TCA回路-脂肪を燃やす

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脂肪もブドウ糖も燃やすときは途中から同じ物質になるからの続きです。

脂肪はβ酸化され、アセチルCoAになってミトコンドリアのマトリックスにあるTCA回路(クエン酸回路)に入ります。

アセチルCoAは、炭素2個からできているアセチル基が、補酵素A(CoA)に連れられている状態です。TCA回路でアセチル基は切り離され、補酵素A(CoA)はまた次のアセチル基を連れに行きます。補酵素A(CoA)は何ら反応を受けません。

何となく昔習った記憶で、TCA回路でエネルギーであるATPがたくさんつくられると思っていましたが、間違いでした。

TCA回路では、入ってくる炭素2個のアセチル基が酸化されて、二酸化炭素(CO2)になります。

アセチル基は、クエン酸から始まる8個の物質に変化しながら、得られたエネルギーをNAD+とGDP+PiとFADに渡すのが目的です。

TCA回路ではATPはできません。

この記事では、TCA回路での物質の変化についてゆっくりと書きます。生化学を専門とする人のためでなく、私のような文系で専門知識のない人のために書きます。

参考にした本は、トコトンわかる図解 基礎生化学亀田講義ナマ中継 生化学カラー図解 アメリカ版 大学生物学の教科書 第1巻 細胞生物学です。

参考にさせていただいたサイトは、役に立つ薬の情報~専門薬学さんのクエン酸経路福岡大学理学部化学科クエン酸回路(TCA回路)です。ありがとうございます。

TCA回路での反応

TCA回路での正味の化学反応は以下の通りです。(出典

CH3CO-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O → 2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP + H-CoA

この化学反応式、右辺と左辺のそれぞれ係数を比較すると、左辺で水素(H)が2個、酸素(O)が1個足りません。これは、左辺GDP + Piが右辺でGTPとなるときに、水H2Oを1個出します。それでまかなわれます。この記事の下の方、α-ケトグルタル酸からスクシニルCoAで詳しく説明しましたので読み進めてください。

上の化学反応式に出てくる物質名を書いておきます。

CH3CO-CoA:アセチルCoA
NAD:ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド
FAD:フラビンアデニンジヌクレオチド
GDP:グアノシン二リン酸
Pi:リン酸
GTP:グアノシン三リン酸
H-CoA:補酵素A

構造式を全部書きます

TCA回路を見た時、正直なところ、どこまで理解したらよいのだろうかと思いました。1周8個の反応物を覚えなければならないのだろうか?覚えて何か意味があるのだろうか?と立ち止まってしまい、しばらく記事を書けませんでした。

しかし、TCA回路での正味の化学反応が分かるようになると、変化していく物質の構造式を見比べて、CO2が出て行く、NAD+がNADH+H+になる、FADがFADH2になる、GDP + PiがGTPになることが理解できるようになります。何となく済ませてしまうより、見て分かる方がよいと思いますので、構造式は全部書きます。

ミトコンドリア

ミトコンドリアは、外膜と内膜の二重の膜からできています。2つの膜の間には膜間スペースがあります。

内膜は、ところどころで内部に突起状に突き出ていますが、この部分をクリステといいます。内膜の内側の部分はマトリックスと呼ばれ、呼吸代謝のための酵素が存在しています。

ミトコンドリア

ミトコンドリア

TCA回路は1周してアセチルCoAと反応するオキサロ酢酸となってもとに戻ってくるようになっています。それが回路と呼ばれるゆえんです。

TCA回路を読んでいく

TCA回路はアセチルCoAが入って来て、炭素2個を置いてそれと炭素数4個のオキサロ酢酸が反応し、炭素数6のクエン酸になるところからスタートします。

TCA回路内で物質の出入りの漏れがないように書いていきます。まずは全体を見渡してください。

TCA回路

TCA回路

炭素数6個(C:6)のクエン酸は、α-ケトグルタル酸になる時と、スクシニルCoAになる時に、炭素を1個ずつ2個出して、炭素数4個(C:4)になって戻って来ます。

オキサロ酢酸とアセチルCoAからクエン酸

TCA回路に入ったアセチルCoAは、オキサロ酢酸と反応してクエン酸になります。この時、水が入ってきてCoAは離れていきます。CoAはアセチル基を連れて歩く役割です。

クエン酸

オキサロ酢酸とアセチルCoAからクエン酸

アセチルCoAのCoA以外の部分は、炭素(C)が2個。オキサロ酢酸は、炭素(C)が4個。できるクエン酸は炭素(C)が6個です。

それ以外の酸素(O)と水素(H)について数を合わせてみましょう。

まず酸素(O)の数。
アセチルCoAは、1個。オキサロ酢酸は5個。水に1個で合計7個。一方、クエン酸は、7個で合っています。

次に水素(H)の数。
アセチルCoAは、3個。オキサロ酢酸は2個。水には2個ありますが、CoAに1個渡して、合計6個。一方、クエン酸は、5個。?合いませんね。何かおかしい。

カルボキシル基COOHは水があるので電離した形COOになっていますが、水素を省略しないでもう一度書きました。

クエン酸

オキサロ酢酸とアセチルCoAからクエン酸

改めて、水素(H)の数を調べます。

アセチルCoAは、3個。オキサロ酢酸は4個。水には2個ありますが、CoAに1個渡して、合計8個。一方、クエン酸は、8個。これで数が合いました。電離してCOOになっている部分は、水素があるものとして計算した方がよいですね。

