細胞と多様性の 生物学 第４回　細胞におけるエネルギー産生 と化学反応のネットワーク 和田　勝 東京医科歯科大学教養部

前回の復習 設計図(遺伝情報、ＤＮＡ) 遺伝情報とタンパク質の仲立ちとなるＲＮＡ タンパク質が構造と機能を実現 転写（transcription） 遺伝情報とタンパク質の仲立ちとなるＲＮＡ 翻訳（translation） タンパク質が構造と機能を実現 （セントラル・ドグマ）

翻訳の過程

タンパク質の構造 一次構造 アミノ酸の配列 二次構造 αヘリックスとβシート 三次構造 立体構造 四次構造 複数のポリペプチド鎖の組み合わせ構造

生体内での化学反応 異化（catabolism） 代謝（metabolism） 同化（anabolism） 異化：食物を分解し、材料とエネルギー 　　を得る 同化：材料からエネルギーを使って細 　　胞構築用の分子を合成

代謝経路 分子A 分子B 分子C 酵素A 酵素B 酵素C ● ● ● ● ● ● のように表すこともできる ●　 　●　 　●　 　●　 　●　 　● 　　　のように表すこともできる このような経路を代謝経路（metabolic pathway）という。

代謝経路の 　全体像 太線がこれから 学ぶ部分

エネルギーの必要性 ヌクレオチドの伸長、リボソームにおける翻訳など、細胞の中でおこるあらゆる反応にはエネルギーが必要である。 もっと典型的なものは、筋肉の収縮や鞭毛・繊毛の運動である。 それでは細胞はどのようにして必要なエネルギーを得ているのだろうか。

お話の舞台 サイトゾール ミトコドリア

ミトコンドリア 内膜 膜間腔 基質 外膜 クリステ クリステ 実際の姿は変幻自在である。

発エルゴン反応 酵素はこの活性化エネルギーを小さくする （ｂ－ｃ）のエネルギーを発生 （ａ－ｂ）の活性化エネルギーが必要

吸エルゴン反応 （ａ－ｃ）のエネルギーを供給する必要がある。同化はこちらの過程。

共役反応 そこでエネルギーを供給する反応を共役させて、エネルギー収支をあわせる。

エネルギー供給分子 アデノシン三リン酸（ATP）

ATPの役割 ATP→ADP＋Pi＋エネルギー BOH＋ATP→BO-リン酸＋ADP BOH BO-リン酸 ATP ADP AH＋BO-リン酸→AB＋Pi

共役反応の例 ヌクレオチド伸長の場合

電子（とプロトン）の運搬 ここに電子が２個ある 脱水素酵素 →還元 酸化←

その他の活性型運搬体分子 リン酸基、電子（プロトン）以外にも、代謝反応には、多くの活性型運搬体分子が登場する。 アセチル基、カルボキシル基、メチル基などの運搬体がある。 アセチル基は、アセチルCoAが運搬する。

エネルギー獲得のかたち ●ふつうは燃焼＝急激な酸化反応 ●生体内ではこの方式はとりえない。 ●生体内では脱水素による酸化。しかも徐々におこる。 ●脱水素による酸化がおこる場所と実際に使う場所とは異なっている。 ●その間をとりもっているのがATP。

生体内での酸化と燃焼

第一段階 タンパク質 多糖類 脂肪 アミノ酸 単糖類 細胞へ 脂肪酸と グリセロール 第一段階：消化 吸収

第二段階 アミノ酸 単糖 脂肪酸 アセチルCoA ブドウ糖（グルコース）の場合は解糖という過程で。サイトゾールで進行し酸素はいらない。 このとき少量のATPとNADHが生成

第三段階 アセチルCoAは完全に酸化されて水と二酸化炭素に。この過程はすべてミトコンドリア内で。 第三段階は、TCA回路と電子伝達系から構成される。 この過程で大量のNADHが生成し、これがATPの大量生成に使われる。

第二段階と第三段階まとめ それでは第二段階から順を追って

解糖（glycolysis）：1 グルコース6-リン酸 フルクトース6-リン酸 グルコース ATP ジヒドロキシアセトンリン酸＋ グリセルアルデヒド3-リン酸 フルクトース1,6-ビスリン酸 ATP

解糖（glycolysis）：2 1,3-ビスホスホグリセリン酸 グリセルアルデヒド3-リン酸 ADP ATP NAD++Pi NADH＋H+ 3-ホスホグリセリン酸 2-ホスホグリセリン酸 ホスホエノールピルビン酸 ピルビン酸 ADP ATP

