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クエン酸回路・電子伝達系（１）（生化学２）
令和１年５月９日
病態生化学分野教授
山縣 和也
本日の学習の目標
クエン酸回路の働きを理解する
PDH複合体について理解する
ビタミンとクエン酸回路の関係を理解する
クエン酸回路の異常による病気について理解する
グルコース
乳酸
グルコース６リン酸
ピルビン酸
グリコーゲン タンパク質
アミノ酸 脂肪酸
アセチルCoA
トリアシルグリセロール
ケト酸
ATP
ピルビン酸脱水素酵素
エネルギー代謝経路
グリコーゲン代謝
解糖系
クエン酸回路電子伝達系
脂質代謝
アミノ酸代謝
β酸化糖新生
クエン酸回路（サイクル） Citric acid cycleトリカルボン酸回路（サイクル） Tricarboxylic acid cycle
TCA回路（サイクル） TCA cycleクレーブス回路（ サイクル）Krebs cycle
Sir Hans Adolf Krebs (1900-1981 独→英）
１９３７年 クエン酸回路の発見１９６３年 ノーベル賞受賞
クリステCristae
マトリックスMatrix
内膜Inner membrane
外膜Outermembrane
膜間腔Intermembrane space
ミトコンドリア Mitochondrion/Mitochondria
クエン酸回路の反応はマトリックス内でおきる
クエン酸回路（ミトコンドリア）
ピルビン酸 アセチルCoA
オキサロ酢酸
クエン酸
cis-アコニット酸
イソクエン酸
2-オキソグルタール酸スクシニルCoA
コハク酸
フマル酸
リンゴ酸
NAD NADH
NAD
NADH
NADNADH
FAD
FADH2
NAD
NADH
GDP
GTP
細胞質から
ピルビン酸輸送体
燃料からATPをつくりだすためにNADH
やFADH2の形で高エネルギー電子を取り出す
NAD(H)
NCH2
HO OH
O
+
C 2
O
NH
P OO-
O
O
P
O
O O CH2
HO OH
N
N
N
N
NH2
-
O
酸化型（NAD, NAD+）
ニコチン酸：ビタミンB群の一つ
ニコチン酸アミド（ニコチンアミド）：ビタミンB群の一つ
H– (2e–, H+)
N
C 2
O
NH
R
H H
還元型（NADH）
NAD: Nicotinamide adenine dinucleotide
OPO32-
酸化型（NADP, NADP+
NCH2
HO OH
O
+
C 2
O
NH
P OO-
O
O
P
O
O O CH2
HO OH
N
N
N
N
NH2
-
O
酸化型（NAD, NAD+）
アデノシン
FAD(H2)
N
N
N
N O
O
CH3
CH3
CH2
HO-C-H
CH2
O
P OO
O
P
O
O O CH2
HO OH
H
N
N
N
N
NH2
-
-
O
HO-C-H
HO-C-H
酸化型（FAD）
2e–, 2H+
N
N
N
NO
O
CH3
CH3 H
H
HR
還元型（FADH2）
リボフラビン：ビタミンB2
アデノシン
FAD: Flavin adenine dinucleotide
FMN: Flavin mononucleotide
クエン酸回路と電子伝達系の連結
ミトコンドリア電子伝達系（呼吸鎖） ATP 合成系
酸化的リン酸化
ク エ ン 酸回 路
NAD,
FAD
NADH,
FADH2
e-e-
O2
H2O
ATP
NADH, FADH2 再酸化
（NAD, FAD再生）
ミトコンドリア電子伝達系
（呼吸鎖、酸化的リン酸化）
ATP 産生
酸素消費
電子伝達系がとまると、クエン酸回路もとまる電子伝達系が回るには酸素が必要、クエン酸回路も酸素がないと止まる
COO− + NAD+ + CoA
O
C SCoA + NADH + CO2
O
CH3C H3C
ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体Pyruvate dehydrogenase complex
ピルビン酸 アセチルCoA
SH
CH2
CH2
NH
C=O
CH2
NH
C=O
CH OH
CH3C CH3
CH2 O P O P O
=
O
=
O
CH2
O
2-O3PO OH
N
NN
N
NH2
Coenzyme A (CoA)
パントテン酸：ビタミンB群の一つ
アデノシン3’-リン酸