クエン酸ってよく聞きます。レモンをはじめ柑橘類に多く含まれています。柑橘類の酸味はクエン酸によるものが多く、梅干しにも多量に含まれています。

クエン酸からイソクエン酸

クエン酸はイソクエン酸に異性化されます。異性化とは、ある分子が、原子の組成は全くそのままに、原子の配列が変化して別の分子に変換することです。比べたら分かりますが、炭素の数、酸素の数、水素の数とも変化はありません。

クエン酸とイソクエン酸を比べると、下から2番目の炭素と下から3番目の炭素とで、水酸基(OH)を交換しています。

炭素数は、両方とも6個で変化はありません。

イソクエン酸

クエン酸からイソクエン酸へ

 イソクエン酸からα-ケトグルタル酸

イソクエン酸は酸化されて、α-ケトグルタル酸になり、NADH+H+とCO2産生されます。産生?生産じゃないのかと思いましたか?私も思いました。こちらの記事をどうぞ。

産生
① 細胞で物質が合成・生成されること

生産でも間違いではないみたいですが、新しいことばを覚えたので産生を使いましょう。

NAD+をNADH+H+に変化させるために、イソクエン酸の下から2番目の炭素についている赤色の水素が使われます。

さらに、二酸化炭素(CO2)として、イソクエン酸の下から3番目の炭素についている赤色のCOOが使われます。COOを離した炭素の手には水素(H)がついて、α-ケトグルタル酸になります。二酸化炭素(CO2)を離したので、イソクエン酸の炭素数は6ですが、α-ケトグルタル酸では炭素数は5になりました。

α-ケトグルタル酸

イソクエン酸からα-ケトグルタル酸

α-ケトグルタル酸からスクシニルCoA

α-ケトグルタル酸は、酸化されてスクシニルCoAになり、NADH+H+とCO2が産生されます。α-ケトグルタル酸の赤色COOが離れ、二酸化炭素(CO2)になります。赤色COOが離れたあとにCoAがついて、スクシニルCoAとなります。二酸化炭素(CO2)が離れたので、炭素は1つ減ります。

炭素数は、α-ケトグルタル酸は5ですが、スクシニルCoAは炭素数4です。

スクシニルCoA

α-ケトグルタル酸からスクシニルCoA

ところで、NADH+H+となる、水素(H)はどこから持ってくる水素なのでしょう?これでは分かりませんね。

CoAはもともと、こんな構造でした。

CoA

CoA

左端を見てください。HSというのはチオール基といって、他の物質と結合するときは、Hを離して硫黄(S)が結合します。そのため、CoAを書くときは、HSCoAと書く場合もあります。しかし、この記事では、HCoAとしておきましょう。

また、α-ケトグルタル酸のカルボキシル基(COOH)を電離した形のCOOとしていますが、もともとはHがついています。ミトコンドリアの中に水分がたくさんあるので、H+が離れています。

それを考慮してもう一度書きましょう。

スクシニルCoA

α-ケトグルタル酸からスクシニルCoA

これなら分かりますね。

スクシニルCoAからコハク酸

スクシニルCoAはCoAを放出し、コハク酸になります。この時放出されるエネルギーによってGDPからGTPへの変換が起こり、GTPはADPからのATP合成に用いられます。

スクシニルCoAからSCoAが離れて、水素がついてHSCoAとなります。まず、この水素はどこから来るのか?そして、コハク酸を見ると、一番下にカルボキシル基(COOH)ができています。図では電離してCOOになっていますが。このOHはどこから来るのか?

Piはリン酸を省略して書いてあります。リン酸とGDPが反応してGTPになるということです。

コハク酸

スクシニルCoAからコハク酸

Pi+GDP→GTP

まず、GDPというのはグアノシン二リン酸のことです。構造式はこのようになります。左の青い色の部分がリン酸が2個つながっている部分です。それが二リン酸。

GDP

GDP

こちらがリン酸です。Piと表されています。

リン酸

リン酸

リン酸をもう一つGDPに結合させるとこのようになります。

GDPからGPT

GDPからGTP

リン酸とGDPから水H2Oが離れ、GPTとなります。

GTP

GTP

この水H2Oから、H+をSCoAにOHをスクシニルCoAにあったC=Oに結合させるとなるほど間に合いました。

コハク酸からフマル酸

コハク酸は、酸化されてフマル酸になり、FADH2が産生されます。これはそのままで理解できます。コハク酸から水素(H)が2個離れてFADに渡されます。CH同士は逆向きのトランス結合しますね。

フマル酸

コハク酸からフマル酸

フマル酸からリンゴ酸

フマル酸に水が加わり、水和してリンゴ酸になります。これも見ればすぐに分かる反応です。

リンゴ酸

フマル酸からリンゴ酸

リンゴ酸からオキサロ酢酸

リンゴ酸が酸化されてオキサロ酢酸になり、NADH+H+が産生される。オキサロ酢酸は、またアセチルCoAと反応して、クエン酸回路に再び入ります。

オキサロ酢酸

リンゴ酸からオキサロ酢酸

これで1周が終わりました。

もう一度TCA回路の反応

さて、もう一度TCA回路の反応を書きます。

CH3CO-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O → 2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP + H-CoA

8個の反応で、上に書いた正味の反応がすべて終わりました。8個の反応物ができましたが、みな、正味の反応物を生み出すために存在しているようなものです。細々とした反応を書いたあとだと、正味の反応は分かりやすく感じます。

NAD+に水素(H)が2個つくというのは、NAD++2H++2e→NADH+H+という意味です。
GTPはADPからのATP合成に用いられて、再びGDPに戻ります。

次は、TCA回路で得られた電気的なエネルギーが、電子伝達系に渡されます。

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