解糖からTCA回路へ 酸素があると右側へ進める 酸素が無いと左側へ進む

酸素が無い場合 解糖の過程を進めつづけるためには、NAD＋が必要。 NADHがNAD＋に再生される必要がある。

酸素が 無い場合 NADH 　↓↑ NAD＋のリサイクル

酸素があると ピルビン酸はミトコンドリア基質でアセチルCoAへ この過程で二酸化 炭素とNADHが それぞれ１分子生成

TCA回路 １．二酸化炭素が ２分子生成 ２．基質レベルの リン酸化で GTPが１分子 生成 ３．NADHが３分子 生成 　　２分子生成 オキザル酢酸 ２．基質レベルの 　　リン酸化で 　　GTPが１分子 　　生成 リンゴ酸 クエン酸 イソクエン酸 フマル酸 ３．NADHが３分子 　　生成 αケトグルタル酸 コハク酸 スクシニルCoA ４．FDH２が１分子 　　生成

ミトコンドリア内膜 ミトコンドリア内膜にはたくさんのタンパク質が埋め込まれている。

電子伝達系 活性電子のはたらきで、プロトンが膜間腔へ汲み出される。

ATP合成酵素（ATPsynthase） 膜間腔 ａ1ｂ2ｃ12 内膜 α3β3γ1δ1ε1 基質 ａからεは、いずれもポリペプチド鎖

ATP合成酵素は回転する 回転の可視化 http://www.res.titech.ac.jp/~seibutu/main_.html

ATP合成酵素（ATPsynthase） 膜間腔 ａ1ｂ2ｃ12 内膜 基質 α3β3γ1δ1ε1

回転によってATPが合成 ADP＋Pi → ATP 　　　　　　↑ 　　　　回転の力

回転によってATPが合成 回転によるATP合成のモデル

電子伝達系とATP生成のまとめ

エネルギーの流れと炭素循環 太陽エネルギー 動物 植物 生きるための エネルギー 宇宙船地球号 糖＋O2 NAD＋→NADH CO2とH2O の発生 チラコイド膜両側の 電子とプロトンの偏り 宇宙船地球号 ミトコンドリア内膜両側の プロトンの偏り ADP＋Pi → ATP NADP＋→NADPH ADP＋Pi → ATP H2O＋CO2 →糖＋O2 生きるための エネルギー

途中のまとめ ここまでで細胞が生きていくために必要なエネルギーを、どのように得ているかを学んだ。 　ここまでで細胞が生きていくために必要なエネルギーを、どのように得ているかを学んだ。 　細胞にはこれ以外に、たくさんの代謝反応のネットワークが備わっている。

化学反応のネットワーク ピルビン酸 代謝経路の交差点or乗り換駅 アセチルCoA

脂肪の代謝 脂肪は、膵臓から分泌されるリパーゼによってグリセロールと脂肪酸に分解されて吸収される。 E E ＋

グリセロールの代謝 グリセロールは、グリセロール-3-リン酸を経てジヒドロキシアセトンリン酸 になり、解糖の経路に入る（解糖系へ割り込む）。 CH2-OH CH-OH CH2-OH CH-OH CH2-OPO3-2 CH2-OPO3-2 C＝O CH2-OH NAD+ NADH＋H+ ATP

グリセロールの代謝 CH2-OPO3-2 C＝O CH2-OH ジヒドロキシ アセトンリン酸 グリセルアルデヒド3-リン酸

脂肪酸の代謝 脂肪酸はミトコンドリア基質に運ばれた後、β-酸化によってアセチル-CoAにまで代謝される。 CH3CH2CH2CH2-----CH2COO- CoA CH3CH2CH2CH2-----CH2CO-CoA

脂肪酸の代謝 CH3CH2CH2CH2-----CH2CO-CoA CH3CH2CH2CH2----CH-CH-CO-CoA 　　　　　　　　　　　　 OH CH3CH2CH2CH2----C-CH2-CO-CoA 　　　　　　　　　　　　 O

脂肪酸の代謝 CH3CH2CH2CH2----C-CH2-CO-CoA O CoA CH3CH2CH2CH2----C-CoA O はじめに戻る CH3-CO-CoA ＋ TCA回路へ アセチル-CoA

アミノ酸の代謝 アミノ酸は、必要に応じてそのままタンパク質生合成の材料となる。 前回に述べたタンパク質合成の場へ アミノ酸を代謝する場合は、アミノ基が邪魔になるので、アミノ基とそれ以外の炭素骨格を分離する必要がある。

