cytochrome（シトクロム）c オキシダーゼ | 電子をO₂へ渡し水に還元、4H⁺ポンプ | ○ |
flowchart TD
A["NADH"] --> B["複合体I（4H⁺）"]
C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='succinic acid'>コハク酸</span>→FADH₂"] --> D["複合体II（SDH）"]
B --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ubiquinone (coenzyme Q)'>ユビキノン</span> Q"]
D --> E
E --> F["複合体III：Qサイクル（H⁺）"]
F --> G["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytochrome'>シトクロム</span> c"]
G --> H["複合体IV：O₂→H₂O（4H⁺）"]
B --> I["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='intermembrane space'>膜間腔</span>にH⁺蓄積＝<span class='jp-term jp-term-diagram' title='proton motive force'>プロトン駆動力</span>"]
F --> I
H --> I各複合体のポイント
- 複合体I: 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。
- 複合体II（SDH）: クエン酸回路citric acid cycle (TCA cycle)クエン酸回路（citric acid cycle (TCA cycle)）citric acid cycle (TCA cycle)（クエン酸回路）のコハク酸デヒドロゲナーゼsuccinate dehydrogenase (SDH)コハク酸デヒドロゲナーゼ（succinate dehydrogenase (SDH)）succinate dehydrogenase (SDH)（コハク酸デヒドロゲナーゼ）と同一。FADH₂の電子をQへ。プロトンをポンプしない（だからFADH₂由来のATPは少ない）。
- 複合体III：Qサイクル: 電子伝達electron transport電子伝達（electron transport）electron transport（電子伝達）をプロトン輸送に共役させる巧妙な仕組みで、電子をシトクロムcytochromeシトクロム（cytochrome）cytochrome（シトクロム）cへ渡す。
- 複合体IV: シトクロムcytochromeシトクロム（cytochrome）cytochrome（シトクロム）cの電子をO₂へ渡し水に還元。取り除いた8 H⁺のうち4つが水の形成に、4つが膜間腔intermembrane space膜間腔（intermembrane space）intermembrane space（膜間腔）へポンプされる。O₂は完全還元まで複合体IVに強く結合し、スーパーオキシドsuperoxideスーパーオキシド（superoxide）superoxide（スーパーオキシド）・過酸化物などの有害中間体の放出を最小化。
プロトン駆動力
電子伝達electron transport電子伝達（electron transport）electron transport（電子伝達）で膜間腔intermembrane space膜間腔（intermembrane space）intermembrane space（膜間腔）にH⁺が蓄積し、内膜を隔てたプロトン駆動力proton motive forceプロトン駆動力（proton motive force）proton motive force（プロトン駆動力）が生じる。これがATP合成を駆動する（化学浸透説chemiosmotic theory化学浸透説（chemiosmotic theory）chemiosmotic theory（化学浸透説））。
Δψₘ（膜電位）とΔpH（pH勾配）の和。
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、リンゴ酸-アスパラギン酸シャトルmalate-aspartate shuttleリンゴ酸-アスパラギン酸シャトル（malate-aspartate shuttle）malate-aspartate shuttle（リンゴ酸-アスパラギン酸シャトル）（malate-aspartate shuttle）やグリセロールリン酸シャトルglycerophosphate shuttleグリセロールリン酸シャトル（glycerophosphate shuttle）glycerophosphate shuttle（グリセロールリン酸シャトル）などのシャトル系shuttle systemシャトル系（shuttle system）shuttle system（シャトル系）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。
まとめ
- 電子は運搬体を介して段階的にO₂へ渡され、自由エネルギーfree energy自由エネルギー（free energy）free energy（自由エネルギー）を熱に逃さずATP合成に回収する。
- 運搬体は酸化還元電位redox potential酸化還元電位（redox potential）redox potential（酸化還元電位）の順にNAD⁺・FAD・ユビキノンubiquinone (coenzyme Q)ユビキノン（ubiquinone (coenzyme Q)）ubiquinone (coenzyme Q)（ユビキノン）・Fe-S・ヘム。
- 複合体I（NADH）・II（SDH/FADH₂）→Q→III（Qサイクル）→cytc→IV（O₂→水）。I・III・IVがH⁺ポンプ、IIはポンプしない。
- 電子伝達electron transport電子伝達（electron transport）electron transport（電子伝達）でプロトン駆動力proton motive forceプロトン駆動力（proton motive force）proton motive force（プロトン駆動力）（Δp=Δψ−60ΔpH）が生じ、ATP合成を駆動（化学浸透説chemiosmotic theory化学浸透説（chemiosmotic theory）chemiosmotic theory（化学浸透説））。
- 細胞質NADHはシャトルで電子を運び込む。