Biochemistry · 3/5

電子伝達系の発エルゴン反応とATP産生；ATP合成酵素の機構；エネルギー需要による調節；P/O比；酸化的リン酸化の阻害薬；脱共役剤；熱産生

Exergonic reactions of the ETC and ATP production; mechanism of ATP synthase; regulation by energy demand; P/O ratio; inhibitors of oxidative phosphorylation; uncoupling agents; heat production — L I

応用トピック: P/O比の実験的決定一酸化炭素中毒とヒ素・シアン化物・鉛・メタノール中毒一酸化炭素・二酸化炭素中毒
疾患: シアン化物中毒

🧠 ATP合成酵素ATP synthaseATP合成酵素（ATP synthase）ATP synthase（ATP合成酵素）は「プロトンの流れで回る分子モーター」で、呼吸はエネルギー需要ADPエネルギー需要（ADP）ADP（エネルギー需要）に連動する、と読む。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F₀を回し、F₁でADP＋Pi→ATPを作る。P/O比は「1酸素原子あたり作れるATP数」。阻害薬・脱共役剤uncoupler脱共役剤（uncoupler）uncoupler（脱共役剤）はこの共役を壊す。脱共役uncoupling脱共役（uncoupling）uncoupling（脱共役）は褐色脂肪Brown, BAT褐色脂肪（Brown, BAT）Brown, BAT（褐色脂肪）で熱産生に使われる。

ATP合成酵素＝回転モーター

膜に埋まったATP合成酵素ATP synthaseATP合成酵素（ATP synthase）ATP synthase（ATP合成酵素）は、プロトンが流れ込む力でF₀部分（cリング）が回転し、F₁部分でATPを合成する。

\text{ADP}^{3-} + \text{HPO}_4^{2-} + \text{H}^+ + nH^+_{out} \rightleftharpoons \text{ATP}^{4-} + \text{H}_2\text{O} + nH^+_{in}

共役比coupling ratio共役比（coupling ratio）coupling ratio（共役比） n = H⁺/ATP = (cサブユニット数)/3。
cサブユニット数は生物で8〜15と異なり、比は2.67〜5。脊椎動物ではc₈リングで 1 ATPあたり約2.7 H⁺ 必要。
反応の実際のΔG ≈ −49.6 kJ/mol（細胞内濃度で計算）。
ATP合成酵素ATP synthaseATP合成酵素（ATP synthase）ATP synthase（ATP合成酵素）は二量体を形成する。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='intermembrane space'>膜間腔</span>の高H⁺（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='proton motive force'>プロトン駆動力</span>）"]
  A --> B["H⁺がF₀（cリング）を通り回転させる"]
  B --> C["中心γサブユニットが回転"]
  C --> D["F₁（α₃β₃）の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='conformational change'>構造変化</span>"]
  D --> E["ADP + Pi → ATP"]

💡 「ミトコンドリアはATP合成酵素ATP synthaseATP合成酵素（ATP synthase）ATP synthase（ATP合成酵素）の周りに作られた」ようなもの。 電子伝達系electron transport chain電子伝達系（electron transport chain）electron transport chain（電子伝達系）の唯一の目的は、この分子モーターを回すプロトン駆動力proton motive forceプロトン駆動力（proton motive force）proton motive force（プロトン駆動力）を作ること。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）が下がればATP合成酵素ATP synthaseATP合成酵素（ATP synthase）ATP synthase（ATP合成酵素）は逆回転してATPを分解しうる（reversal potential）。

P/O比

P/O比 = 呼吸鎖respiratory chain呼吸鎖（respiratory chain）respiratory chain（呼吸鎖）で還元された酸素原子1個あたりに作られるATP数。

基質	汲み出されるH⁺（2電子あたり）	P/O比
NADH連結基質	10	10/3.7 ≈ 2.7
FADH₂連結基質	6	6/3.7 ≈ 1.6

⭐ なぜ「3.7」で割るのか。 1 ATPをATP合成酵素ATP synthaseATP合成酵素（ATP synthase）ATP synthase（ATP合成酵素）で作るのに約2.7 H⁺（8/3）、さらにADP/ATP輸送体による電位差potential difference電位差（potential difference）potential difference（電位差）を伴う交換とリン酸-プロトン共輸送で追加1 H⁺かかるので、細胞質にATPを届けるコストは約3.7 H⁺。NADHは10 H⁺汲むので10/3.7≈2.7、FADH₂は6 H⁺なので6/3.7≈1.6。（古い教科書の「3と2」はこの精密版）。

エネルギー需要による調節

呼吸速度は主にADPの有無で決まる（呼吸調節acceptor / respiratory control呼吸調節（acceptor / respiratory control）acceptor / respiratory control（呼吸調節） respiratory / acceptor control）。ADPが増える（＝ATP消費が増える）と呼吸が加速する。

ミトコンドリアの状態	内容
State 3	ADP存在下、活発に呼吸・ATP合成
State 4	ADP枯渇、呼吸が遅い
呼吸調節比respiratory control ratio (RCR)呼吸調節比（respiratory control ratio (RCR)）respiratory control ratio (RCR)（呼吸調節比）	State 3/State 4。共役の良さの指標

