細胞内小器官のメタボロームの特徴；細胞内小器官の内部環境の維持

🧠 各オルガネラは酸化還元電位 redox potential 酸化還元電位（redox potential） redox potential（酸化還元電位） という「化学的な性格」を持っており、それぞれの内部環境（内部ミリュー、internal milieu）はこの性格に合わせて厳密に維持されている。 リソソームは能動的にプロトンを汲み入れて酸性を作り出し、ペルオキシソームperoxisome ペルオキシソーム（peroxisome）peroxisome（ペルオキシソーム） は反応性の高いH2O2を隔離して安全に処理し、ERは細胞質より酸化的な環境を保ってジスルフィド結合形成 disulfide bond formation ジスルフィド結合形成（disulfide bond formation） disulfide bond formation（ジスルフィド結合形成） を可能にし、細胞質はグルタチオン glutathione グルタチオン（glutathione） glutathione（グルタチオン） によって還元的環境を保つことでミトコンドリア（酸化的）との間に酸化還元 oxidoreduction (redox) 酸化還元（oxidoreduction (redox)） oxidoreduction (redox)（酸化還元） 勾配を作り出す——この勾配こそが電子伝達系 electron transport chain 電子伝達系（electron transport chain） electron transport chain（電子伝達系） を駆動しATP合成を可能にする、細胞全体を貫く1本の論理である。

メタボロームとは

メタボロームmetabolome メタボローム（metabolome）metabolome（メタボローム） とは、ある臓器・組織・細胞内に存在する代謝産物 metabolite 代謝産物（metabolite） metabolite（代謝産物） の総数である。

各オルガネラの内部環境

リソソーム

• 酸性pH（＝4.7）を持ち、プロトンをリソソーム内へ汲み入れることでpHを低下させるH⁺ポンプによって維持される
• 膜内のV型ATPaseがATPを加水分解しプロトンを内側へ汲み入れる（pHを安定に保つ）
• 💡 数字としては pH 4.5〜5.0 という狭い範囲で覚えるのが正確である。 リソソーム内腔のpHはこの範囲に保たれ、多岐にわたる基質特異性 substrate specificity 基質特異性（substrate specificity） substrate specificity（基質特異性） を持つ加水分解酵素 Hydrolase 加水分解酵素（Hydrolase） Hydrolase（加水分解酵素） 群がこの強い酸性で活性化される。V型ATPaseがプロトンを汲み入れると電荷が分離して膜電位が生じるため、正味の汲み入れが続くには対イオン counterion 対イオン（counterion） counterion（対イオン） の移動が必要で、Cl⁻/H⁺対向輸送体 antiporter 対向輸送体（antiporter） antiporter（対向輸送体） ClC-7がその役割を担うと考えられている¹。さらに、酸性化が行きすぎないようプロトンを逃がす経路も必要で、これはTMEM175がコードするプロトン活性化型・プロトン選択性チャネルである。TMEM175を欠く細胞はリソソームが過剰に酸性化して分解能が落ち、パーキンソン病感受性に関わるTMEM175多型でも同じ過剰酸性化が起こる²。
• タンパク質のシグナル配列 signal sequence シグナル配列（signal sequence） signal sequence（シグナル配列） ：リン酸基 phosphate group リン酸基（phosphate group） phosphate group（リン酸基） を伴う糖

