特論B 細胞の生物学第５回エネルギー代謝和田勝東京医科歯科大学教養部筋収縮による運動鞭毛による精子の運動精子の頭部を固定し、尾部の鞭毛運動を観察しているホタルの発光エネルギーの必要性筋収縮や鞭毛・繊毛による運動は、モータータンパク質の相互作用でおこり、エネルギーが必要である。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もエネルギーが必要である。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。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 酵素A ● 分子C 酵素B 酵素C ● ● ● ● ● 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。細胞内の代謝経路の全体像太線がこれから学ぶ部分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実際の姿は変幻自在である。クリステ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 ATP BO-リン酸 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）の運搬脱水素酵素 →還元酸化← ここに電子が２個ある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。 ● グルコースの酸化燃焼 ● C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+熱 ●生体内 C6H12O6+2NAD+ → 2ピルビン酸+2NADH+2H+ 2ピルビン酸+8NAD++2FAD+6H2O →6CO2 +8NADH+8H++2FADH2 10NADH+10H++2FADH2+6O2 →10NAD++2FAD+12H2O 生体内での酸化と燃焼消化により原料を（第一段階）タンパク質アミノ酸多糖類単糖類脂肪脂肪酸とグリセロール消化細胞へ吸収第二段階（解糖glycolysis）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・酸化的リン酸化から構成される。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 グルコースグルコース 6-リン酸 ATP フルクトース 1,6-ビスリン酸 ATP フルクトース 6-リン酸ジヒドロキシアセトンリン酸＋グリセルアルデヒド3-リン酸解糖（glycolysis）：2 グリセルアルデヒド3-リン酸 NAD++Pi 3-ホスホグリセリン酸 1,3-ビスホスホグリセリン酸 NADH＋H+ ADP ATP 2-ホスホグリセリン酸ピルビン酸ホスホエノールピルビン酸 ADP ATP 解糖全体解糖とNADH、ATP 解糖からTCA回路へ酸素が無いと左側へ進む酸素があると右側へ進める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。ピルビン酸から乳酸（乳酸発酵）、あるいはアセトアルデヒドを経てエタノール（アルコール発酵）が生成される過程でNAD＋が再生する。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分子生成オキザル酢酸リンゴ酸クエン酸イソクエン酸フマル酸コハク酸 αケトグルタル酸スクシニルCoA ４．FDH２が１分子生成 TCA回路と NADH、ATP 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）膜間腔内膜ａ1ｂ2ｃ12 基質 α3β3γ1δ1ε1 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）膜間腔内膜基質ａ1ｂ2ｃ12 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 ATP生成のキモ生体膜を挟んでプロトンの勾配を作る。この勾配を利用して、プロトンを特殊なタンパク質（ATPase）を通過させ、回転力を得る。この回転のエネルギーを利用して、アデノシン二リン酸にリン酸を付加する。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。それでは、グルコースはどのように作られるのだろうか。