O
C CH3〜S
CH2
CH2
NH
C=O
CH2
NH
C=O
CH OH
CH3C CH3
CH2 O P O P O
=
O
=
O
CH2
O
2-O3PO OH
N
NN
N
NH2
=
アセチルCoA（アセチル補酵素A）
E２ ：ジヒドロリポイルアセチル基転移酵素Dihydrolipoyl transacetylase
E1 ：ピルビン酸デヒドロゲナーゼ Pyruvate dehydrogenase（ピルビン酸デカルボキシラーゼ Pyruvate decarboxylase）
E３：ジヒドロリポアミドデヒドロゲナーゼDihydrolipoamide dehydrogenase
ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体
３種類の酵素と５種類の補酵素が関与
TPP、リポ酸、FAD、CoA、NAD＋
CH2
H2C
S S
C
H
CH2 C
O
CH2 CH2 CH2 OH
リポ酸：ビタミン様物質Lipoic acid
チアミン Thiamine
ビタミン B1
チアミンピロリン酸
Thiamine pyrophosphate (TPP)
NH2
CH2N
N
N+
CC
C S
CH2 CH2 O P O P O–
O O
O– O–CH3
H3C
ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体
CH3 CO
COO-CO2
E1E1 E3E2
TPP
S
S
S
S
FAD
S
S
CH3 CHOH
E1 E3E2
TPP
S
HS
S
S
FAD
S
S
CH3 C
O
E2
S
S
E1 E3E2
TPPS
S
FAD
S
HSCH3 C
O
E2
E1 E3E2
TPP
S
S
S
S
FAD
HS
HS
CoA-SH
CH3 C
O
SCoA アセチルCoA
E2
E1 E3E2
TPP
S
S
SH
SH
FAD
S
S
E3
NADH + H+
E3
NAD+
脱炭酸
アセチル基の転移
酸化型リポアミドの再生
E1 E3E2
TPP
S
S
S
S
FAD
S
S
脚気（Beriberi）
•昭和初期までの国民病•ビタミンB1欠乏症•近年、再び患者の出現•四肢の浮腫を伴う多発性神経炎、心不全を伴う
徳川家茂 和宮
（四肢遠位の筋力低下など）
Wernicke脳症慢性アルコール中毒などの低栄養疾患でみられるB1欠乏脳症
急性に発症する意識障害、眼振、外眼筋麻痺など。健忘、失見当識など精神症状がみとめられることもあり。
Leigh症候群
乳児期に発症する神経変性疾患。発育の停止、筋力低下、呼吸障害など。ミトコンドリアの異常で発症する場合や、PDHの活性低下で発症する場合もある。
緊急安全性情報
高カロリー輸液療法施行中の重篤なアシドーシスの発現
高カロリー輸液療法施行中に起こる重篤なアシドーシスについて再度『緊急安全性情報』がだされました。適正使用情報を配布後も重篤なアシドーシスが因果関係の不明な症例も含め１５例（死亡７例）に認められています。そこで【警告】欄にビタミンＢ１の併用を追記し、さらにアシドーシスが起こった場合の処置についても追記しました。
•１．高カロリー輸液療法施行中は必ずビタミンＢ１を投与すること。
•２．重篤なアシドーシスが起こった場合には直ちにビタミンＢ１の欠乏を考慮すること。
•３．ビタミンＢ１を投与していても基礎疾患、合併症などの病態の悪化により重篤なアシドーシスが発現することがあるので注意すること。
•４．高カロリー輸液療法の施行にあたっては、添付文書の記載事項に留意の上、適正に使用すること。
【警告】及び【一般的注意】【警告】ビタミンＢ１を併用せずに高カロリー輸液療法を施行すると重篤なアシドーシスが発現することがあるので、必ずビタミンＢ１を併用すること。ビタミンＢ１欠乏症と思われる重篤なアシドーシスが発現した場合には、直ちに１００～４００ｍｇのビタミンＢ１製剤を急速静脈内投与すること。また、高カロリー輸液療法を施行中の患者では、基礎疾患及び合併症に起因するアシドーシスが発現することがあるので、症状があらわれた場合には高カロリー輸液療法を中断し、アルカリ化剤の投与等の処置を行うこと。【一般的注意】(1)高カロリー輸液療法施行中にビタミンＢ１欠乏により重篤なアシドーシスが起こることがあるので、必要量（１日３ｍｇ以上を目安に）のビタミンＢ１を投与すること。
グルコース
乳酸
グルコース６リン酸
ピルビン酸