ペルオキシソーム

• 有機基質の還元に用いられ、通常H2O2を産生する過程を行う——これはカタラーゼ（ペルオキシダーゼperoxidase ペルオキシダーゼ（peroxidase）peroxidase（ペルオキシダーゼ） の一種）により除去される
• 反応性化学種を迅速に除去できる閉鎖された区画を可能にする
• 単一の脂質膜。タンパク質の大部分は細胞質からの選択的輸送によって得る
• 酸化的分解反応、脂質合成lipid synthesis 脂質合成（lipid synthesis）lipid synthesis（脂質合成） ＋代謝、解毒、酸素ラジカルからの産生を行う：
  • 超長鎖脂肪酸very-long-chain fatty acid (VLCFA) 超長鎖脂肪酸（very-long-chain fatty acid (VLCFA)）very-long-chain fatty acid (VLCFA)（超長鎖脂肪酸） のβ酸化 beta-oxidationβ酸化（beta-oxidation） beta-oxidation（β酸化）
  • 分枝鎖脂肪酸branched-chain fatty acid (BCFA) 分枝鎖脂肪酸（branched-chain fatty acid (BCFA)）branched-chain fatty acid (BCFA)（分枝鎖脂肪酸） のα酸化 alpha-oxidationα酸化（alpha-oxidation） alpha-oxidation（α酸化）
• 細胞質にとって危険な酵素・化学物質chemical substance 化学物質（chemical substance）chemical substance（化学物質） を含む→H2O2の産生と分解のため
• シグナル配列signal sequence シグナル配列（signal sequence）signal sequence（シグナル配列） ：①C末端トリペプチド tripeptide トリペプチド（tripeptide） tripeptide（トリペプチド） （PTS1、Pex5という細胞質受容体により認識される）または②N末端ノナペプチド nonapeptide ノナペプチド（nonapeptide） nonapeptide（ノナペプチド） （PTS2、Pex7/18により認識される）（65-protein-targeting-into-mitochondria-and-peroxisomes-uptake-of-substrates-into参照）

ミトコンドリア

• 二重脂質膜から構成される
• 2つの区画を持つ：膜間腔 intermembrane space 膜間腔（intermembrane space） intermembrane space（膜間腔） （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））とマトリックス（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））
  • 膜間腔intermembrane space 膜間腔（intermembrane space）intermembrane space（膜間腔） は大量のプロトンを含み、これがこの空間とマトリックスの間に強い電気化学的勾配 electrochemical gradient 電気化学的勾配（electrochemical gradient） electrochemical gradient（電気化学的勾配） を作り出す→このプロトン勾配 proton gradient プロトン勾配（proton gradient） proton gradient（プロトン勾配） は呼吸鎖 respiratory chain 呼吸鎖（respiratory chain） respiratory chain（呼吸鎖） の複合体とATPシンターゼ synthase シンターゼ（synthase） synthase（シンターゼ） によって維持される
• ミトコンドリアの主要な機能は、全ての細胞オルガネラの適切な機能に必要なエネルギーをATPの形で合成することである
• 外膜のトランスロケーター translocator トランスロケーター（translocator） translocator（トランスロケーター） ：TOM（ATPを使用）とSAM（膜貫通タンパクtransmembrane protein 膜貫通タンパク（transmembrane protein）transmembrane protein（膜貫通タンパク） 質を追従・組み込む）
• 内膜のトランスロケーター translocator トランスロケーター（translocator） translocator（トランスロケーター） ：TIM23（ATPを使用）とTIM22＋OXA（膜貫通タンパクtransmembrane protein 膜貫通タンパク（transmembrane protein）transmembrane protein（膜貫通タンパク） 質を折り畳み・挿入する）
• ミトコンドリアHsp70→タンパク質をマトリックスへ転位させる
• 外膜はポリンを持つため、タンパク質輸送にとって障壁となるのは内膜である
  • 約1500のミトコンドリアタンパク質のうち、ミトコンドリア内で合成されるのはわずか10個である
  • ⚠️ この2つの数字は現行の目録では 1,136 と 13 である。 哺乳類mammal 哺乳類（mammal）mammal（哺乳類） のミトコンドリアプロテオーム proteome プロテオーム（proteome） proteome（プロテオーム） は二重のゲノム支配下にあり、99%が核ゲノム nuclear genome 核ゲノム（nuclear genome） nuclear genome（核ゲノム） 由来、mtDNA由来はちょうど13個である。目録MitoCarta3.0（2021年改訂）はMitoCarta2.0から100遺伝子を削除し78遺伝子を追加して、ヒト1,136遺伝子という現行版に至っている（同時に、マトリックス・内膜・膜間腔intermembrane space膜間腔（intermembrane space）intermembrane space（膜間腔）・外膜という亜ミトコンドリア局在の注釈と、7つの機能カテゴリにまたがる149の「MitoPathway」への割り当てが加わった）³。「約1500」は旧来の概数、「10個」はmtDNAコード蛋白の数え落としである。
  • ミトコンドリアタンパク質は一度転位されるとそこに留まる。ミトコンドリア膜に漏れがある場合、アポトーシスの兆候でありうる
• シグナル配列signal sequence シグナル配列（signal sequence）signal sequence（シグナル配列） ：両親媒性 amphipathic 両親媒性（amphipathic） amphipathic（両親媒性） α-ヘリックス