アミノ酸の代謝 アミノ基は、最終的にすべてグルタミン酸に集められる（アミノ基転移） アミノ酸 α-ケト酸 α-ケト グルタル酸 グルタミン酸

アミノ酸の代謝 次に、グルタミン酸のアミノ基は、酸化的脱アミノ反応によりアンモニアになる グルタミン酸 α-ケトグルタル酸 H2O＋ NAD+ アンモニア＋ NADH＋H+

アンモニアの解毒 アンモニアは生体にとって毒なので尿素回路によって、無毒な尿素になる 腎臓で尿となり膀胱へ アンモニア 尿素 （尿素回路）

尿素回路 最初の2つの酵素は肝臓にしかない

炭素骨格の代謝 アミノ基が除かれた炭素骨格は、 １） TCAサイクルの基質となって ATPを産生 ２） 糖新生系に入りグルコースを新生 　　（糖原性アミノ酸） ３） 脂肪酸合成系で脂肪酸を合成　 　　（ケト原性アミノ酸）

代謝経路と酵素 分子A 分子B 分子C 酵素A 酵素B 酵素C 上の図にあるように、これまで述べた代謝経路のそれぞれのステップには、酵素が働いている。

酵素タンパク質 酵素（enzyme）は触媒作用を持つタンパク質である。酵素自身は変化せず、繰り返して反応を触媒する。 酵素が働きかける相手を、基質という。酵素は特定の基質にたいしてのみ働きかける。これを基質特異性（substrate specificity）という。 一次構造を示したリゾチームを例に。

卵白リゾチーム リゾチーム（lysozyme）は、細菌の細胞壁を構成するN-アセチルムラミン酸とN-アセチルグルコサミン間の結合を切断する。 1 2    3    4    5    6    7    8    9   10  11 12   13 14  15 1 Lys Val Phe Gly Arg Cys Glu Leu Ala Ala Ala Met Lys Arg His 15 16 Gly Leu Asp Asn Tyr Arg Gly Tyr Ser Leu Gly Asn Trp Val Cys 30 31 Ala Ala Lys Phe Glu Ser Asn Phe Asn Thr Gln Ala Thr Asn Arg 45 46 Asn Thr Asp Gly Ser Thr Asp Tyr Gly Ile Leu Gln Ile Asn Ser 60 61 Arg Trp Trp Cys Asn Asp Gly Arg Thr Pro Gly Ser Arg Asn Leu 75 76 Cys Asn Ile Pro Cys Ser Ala Leu Leu Ser Ser Asp Ile Thr Ala 90 91 Ser Val Asn Cys Ala Lys Lys Ile Val Ser Asp Gly Asn Gly Met 105 106 Asn Ala Trp Val Ala Trp Arg Asn Arg Cys Lys Gly Thr Asp Val 120  121 Gln Ala Trp Ile Arg Gly Cys Arg Leu リゾチーム（lysozyme）は、細菌の細胞壁を構成するN-アセチルムラミン酸とN-アセチルグルコサミン間の結合を切断する。

ヒトリゾチーム ヒトでは、涙のなかに含まれていて殺菌に寄与する。他に免疫にも関与する 1 2    3    4    5    6    7    8    9   10  11 12   13 14  15 1 Lys Val Phe Glu Arg Cys Glu Leu Ala Arg Thr Leu Lys Arg Leu 15 16 Gly Met Asp Gly Tyr Arg Gly Ile Ser Leu Ala Asn Trp Met Cys 30 31 Leu Ala Lys Trp Glu Ser Gly Tyr Asn Thr Arg Ala Thr Asn Tyr 45 46 Asn Ala Gly Asp Arg Ser Thr Asp Tyr Gly Ile Phe Gln Ile Asn 60 61 Ser Arg Tyr Trp Cys Asn Asp Gly Lys Thr Pro Gly Ala Val Asn 75 76 Ala Cys His Leu Ser Cys Ser Ala Leu Leu Gln Asp Asn Ile Ala 90 91 Asp Ala Val Ala Cys Ala Lys Arg Val Val Arg Asp Pro Gln Gly 105 106 Ile Arg Ala Trp Val Ala Trp Arg Asn Arg Cys Gln Asn Arg Asp 120 121 Val Arg Gln Tyr Val Gln Gly Cys Gly Val ヒトでは、涙のなかに含まれていて殺菌に寄与する。他に免疫にも関与する

