生物化学 講義 第17章、第18章 担当 中村崇裕(植物分子機能学研究分野) 平成25年度 講義予定 12/19(金、本日) 第17章前半 1/ 9 (金) 第17章後半 1/13 (火) 第18章前半 1/30 (金) 第18章後半 18. 電子伝達と酸化的リン酸化 休憩中の人の消費エネルギー:420kJ/h 100W(100V, 1A)の白熱電球のエネルギ ー消費より少し多いくらい。 人の消費エネルギーはほぼミトコンドリア で賄われる。 ミトコンドリアにおいて、電圧差0.2Vだが、 500A程度の電流が流れており(100W)、 1秒当り3x1021個のプロトンが流れる。こ れを用いて、ATPが作られる。 億 兆 京 垓 Chapter 18 Opener おく ちょう けい がい じょ 108 1012 1016 1020 1024 解糖系とクエン酸サイクルで生じ た還元力(NADH, FADH2) から、生体のエネルギー通貨 (ATP)を作る NADH, FADH2 生体膜の両側へのプロトン 勾配の形成 (電子伝達系) プロトンの流れを駆動力とした ATPの合成 (酸化的リン酸化) NADH, FADH2から、電子伝達系へ電子が 渡される。すなわち、これら物質が酸化され、 NAD+, FADとなる。 電子は、電子伝達系の4種の酵素複合体 上の酸化還元中心を通り、最終的にO2を H2Oに還元する。 この過程で、ミトコンドリアの内膜外にプロ トンがくみ出され、膜の内外にプロトン濃度 勾配が出来る。 この電気化学勾配の自由エネルギーを使 って、ADPとPiからATPを合成する。(この 過程で、エネルギー勾配は解消される) 解糖系とクエン酸サイクルで生じ た還元力(NADH, FADH2) から、生体のエネルギー通貨 (ATP)を作る NADH, FADH2 生体膜の両側へのプロトン 勾配の形成 (電子伝達系) プロトンの流れを駆動力とした ATPの合成 (酸化的リン酸化) 解糖系から電子伝達系でのエネルギー供給量 C6H1206(グルコース)+6O2 → 6CO2+6H20 解糖系 ピルビン酸 デヒドロゲナーゼ 複合体 +2H+ +2H+ クエン酸 サイクル +6H+ 2.5 ATP / 1 NADH 1.5 ATP / 1 FADH2 内訳 C6H1206+6H20 → 6CO2+24H++24e- (解糖系〜クエン酸回路) 6O2+24H++24e- → 12H20 解糖系から電子伝達系でのエネルギー供給量 解糖系 ピルビン酸 デヒドロゲナーゼ 複合体 クエン酸 サイクル +2H+ +2H+ +6H+ 2.5 ATP / 1 NADH 1.5 ATP / 1 FADH2 ミトコンドリア(mitochondria)語源:mito=糸、chondria=粒(ギリシャ語) 大きさや形は細胞の種類や代 謝状態により異なるが、ふつう は0.5 x 1.0 μmの回転楕円形。 真核生物には約2000個のミトコ ンドリアがあり、細胞体積の約 1/5を占める。 内膜と外膜に囲まれ、外膜は 滑らかだが、内膜には多数の 陥入がある。 原核微生物、動物細胞と植物細胞の比較 動物ミトコンドリアの電子顕微鏡写真。人工的に色を塗ってある。 外膜 内膜 クリステ マトリックス 膜間部 粗面小胞体(ミトコンドリアではない) Figure 18-2 part 1 ミトコンドリアの3次元イメージ: クリステは複雑な形をとる OM: 外膜 IM:内膜 C: クリステ △: 内膜とクリステをつなぐ管状部 Figure 18-3 ミトコンドリアの起源 太古の嫌気性 (原)真核細胞 初期の好気性 真核細胞 細胞 内膜 核 細胞膜 / 好気性原核細胞 Figure 12-4b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 真核細胞に 由来する膜 ミトコンドリア Figure 18-4 外膜 ポリンと呼ばれる蛋白質で孔が空いている(細菌の外膜と同様)。 10kDa以下の物質は自由に透過出来る 内膜 電子伝達系、ATP合成酵素、各種低分子化合物の輸送体 が存在。 ミトコンドリアマトリクス内外への物質輸送と濃度勾配形成。 自由に透過出来る物質は、O2,CO2, H2Oに限られる。 電子伝達と酸化的リン酸化によるATPの合成。 クリステ 内膜の貫入部分。プロトンの拡散を抑える構造。 クリステの量が多ければ、効率的に酸化的リン酸化が行われる。 