小胞体（ER）

• Ca²⁺貯蔵の主要な部位であり、IP3IP3（inositol 1,4,5-trisphosphate）輸送体のような様々な輸送によって調節される——これはIP3結合に応じて開くゲート型 gated ゲート型（gated） gated（ゲート型） イオンチャネルであるか、あるいは能動輸送による
• ERは自身の酸化還元 oxidoreduction (redox) 酸化還元（oxidoreduction (redox)） oxidoreduction (redox)（酸化還元） 中間体のプールを持つ必要がある——ERは細胞質より還元性が低い（＝より酸化的である）ためである。これにより、細胞質では形成できない特定のペプチド三次構造 tertiary structure 三次構造（tertiary structure） tertiary structure（三次構造） （ジスルフィド結合disulfide bondジスルフィド結合（disulfide bond）disulfide bond（ジスルフィド結合））の形成が可能になり、あるいはNADPHNADPH（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (reduced)）を要する生体内変換 biotransformation 生体内変換（biotransformation） biotransformation（生体内変換） 反応も可能になる
• ⚠️ ジスルフィド結合disulfide bond ジスルフィド結合（disulfide bond）disulfide bond（ジスルフィド結合） を作らせているのは「還元性中間体」ではなく酸化力である。 ここを「還元性中間体のプール」と読むと逆になる。ERのグルタチオン glutathione グルタチオン（glutathione） glutathione（グルタチオン） 酸化還元電位 redox potential酸化還元電位（redox potential） redox potential（酸化還元電位） EGSH はHeLa細胞で−208±4 mV（pH 7.0）と測定されており、細胞質の EGSH（正常時は−310 mV より負）と比べてはるかに酸化的である⁴⁵。この酸化的な環境があるからこそタンパク質ジスルフィドイソメラーゼ protein disulfide isomerase (PDI) タンパク質ジスルフィドイソメラーゼ（protein disulfide isomerase (PDI)） protein disulfide isomerase (PDI)（タンパク質ジスルフィドイソメラーゼ） が遊離SH基 free sulfhydryl group 遊離SH基（free sulfhydryl group） free sulfhydryl group（遊離SH基） を酸化してS-S結合を作れる（ERADのノートに書かれている「ER内の酸化的環境がタンパク質ジスルフィドイソメラーゼ protein disulfide isomerase (PDI) タンパク質ジスルフィドイソメラーゼ（protein disulfide isomerase (PDI)） protein disulfide isomerase (PDI)（タンパク質ジスルフィドイソメラーゼ） によるジスルフィド結合形成 disulfide bond formation ジスルフィド結合形成（disulfide bond formation） disulfide bond formation（ジスルフィド結合形成） を触媒する」という記述と揃う）。なお −208 mV という値は、従来のモデルが想定していたほどには酸化的ではなく、PDIファミリー酵素の既知の酸化還元状態 redox state 酸化還元状態（redox state） redox state（酸化還元状態） を説明しきれない点も同時に指摘されている⁴。
• SRP受容体に結合した後、新生タンパク質をトランスロケーター translocator トランスロケーター（translocator） translocator（トランスロケーター） （Sec61など）が内部へ引き込む（63-formation-of-the-proteome-of-subcellular-organelles-principles-and-mechanisms-of参照）

核

• 核の二重膜内の核膜孔複合体 nuclear pore complex (NPC) 核膜孔複合体（nuclear pore complex (NPC)） nuclear pore complex (NPC)（核膜孔複合体） が核への出入りの全ての輸送を担う（66-nuclear-import-and-export-of-macromolecules参照）
• イオン、水、小分子の自由拡散を許す
• より大きな分子はNLSシグナルを要し、インポーチンimportinインポーチン（importin）importin（インポーチン）/エクスポーチンexportin エクスポーチン（exportin）exportin（エクスポーチン） とRan-GDP/GTPによって輸送される