阻害薬と脱共役剤

分類	例	作用点target作用点（target）target（作用点）・効果
呼吸鎖阻害薬respiratory chain inhibitor呼吸鎖阻害薬（respiratory chain inhibitor）respiratory chain inhibitor（呼吸鎖阻害薬）	ロテノンrotenoneロテノン（rotenone）rotenone（ロテノン）	複合体I（NADH脱水素酵素）
	マロン酸malonateマロン酸（malonate）malonate（マロン酸）	複合体II（SDH、競合阻害competitive inhibition競合阻害（competitive inhibition）competitive inhibition（競合阻害））
	アンチマイシンAantimycin AアンチマイシンA（antimycin A）antimycin A（アンチマイシンA）	複合体III（cyt b〜c₁間）
	CN⁻・CO・N₃⁻	複合体IV（シトクロムcytochromeシトクロム（cytochrome）cytochrome（シトクロム）オキシダーゼ）
ATP合成酵素ATP synthaseATP合成酵素（ATP synthase）ATP synthase（ATP合成酵素）阻害薬	オリゴマイシンoligomycinオリゴマイシン（oligomycin）oligomycin（オリゴマイシン）	F₀を阻害。呼吸も抑制される
ANT阻害薬	アトラクチロシドatractyloside (ANT inhibitor)アトラクチロシド（atractyloside (ANT inhibitor)）atractyloside (ANT inhibitor)（アトラクチロシド）／カルボキシアトラクチロシドcarboxyatractylosideカルボキシアトラクチロシド（carboxyatractyloside）carboxyatractyloside（カルボキシアトラクチロシド）	ADP/ATP輸送体
脱共役剤uncoupler脱共役剤（uncoupler）uncoupler（脱共役剤）	2,4-ジニトロフェノールdinitrophenol (DNP)ジニトロフェノール（dinitrophenol (DNP)）dinitrophenol (DNP)（ジニトロフェノール）、サーモゲニンthermogenin / UCP1サーモゲニン（thermogenin / UCP1）thermogenin / UCP1（サーモゲニン）	プロトンを漏らし電子伝達electron transport電子伝達（electron transport）electron transport（電子伝達）とATP合成を切り離す

⚠️ オリゴマイシンoligomycinオリゴマイシン（oligomycin）oligomycin（オリゴマイシン）で呼吸も止まるのが「共役」の証拠。 ATP合成酵素ATP synthaseATP合成酵素（ATP synthase）ATP synthase（ATP合成酵素）を止めるとプロトンが流れ込めず勾配が限界に達し、電子伝達electron transport電子伝達（electron transport）electron transport（電子伝達）（呼吸）も抑制される。ところが脱共役剤uncoupler脱共役剤（uncoupler）uncoupler（脱共役剤）を加えると、プロトンが漏れて勾配が消え、ATPを作らずに呼吸だけが高速に回る（エネルギーは熱に）。

熱産生

脱共役uncoupling脱共役（uncoupling）uncoupling（脱共役）は病的にも生理的にも起こる。褐色脂肪組織brown adipose tissue褐色脂肪組織（brown adipose tissue）brown adipose tissue（褐色脂肪組織）の内膜には脱共役uncoupling脱共役（uncoupling）uncoupling（脱共役）タンパク質サーモゲニンthermogenin / UCP1サーモゲニン（thermogenin / UCP1）thermogenin / UCP1（サーモゲニン）があり、プロトンを漏らしてATPを作らずに熱を産生する（非ふるえ熱産生、新生児・冬眠動物で重要）。DNPはかつて減量薬に使われたが、過剰な熱産生で致死的で危険。

まとめ

ATP合成酵素ATP synthaseATP合成酵素（ATP synthase）ATP synthase（ATP合成酵素）はプロトンで回る分子モーター。H⁺/ATP=cサブユニット/3、脊椎動物で約2.7。
P/O比：NADH≈2.7、FADH₂≈1.6（10 or 6 H⁺ ÷ 3.7）。
呼吸はADP（エネルギー需要）で調節（State 3/4、呼吸調節比respiratory control ratio (RCR)呼吸調節比（respiratory control ratio (RCR)）respiratory control ratio (RCR)（呼吸調節比））。
阻害薬：ロテノンrotenoneロテノン（rotenone）rotenone（ロテノン）（I）・マロン酸malonateマロン酸（malonate）malonate（マロン酸）（II）・アンチマイシンAantimycin AアンチマイシンA（antimycin A）antimycin A（アンチマイシンA）（III）・CN⁻/CO/N₃⁻（IV）・オリゴマイシンoligomycinオリゴマイシン（oligomycin）oligomycin（オリゴマイシン）（ATP合成酵素ATP synthaseATP合成酵素（ATP synthase）ATP synthase（ATP合成酵素））・アトラクチロシドatractyloside (ANT inhibitor)アトラクチロシド（atractyloside (ANT inhibitor)）atractyloside (ANT inhibitor)（アトラクチロシド）。
脱共役剤uncoupler脱共役剤（uncoupler）uncoupler（脱共役剤）（DNP・UCP1）はプロトンを漏らしATPを作らず熱を産生。褐色脂肪Brown, BAT褐色脂肪（Brown, BAT）Brown, BAT（褐色脂肪）の非ふるえ熱産生。