グリコーゲン タンパク質
アミノ酸 脂肪酸
アセチルCoA
トリアシルグリセロール
ケト酸
ATP
ピルビン酸脱水素酵素
エネルギー代謝経路
グリコーゲン代謝
解糖系
クエン酸回路電子伝達系
脂質代謝
アミノ酸代謝
β酸化糖新生 脂肪酸合成
乳酸アシドーシス
ビタミンB1欠損
クエン酸回路（ミトコンドリア）
ピルビン酸 アセチルCoA
オキサロ酢酸
クエン酸
cis-アコニット酸
イソクエン酸
2-オキソグルタール酸スクシニルCoA
コハク酸
フマル酸
リンゴ酸
NAD NADH
NAD
NADH
NADNADH
FAD
FADH2
NAD
NADH
GDP
GTP
細胞質から
ピルビン酸輸送体
クエン酸合成酵素
アコニターゼ
アコニターゼ
イソクエン酸デヒドロゲナーゼ
αケトグルタル酸デヒドロゲナーゼ複合体
スクシニルCoA
合成酵素
コハク酸デヒドロゲナーゼ
フマラーゼ
リンゴ酸デヒドロゲナーゼ
脱水
脱水素と脱炭酸
酸化的脱炭酸脱水素
水付加
脱水素
クエン酸シンターゼ Citrate synthase
炭素２原子をアセチル-CoAとしてクエン酸回路に導入
CH3-C-S-CoA
O O
C COO-
CH2 COO-
+ H2O HO C COO-
CH2 COO-
CH2 COO-
+ CoA-SH+
アセチル-CoAAcetyl-CoA
オキサロ酢酸Oxaloacetate
クエン酸Citrate
C2 C4 C6
アコニターゼ Aconitase
クエン酸の異性化：次段階の酸化、脱炭酸を容易にする
COO-
CH2
HO C
CH
COO-
H
COO-
COO-
H2C
C
C
COO-
H COO-
H2O
H2O
H2O
H2O
COO-
CH2
HO
C
C
H COO-
H
COO-
クエン酸 cis-アコニット酸 イソクエン酸
イソクエン酸デヒドロゲナーゼ Isocitrate dehydrogenase
酸化的脱炭酸：NADH と CO2 生成
COO-
CH2
HO
C
C
H COO-
H
COO-
イソクエン酸Isocitrate
オキサロコハク酸Oxalosuccinate（酵素から遊離しない）
COO-
CH2
O
C
C
H
C
-O
O
C
O-
O
Mn2+
NAD NADH + H+
COO-
CH2
-O
C
C
H
C
-O
O
Mn2+
CO2 H+
2-オキソグルタール酸2-Oxoglutarate
COO-
CH2
O
C
C
H
C
-O
O
H
a-ケトグルタール酸(aKG)
IDH遺伝子変異とがん
イソクエン酸 αKGIDH
正常
２ヒドロキシグルタル酸αKG変異IDH
グリオーマ、急性骨髄性白血病
メチル化異常・ヒストン修飾異常（エピジェネティックな変化）
特定の遺伝子変異
（オンコメタボライト：がんを起こす代謝物）
αKGはHIFや脱メチル化酵素の働きに必要だが、2HGはそれら酵素の働きを抑制する
2HGができないよう変異型IDHの阻害剤がこれらがんの治療薬として開発されている
2HG
2-オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ複合体2-Oxoglutarate dehydrogenase complex
R’ C
O
COO- + NAD+ + CoA S-CoAC
O
R’ + NADH + CO2
R’ = CH2-OOC CH2 2-オキソグルタル酸
COO− + NAD+ + CoA
O
C SCoA + NADH + CO2
O
CH3C H3C
ピルビン酸 アセチルCoA
2-オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ複合体2-Oxoglutarate dehydrogenase complex
C
O
COO-CH2-OOC CH2
2 -オキソグルタル酸
CO2
TPP
E1
R’ CH
OH
TPP S
S
FAD
SH
SH
FAD
NAD+
NADH + H+
E3
R’ = CH2-OOC CH2
C
O
COO-CH2-OOC CH2
CO2
2-オキソグルタル酸
S
S
R
HS
HS
R
E2
CoA-SH
HS
S
R
R C
O
S-CoAC
O
R’
スクシニルCoAスクシニルCoA
E1 ：2-オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ2-Oxoglutarate dehydrogenase
