脂肪酸はβ酸化を受けて、炭素数2のアセチルCoAになりTCA回路に入ります。TCA回路で行われる反応では、ATPはつくられません。補酵素NAD+がNADH+H+になり、FADがFADH2になりそれぞれ水素を受け取ります。また、GDPがGTPになります。これらは次の工程で、ATPをつくるために使われます。
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。
TCA回路ではATPはつくられない
アセチルCoAはTCA回路に入り、アセチル基の炭素2個は、酸化され2個のCO2となって排出されますが、TCA回路ではATPがつくられません。
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。
これまでうろ覚えだったせいか、TCA回路でATPがたくさんつくられるものだと思っていましたが、TCA回路ではATPはつくられません。ひょっとすると同じように考えている方がいらっしゃるかもしれないので、最初に書いておきました。
TCA回路で、エネルギー生産のために行っていることは、NAD+ とFADに水素と電子を渡し、 GDP + Pi （リン酸）をGTPにすることです。
おもな最終生成物はCO2と，NADHに取り込まれた高エネルギー電子である。CO2は廃棄物として放出されるが，NADHの高エネルギー電子は膜内の電子伝達系に渡され，最後はO2と結合してH2Oになる。（中略）
回路を1周すると，NADH3分子のほかに，FADからFADH2，GDPからリボヌクレオチドのGTPが1分子作られる。（中略）
GTPはATPによく似ており，回路の1周ごとに末端のリン酸基をADPに渡してATP1分子を作る。FADH2は，NADHと同様，高エネルギー電子と水素の運搬体である。（中略）
転移しやすい高エネルギー電子としてNADHとFADH2に蓄えられたエネルギーは，酸化的リン酸化によるATP合成に使われる。
参考にした本は、細胞の分子生物学第4版。大きくてとても重い本です。これは2004年発行。最新版は第6版です。
ちなみに私は古本を2冊買って、1冊は1章ごとに切ってホッチキスで止め、製本テープを貼って使っています。とても持ち歩けないし、図書館にあるような大きな机がないと開けないです。自分用ならスキャンするのもありですね。
TCA回路での反応
TCA回路では、アセチルCoAが入ってクエン酸ができるところから始まります。クエン酸を含めて8個の物質に変化しながら回り続けます。
TCA回路での正味の化学反応は以下の通りです。
CH3CO-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 3H2O → 2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP + HS-CoA
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
- HS-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。
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
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回路は炭素数2個のアセチル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。それぞれの反応物の構造式入りの図を書くとこのようになります。
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、その後は炭素数4個（C:4）になります。
これからそれぞれの反応式を書いていきますが、上の図と行ったり来たりしながら見比べていただければよいかと思います。
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、水が入ってきた代わりに補酵素A（HS-CoA）は離れていきます。
HS-CoAはアセチル基を運搬するのが役割で、自身は変化を受けません。
ここでできるクエン酸は、レモンをはじめ柑橘類に多く含まれているクエン酸です。梅干しにも多量に含まれています。
最初の反応式なので注意事項を書いておきましょう。
体内には水があるので、カルボキシ基（-COOH）は電離して-COO–になっています。私など、最初に、反応の前後で水素（H）の数が合わなくて悩んだのですが、電離したカルボキシ基に水素（H）をつけて計算すれば数は合っています。
私のように、余分なところに厳密さを求めて神経を使わない方がよいです。そういうものかと思って進んだ方がよいと思います。
クエン酸からイソクエン酸
次の反応で、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。
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が産生されます。
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。
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2個が使われます。
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周囲の水からもらった水素（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1つ減って5になりました。
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S-CoAが離れて、水素がついてHS-CoAとなります。
この反応は次のように説明されていました。
CoAが水溶液中のリン酸分子で置き換えられ、コハク酸との間に高エネルギーリン酸結合ができる。
次いで、このリン酸基はGDPに転移し、GTPができる（細菌や植物では、代わりにATPができる）。
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。
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。
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。
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 + 3H2O → 2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP + HS-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。
NOTE
TCA回路は確か中学校の理科で習ったのが初めてだったと思いますが、高校の生物でも習いました。酸素呼吸の中枢であること。ミトコンドリアの中で働くことと、ATPを作ることは何となく覚えていました。
今回、中で行われている反応を詳しく調べてみると、TCA回路では、ATPは全く作られていません。回路の中にアセチルCoAが入ってきますが、その炭素2個は、酸化され2個のCO2となります。
そして水素が補酵素、3NAD+に取り込まれ3（NADH+H+）になる、FADがFADH2になる変化がありました。これらがATPを作ることに関係しています。
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