細胞質

• 還元性環境であり、主に特殊な還元酵素によって調節される
• これらは細胞質の酸化還元 oxidoreduction (redox) 酸化還元（oxidoreduction (redox)） oxidoreduction (redox)（酸化還元） バランスを調節し、活性酸素種reactive oxygen species (ROS) 活性酸素種（reactive oxygen species (ROS)）reactive oxygen species (ROS)（活性酸素種） を非常に低いレベルに保つ
  • その中心にあるのがグルタチオンglutathioneグルタチオン（glutathione）glutathione（グルタチオン）であり、酸化ストレスoxidative stress 酸化ストレス（oxidative stress）oxidative stress（酸化ストレス） を最小化し細胞質の還元性環境を維持するのに重要である。この2分子（酸化型GSSG・還元型reduced form 還元型（reduced form）reduced form（還元型） GSH）間のバランスが細胞質の酸化還元恒常性 redox homeostasis 酸化還元恒常性（redox homeostasis） redox homeostasis（酸化還元恒常性） の鍵となる
  • ⚠️ グルタチオンglutathione グルタチオン（glutathione）glutathione（グルタチオン） 自体は酵素ではない。 グルタチオンglutathione グルタチオン（glutathione）glutathione（グルタチオン） はγ-グルタミル-システイニル-グリシンというトリペプチドtripeptideトリペプチド（tripeptide）tripeptide（トリペプチド）（チオールthiol チオール（thiol）thiol（チオール） 系の酸化還元 oxidoreduction (redox) 酸化還元（oxidoreduction (redox)） oxidoreduction (redox)（酸化還元） 緩衝物質）であって、酵素ではない。細胞質のEGSHを −310 mV より負という深い還元状態に保っているのは、GSSGを絶えずGSHへ戻すグルタチオンglutathione グルタチオン（glutathione）glutathione（グルタチオン） 還元酵素（GR）のほうである⁵。
  • 細胞質はミトコンドリアとの間に良好な酸化還元 oxidoreduction (redox) 酸化還元（oxidoreduction (redox)） oxidoreduction (redox)（酸化還元） 勾配を作り出すために還元性である必要がある。ミトコンドリアは酸化的である（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） でCを用いてCO2を作る）ため、細胞質は還元的であることによって呼吸鎖 respiratory chain 呼吸鎖（respiratory chain） respiratory chain（呼吸鎖） のための還元型 reduced form 還元型（reduced form） reduced form（還元型） 補因子を提供する必要がある——これがミトコンドリア内のプロトン勾配 proton gradient プロトン勾配（proton gradient） proton gradient（プロトン勾配） の維持を助け、それによってATP合成が起こることを可能にする

💡 酸化＝酸素の獲得／水素の喪失。還元＝酸素の喪失／水素の獲得。 細胞質（還元的）とミトコンドリア（酸化的）の間のこの酸化還元 oxidoreduction (redox) 酸化還元（oxidoreduction (redox)） oxidoreduction (redox)（酸化還元） 勾配は、単なる化学的偶然 chance 偶然（chance） chance（偶然） ではなく、電子伝達系electron transport chain 電子伝達系（electron transport chain）electron transport chain（電子伝達系） とATP合成を駆動するために意図的 intentional 意図的（intentional） intentional（意図的） に維持されている勾配である。