E2 ：ジヒドロリポイルトランススクシニラーゼDihydrolipoyl transsuccinylase
E3 ：ジヒドロリポイルデヒドロゲナーゼDihydrolipoyl dehydrogenase
スクシニル CoA シンテターゼ Succinyl-CoA synthetase（コハク酸チオキナーゼ Succinate thiokinase）
高エネルギーリン酸化合物（ヌクレオシド三リン酸）生成基質レベルリン酸化
スクシニルCoA ＋ GDP ＋ Pi コハク酸 ＋ GTP ＋ CoA-SH
CO
CH2
COO-
CH2
-O
COCoA-S
CH2
COO-
CH2
succinate
ATPとGTP
HO OH
N
N
N
N
NH2
O
O P
O
O
O
P
O
O O-
- P
O
O
O- -
CH2
ATP
アデノシン3-リン酸Adenosine triphosphate
アデニンAdenine
グアニンGuanine
CH2
HO OH
N
N
N
NH
O
O
O P
O
O
O
P
O
O O-
- P
O
O
O- -
NH2
GTP
グアノシン3-リン酸Guanosine triphosphate
GTP ＋ ADP GDP + ATP
ヌクレオシド二リン酸キナーゼNucleoside diphosphate kinase
コハク酸デヒドロゲナーゼSuccinate dehydrogenase（SDH）
・脱水素反応，FADH2 生成・ミトコンドリア内膜に結合・クエン酸回路酵素で唯一膜結合酵素（他は，ミトコンドリアマトリックス中，可溶性）
・ミトコンドリア電子伝達系（呼吸鎖）酵素の一つ
CH2
COO-
CH2
COO-
コハク酸 Succinate
+ FADCH
COO-
HC
COO-
+ FADH2
フマル酸 Fumarate
SDH
褐色細胞腫
副腎髄質から発生カテコールアミン産生腫瘍
高血圧、高血糖、発汗過多などをきたす
SDH遺伝子異常で発症する例がある
コハク酸も2HGと同様に脱メチル化酵素を抑制するオンコメタボライト
SDHの変異でコハク酸が蓄積する
フマラーゼ Fumarase（フマル酸ヒドラターゼ Fumarate hydratase）
C
C
OH-OOC
HCOO-
H
H
C
C
H
H
COO-
H
HO
COO-
フマル酸Fumarate
リンゴ酸Malate
S-リンゴ酸L-リンゴ酸
フマル酸への水付加
C
C
H-OOC
H COO-
+ H2O ≡C
C
H
H
COO-
H
HO
COO-
≡FH
フマル酸も2HGと同様に脱メチル化酵素を抑制するオンコメタボライト
FHの変異でも多彩ながんが発症することが報告されている（FHの異常でフマル酸が蓄積）
リンゴ酸デヒドロゲナーゼMalate dehydrogenase
クエン酸回路の完結（オキサロ酢酸の再生）
ΔGo' = +29.7 kJ/mol
リンゴ酸Malate
オキサロ酢酸Oxaloacetate
∆Go' は大きい正の値（+29.7 kJ/mol）をもつ：反応を進めるには不利反応の推進力は低濃度のオキサロ酢酸（アセチルCoAと反応して消費）（クエン酸シンターゼ反応の ∆Go' = -32.2 kJ/mol ; ΔG' も負に大）
ΔG' が負に大きいほど反応は進みやすい（右向き）
C
CH2
HO
COO-
H
COO-
+ NAD+CO
COO-
COO-
CH2+ NAD + H+
ΔG' = ΔGo' + RT ln[oxaloacetate] [NADH] [H+]
[malate] [NAD+]
1. クエン酸回路は細胞質で働く 「 」2. クエン酸回路で酸素が使われる 「 」3. クエン酸回路で３分子のFADH2が生成される 「 」4. PDHの反応にはビタミンB1が必要である 「 」5. ビタミンB1の欠損で脚気がおきる 「 」6. オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼによりアセチルCoAが産生される 「 」7. コハク酸デヒドロゲナーゼはマトリックスに存在する 「 」8. スクシニルCoAシンテターゼの作用でCTPが産生する 「 」9. リンゴ酸デヒドロゲナーゼの標準ギブスエネルギーは負の値をとる 「 」10. クエン酸回路は嫌気状態でも進行可能である 「 」11. コハク酸やフマル酸はオンコメタボライトの一種である 「 」
理解の確認のために