マトリックス クエン酸サイクルを始めとした 多数の酵素、ヌクレオチド補因子、 無機イオン等を含むゲル。DNA, RNA, リボソーム等も持つ。 膜間部 ポリンの機能により、代謝 産物の濃度はサイトゾルと等価。 還元当量のミトコンドリアへの輸送 細胞質で生じたNADHはミトコンドリアの内膜を通過出来ないため、2つの仕組 みで膜内に輸送される。 リンゴ酸-アスパラギン酸シャトル (肝臓、心臓、腎臓など) 細胞質 ミトコンドリア内 オキサロ酢酸→リンゴ酸 (クエン酸回路の逆反応) により、電子をミトコンドリ アに送り込む (得られるATPは2)。 グリセロリン酸シャトル(筋肉など、肝臓、心臓、腎臓以外の臓器;昆虫の飛翔筋) ミトコンドリア内膜に結合した酵素のFAD/FADH2変換を利用して NADH由来の電子を電子伝達系に直接送り込む (得られるATPは1.5)。 http://www.fujita-hu.ac.jp/~biochem/mitoch.html ATP/ADPの輸送(マトリクスと細胞質の間) ATPはマトリクス側で合成される。それをサイトゾルに出して使うために、 内膜には輸送体が存在。膜電位Δψ(外側が正)で駆動 PDB 10KC ATP/ADP交換輸送体(ADP/ATP tranlocator) 30 kDaの二量体? その他、リン酸輸送体(ΔpH(プロトン駆動 力)で駆動)がサイトゾルのPiをミトコンドリ アに輸送。 Figure 18-6 Fig. 1. Dependency of the transport mode on the interaction energies of the salt bridge networks. http://www.mrc-mbu.cam.ac.uk/research/mitochondrial-carriers/transport-mechanism その他、リン酸輸送体がサイトゾルのPiをミトコンドリアに輸送。 ΔpH(プロトン駆動力)で駆動。 膜電位Δψ 外側がプラス ΔpH (プロトン駆動力;マトリックスがpH7.5、膜間 部はpH7.0) クリステ まとめ ミトコンドリアの構造は? 電子伝達系はスリステ 膜間部 還元当量、ADP、Piをミトコンドリアに運び込む輸送システムは? 還元当量 ・細胞質で生じたNADHはミトコンドリアの内膜を通過出来ない。 リンゴ酸-アスパラギン酸シャトル グリセロリン酸シャトル ADP ・ADP/ATP translocator (ATP/ADP交換輸送体), 膜電位Δψ Pi ・リン酸輸送体, ΔpH 18. 電子伝達系 ・ NADHの酸化により、電子を取り出す反応 ½ O2 + NADH + H+ ⇄ H2O + NAD+ ΔG0’= −218 kJ/mol ・ ATPの合成 ADP + Pi → ATP の反応 ΔG0’= 30.5 kJ/mol 従って、1分子のNADHの酸化で、数分子のATPの合成が可能。 実際には、電子伝達系中の3つの蛋白質複合体のそれぞれに 依存してATPが合成される(約2.5分子)。 エネルギー効率は 30.5 × 2.5 x 100/218 = 0.35 (35%) (活発なミトコンドリアでは熱力学的効率は約70%に達すると考えられている。 通常のガソリンエンジン等は、30%程度) 電子伝達系: NADHとFADH2の酸化 還元電位の低い方から高い方へ(電子親和力の 順に)、電子が流れる。 NADH: E0' = −0.32 V FADH2: E0' = −0.22 V CoQ: E0' = +0.10 V シトクロムc: E0' = +0.25 V 最終電子受容体 (酸素): E0' = +0.82 V 複合体1と2から補酵素Qを介 して電子を複合体3へ。 Figure 18-7 注:ATP合成に十分なエネルギー量を示すだけで、電子伝 達系でATPが合成される訳ではない。 電子伝達系: NADHとFADH2の酸化 複合体1と2: 補酵素Qを介して電子を 複合体3へ。 NADH + CoQ(酸化型) →NAD+ + CoQ(還元型) 複合体3: シトクロムCによる還元型 CoQの酸化を触媒 CoQ(還元型)+ 2シトクロムc(酸化型) →CoQ(酸化型)+ 2シトクロムc(還元型) 複合体4: 最終的な電子受容体O2に よる還元型シトクロムcの酸化を触媒 2シトクロムc(還元型) + 1/2O2 →2シトクロムc(酸化型) + H20 Figure 18-7 電子伝達系: NADHとFADH2の酸化 コエンザイムQ(ユビキノン、コエンザイ ムQ10、ビタミンQ) ほ乳類ではR部分が10個のイソプレン からなるので、Q10と呼ぶ。