リゾチームの比較 活性部位 E:グルタミン酸、D:アスパラギン酸 SS結合：24-145(146), 48-133(134) 1 11 21 31 41 eggwhite MRSLLILVLC FLPLAALGKV FGRCELAAAM KRHGLDNYRG YSLGNWVCAA MKALIVLGLV LLSVTVQGKV FERCELARTL KRLGMDGYRG ISLANWMCLA 51 61 71 81 91 eggwhite KFESNFNTQA TNRN-TDGST DYGILQINSR WWCNDGRTPG SRNLCNIPCS KWESGYNTRA TNYNAGDRST DYGIFQINSR YWCNDGKTPG AVNACHLSCS 101 111 121 131 141 eggwhite ALLSSDITAS VNCAKKIVSD GNGMNAWVAW RNRCKGTDVQ AWIRGCRL ALLQDNIADA VACAKRVVRD PQGIRAWVAW RNRCQNRDVR QYVQGCGV 活性部位 E:グルタミン酸、D:アスパラギン酸 SS結合：24-145(146), 48-133(134) 82(83)-98(99), 94(95)-112(113)

ヒトリゾチーム SS結合が4本あって、三次構造に寄与している。 1 2    3    4    5    6    7    8    9   10  11 12   13 14  15 1 Lys Val Phe Glu Arg Cys Glu Leu Ala Arg Thr Leu Lys Arg Leu 15 16 Gly Met Asp Gly Tyr Arg Gly Ile Ser Leu Ala Asn Trp Met Cys 30 31 Leu Ala Lys Trp Glu Ser Gly Tyr Asn Thr Arg Ala Thr Asn Tyr 45 46 Asn Ala Gly Asp Arg Ser Thr Asp Tyr Gly Ile Phe Gln Ile Asn 60 61 Ser Arg Tyr Trp Cys Asn Asp Gly Lys Thr Pro Gly Ala Val Asn 75 76 Ala Cys His Leu Ser Cys Ser Ala Leu Leu Gln Asp Asn Ile Ala 90 91 Asp Ala Val Ala Cys Ala Lys Arg Val Val Arg Asp Pro Gln Gly 105 106 Ile Arg Ala Trp Val Ala Trp Arg Asn Arg Cys Gln Asn Arg Asp 120 121 Val Arg Gln Tyr Val Gln Gly Cys Gly Val SS結合が4本あって、三次構造に寄与している。

ヒトリゾチーム

ヒトリゾチーム

プロテアーゼ ペプチド結合は簡単には切れない。化学的には、酸を加えて熱を加える必要がある。 生体内では、ほぼ中性、体温の条件下で、プロテアーゼと総称される酵素が ペプチド結合を切断する。

プロテアーゼ H R1 O R2 O H-N+-C- C-N- C-C H H H O- プロテアーゼ H2O H R2 O

プロテアーゼ タンパク質 ペプシン ポリペプチド断片 トリプシン キモトリプシン より小さなポリペプチド アミノペプチダーゼカルボキシルペプチダーゼ アミノ酸

キモトリプシン キモトリプシンは、セリンプロテアーゼの一つで、膵臓から不活性型のキモトリプシノーゲンとして十二指腸へ分泌される ウシのキモトリプシンの一次構造 10 20 30 40 50 60 1 CGVPAIQPVL SGLSRIVNGE EAVPGSWPWQ VSLQDKTGFH FCGGSLINEN WVVTAAHCGV 60 61 TTSDVVVAGE FDQGSSSEKI QKLKIAKVFK NSKYNSLTIN NDITLLKLST AASFSQTVSA 120 121 VCLPSASDDF AAGTTCVTTG WGLTRYTNAN TPDRLQQASL PLLSNTNCKK YWGTKIKDAM 180 181 ICAGASGVSS CMGDSGGPLV CKKNGAWTLV GIVSWGSSTC STSTPGVYAR VTALVNWVQQ 240 241 TLAAN

キモトリプシン キモトリプシノーゲンは、十二指腸でトリプシンによって活性型のキモトリプシンとなる。 キモトリプシンは、Tyr、Trp、PheのC末端側でペプチド結合を切る。 活性中心は、Asp102、His57、Ser195で構成される。

トリプシン トリプシンも、セリンプロテアーゼの一つで、膵臓から不活性型のトリプシノーゲンとして十二指腸へ分泌される トリプシノーゲンは、十二指腸でエンテロキナーゼによって活性型のトリプシンとなる。トリプシンも、トリプシノーゲンを活性型のトリプシンにする。

トリプシン トリプシンは、塩基性アミノ酸Arg、LysのC末端側でペプチド結合を切る。 活性中心は、キモトリプシンと同じ。 トリプシンとキモトリプシンは、活性中心も分子の形も良く似ている（serine protease famiy）が、基質特異性が異なる。

離れたアミノ酸が近づく

キモトリプシン

まとめと次回 生きていくために必要なエネルギーを細胞はどのように獲得しているかを概観し、代謝経路のネットワークを調べた。また、酵素タンパク質構造と機能を学んだ。 次回は、どう展開するか、お楽しみに