⚠️ 「ミトコンドリア＝酸化的」は代謝の話であって、内部環境そのものの話ではない。 ミトコンドリアが基質の炭素を酸化してCO₂とNADHを作る「酸化的代謝oxidative metabolism 酸化的代謝（oxidative metabolism）oxidative metabolism（酸化的代謝） の現場」であることは正しい。しかし本トピックの主題である内部ミリューの酸化還元状態 redox state酸化還元状態（redox state） redox state（酸化還元状態）で見ると逆で、遺伝子コード型EGSHプローブによる測定ではマトリックスと膜間腔 intermembrane space 膜間腔（intermembrane space） intermembrane space（膜間腔） のグルタチオン glutathione グルタチオン（glutathione） glutathione（グルタチオン） プールはいずれも高度に還元されており、細胞質のグルタチオン glutathione グルタチオン（glutathione） glutathione（グルタチオン） プールと同程度である⁶。膜間腔intermembrane space 膜間腔（intermembrane space）intermembrane space（膜間腔） のプールは外膜のポリンを通してGSH・GSSGが自由に往来するため細胞質と平衡にあり、実際に膜間腔 intermembrane space 膜間腔（intermembrane space） intermembrane space（膜間腔） のEGSHを決めているのは細胞質側のグルタチオン glutathione グルタチオン（glutathione） glutathione（グルタチオン） 還元酵素系である。一方、内膜を越えるグルタチオン glutathione グルタチオン（glutathione） glutathione（グルタチオン） 輸送は限られているため、マトリックスのプールは細胞質・膜間腔intermembrane space 膜間腔（intermembrane space）intermembrane space（膜間腔） から速度論 kinetics 速度論（kinetics） kinetics（速度論） 的に隔離されている⁷。この細胞で本当に酸化的なのはERであって（EGSH −208 mV）、ミトコンドリアの内腔ではない。 電子伝達系electron transport chain 電子伝達系（electron transport chain）electron transport chain（電子伝達系） とATP合成を駆動しているのは「細胞質とミトコンドリアのグルタチオン glutathione グルタチオン（glutathione） glutathione（グルタチオン） 酸化還元 oxidoreduction (redox) 酸化還元（oxidoreduction (redox)） oxidoreduction (redox)（酸化還元） 勾配」ではなく、内膜を挟むプロトン駆動力 proton motive force プロトン駆動力（proton motive force） proton motive force（プロトン駆動力） である。

flowchart TD
  A["細胞質：還元的環境（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutathione'>グルタチオン</span>により維持）"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='reduced form'>還元型</span>補因子（NADH等）をミトコンドリアへ供給"]
  B --> C["ミトコンドリア：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='oxidative metabolism'>酸化的代謝</span>の現場（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='citric acid cycle (TCA cycle)'>クエン酸回路</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='electron transport chain'>電子伝達系</span>）"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='intermembrane space'>膜間腔</span>に<span class='jp-term jp-term-diagram' title='proton accumulation'>プロトン蓄積</span>→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='electrochemical gradient'>電気化学的勾配</span>"]
  D --> E["ATP<span class='jp-term jp-term-diagram' title='synthase'>シンターゼ</span>によるATP合成"]

まとめ

• 各細胞内小器官は特有の内部環境（内部ミリュー）を持ち、リソソームはV型ATPaseによる酸性化（pH4.7）、ペルオキシソームperoxisome ペルオキシソーム（peroxisome）peroxisome（ペルオキシソーム） はH2O2の産生・分解の隔離、ミトコンドリアは二区画（膜間腔intermembrane space膜間腔（intermembrane space）intermembrane space（膜間腔）・マトリックス）構造とプロトン勾配 proton gradientプロトン勾配（proton gradient） proton gradient（プロトン勾配）、ERは細胞質より酸化的な環境（EGSH −208 mV 対 細胞質 −310 mV より負）によるジスルフィド結合形成 disulfide bond formation ジスルフィド結合形成（disulfide bond formation） disulfide bond formation（ジスルフィド結合形成） 能によって、それぞれ特徴づけられる。
• 核は核膜孔複合体 nuclear pore complex (NPC) 核膜孔複合体（nuclear pore complex (NPC)） nuclear pore complex (NPC)（核膜孔複合体） によるNLS依存性の選択的輸送、細胞質はグルタチオン glutathione グルタチオン（glutathione） glutathione（グルタチオン） による還元的環境の維持によって、それぞれの内部環境が保たれている。
• 細胞質（還元的）とミトコンドリア（酸化的代謝oxidative metabolism 酸化的代謝（oxidative metabolism）oxidative metabolism（酸化的代謝） の現場）の関係は、呼吸鎖respiratory chain 呼吸鎖（respiratory chain）respiratory chain（呼吸鎖） への還元型 reduced form 還元型（reduced form） reduced form（還元型） 補因子の供給とミトコンドリア内プロトン勾配 proton gradient プロトン勾配（proton gradient） proton gradient（プロトン勾配） の維持を可能にし、ATP合成を支える。ただし内部ミリューの酸化還元状態 redox state 酸化還元状態（redox state） redox state（酸化還元状態） としてはマトリックスも膜間腔 intermembrane space 膜間腔（intermembrane space） intermembrane space（膜間腔） も細胞質と同程度に高度に還元されており、「ミトコンドリアの中が酸化的」という意味ではない——この細胞で内腔が酸化的なオルガネラはERである。