他の生 物では、Q6、Q8もあり。 Figure 18-7 電子伝達系: NADHとFADH2の酸化 電子伝達系の阻害剤、など ロテノン(植物由来の毒、殺虫剤など) アミタール(催眠鎮静剤) アンチマイシンA(抗生物質) シアン化物(毒、青酸カリなど) Figure 18-7 電子伝達系の 複合体I, III, IV 複合体I : NADHデヒドロゲナーゼやNADH-CoQレダクターゼとも呼ばれる。 複合体IはNADHの2つの水素と電子をCoQに渡す。 NADH + H+ + CoQ → NAD+ + CoQH2 ΔGo' = -69.5 kJ/mol 複合体III: シトクロムbc1複合体やCoQ-シトクロムcレダクターゼとも呼ばれる。 複合体Ⅲは還元型CoQからシトクロムcへの電子の受け渡しをする。 CoQH2 + 2 cyt c(ox) → CoQ + 2 cyt c(red) + 2H+ ΔGo'= -36.7 kJ/mol 複合体IV:シトクロムcオキシダーゼ シトクロムcから複合体IVに渡された電子は,電子伝達系の最終受容 体である酸素(O2)に渡され,水が生じる。 2 cyt c(red) + ½O2 + 4H+ → 2 cyt c(ox) + H2O ΔGo'= -112 kJ/mol 複合体I : NADHデヒドロゲナーゼやNADH-CoQレダクターゼとも呼ばれる。 NADHからCoQに2つの水素と電子を渡す。 ほ乳類では46個のサブユニットで構成 (900 kDa) Complex I in E. coli Efremov & Sazanov, Nature (2011) Figure 18-9 (ヴォート第3版では2006までカバー) クライオ電子顕微鏡像に基づく立体構造 電子伝達系の複合体と補酵素 複合体I NADH-補酵素Qレダクターゼ およそ900kDa 43個のサブユニットからなる 補酵素:フラビンモノヌクレオチド(FMN)、1個 鉄硫黄クラスター(2Fe-2S or 4Fe-4S)、8〜9個 複合体I :NADH-補酵素Qレダクターゼ 補酵素:フラビンモノヌクレオチド(FMN)、1個 鉄硫黄クラスター(2Fe-2S or 4Fe-4S)、8〜9個 FMN: FADからAMP部分がとれ た形。 ビタミンB2から合成。 セミキノン型が安定なので、1または 2電子いずれの受容体、供与体に なれる。 FAD:ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体 (ピルビン酸→アセチルCoA)の補酵素 Figure 18-10 複合体I :NADH-補酵素Qレダクターゼ 補酵素:フラビンモノヌクレオチド(FMN)、1個 鉄硫黄クラスター(2Fe-2S or 4Fe-4S)、8〜9個 ・ 1電子の酸化還元を行う一電子キャリア。 ・ 4個のCysのSH基が配位。 ・ フェレドキシン、ヒドロゲナーゼ、補酵素Qシトクロムcレダクターゼ、コハク 酸デヒドロゲナーゼ、ニトロゲナーゼなど多くの金属タンパク質で見られる。 Page 605 複合体I親水性部分の構造と鉄硫黄中心 NADH結合部位? Figure 18-11 NADHからCoQへの電子伝達はおそ らく各酸化還元中心(Fe-Fsクラスター )の還元電位に従って段階的に起きる。 1分子のNADHの酸化:4個のプロト ンの膜を介した移動がある。 酸化還元状態により、構造が変化し、 その変化に伴ってプロトンが取り込ま れたり放出されることで、複合体1はプ ロトンポンプとして働くと考えられて いる。(電子伝達とプロトン移動の直 接の関係はまだわかっていない) プロトンの移動:輸送ではなく、水素 結合間をジャンプしてプラス電荷が移動 複合体I親水性部分の構造と鉄硫黄中心 NADH結合部位? Figure 18-11 酸化還元状態により、構造が変化し 、その変化に伴ってプロトンが取り込 まれたり放出されることで、複合体1 はプロトンポンプとして働くと考えられ ている。(電子伝達とプロトン移動の 直接の関係はまだわかっていない) プロトンの移動:輸送ではなく、水素 結合間をジャンプしてプラス電荷が 移動。 おそらく複合体Iは1電子対がNADHか らCoQに渡されるごとに4プロトンが 膜を通ってくみ出されるようなプロト ンワイヤ(プロトンの導線)を持ってい ると考えられる。 バクテリオロドプシン:光依存性プロトンポンプ(プロトンワイヤのモデル) a. Lys216にレチナールがシッフ塩基で結合。 b. 光によるレチナールの構造変化、シッフ塩基の脱離 ①. Asp85のpK(酸解離指数)が上昇し、シッフ塩基 のプロトンを受け取る。 ② 受け取ったプロトンをArg82、Glu194、Glu204と数 個の水分子からなる水素結合ネットワーク(プロト ンワイヤ)を介して、細胞外に放出 ③ Asp96の脱プロトン化とLys216シッフ塩基の再プロ トン化 ④ Asp96の細胞質からの再プロトン化 ⑤ Asp85の脱プロトンとプロトン放出部位の 再プロトン化 シッフ塩基:RCH→NR′のような構造をもつ化合物の総称。主にア ルデヒドRCHOと第一級アミンR′NH2との縮合反応により生じる. 複合体Iでのプロトン移動 Complex I in E. coli., Efremov & Sazanov, Nature (2011) 複合体II コハク酸-補酵素Qオキシドレダクターゼ クエン酸デヒドロゲナーゼを含む(クエン酸回路) コハク酸からCoQに電子を渡す 酸化還元基はFAD、[4e-4S]クラスター、 [3e-3S]クラスター、[2e-2S]クラスター、 シトクロムb-560、それぞれ一個。 Figure 18-7 複合体II コハク酸-補酵素Qオキシドレダクターゼ クエン酸デヒドロゲナーゼを含む(クエン酸回路) コハク酸からCoQに電子を渡す 酸化還元基はFAD、[4e-4S]クラスター、 [3e-3S]クラスター、[2e-2S]クラスター、 シトクロムb-560、それぞれ一個。 大腸菌複合体はキノコ型360kDa (ホモ3量体) 親水性サブユニット:SdhA, B 疎水性サブユニット:SdhC, D 基質からユビキノン結合部位間を FAD〜UQの酸化還元中心がつなぐ。 シトクロムb:電子伝達系の電子的性質を 微調整し、副反応で生じるH2O2などの 活性酸素種の発生を防いでいるらしい。 Figure 18-7 複合体III 補酵素Q-シトクロムcオキシドレダクターゼ(またはシトクロムbc1) 還元型CoQからシトクロムcに電子を渡す。 酸化還元基は2個のb型シトクロム、 1個のシトクロムc、1個の[2Fe-2S] クラスター。 Figure 18-7 複合体III 補酵素Q-シトクロムcオキシドレダクターゼ(またはシトクロムbc1) 還元型CoQからシトクロムcに電子を渡す。 酸化還元基は2個のb型シトクロム、 1個のシトクロムc、1個の[2Fe-2S] クラスター。 2Fe-2S クラスター 鉄に配位するのが システインの側鎖だけでなく ヒスチジンの側鎖。 発見者にちなみ、リスケ中心 とも呼ばれる。 9個のサブユニットからなる2量体 図、酵母の複合体 シトクロムb 緑(膜貫通ヘリックス8) シトクロムc1 紫(膜貫通ヘリックス1) 鉄硫黄タンパク質 赤紫(膜貫通ヘリックス1) シトクロムc 赤 Figure 18-7 複合体III 補酵素Q-シトクロムcオキシドレダクターゼ(またはシトクロムbc1) Qサイクルによる電子の汲み出し。 全体 CoQH2 + 2シトクロムc1(Fe3+) + 2H+ (マトリクス) → CoQ + 2シトクロムc1(Fe2+) + 4H+ (膜間部) サイクル1 CoQH2 + シトクロムc1(Fe3+) → CoQ・- + シトクロムc1(Fe2+) + 2H+ (膜間部) サイクル2 CoQH2 + CoQ・- + シトクロムc1(Fe3+) + 2H+ (マトリクス) → CoQ + CoQH2 + シトクロムc1(Fe2+) + 2H+ (膜間部) (CoQ・- : セミキノン中間体) Qサイクル サイクル1 CoQH2 + シトクロムc1(Fe3+) → CoQ・- + シトクロムc1(Fe2+) + 2H+ (膜間部) 1&2. CoQH2がQ0に結合。 3. [2Fe-2S]タンパク質(ISP)に電子1個を渡し、2H+を膜間部に放出して、セミキノン型CoQ・-中 間体になる。 4. ISP(+電子)がシトクロムC1を還元し、CoQ・-の残りの1電子をbLに渡す(完全酸化されたCoQ)。 6. ヘムbLがヘムbHを還元する。 5. ステップ4で生じたCoQがQoからQ1に移動する。 7. ヘムbHから電子を受け取り、セミキノン型CoQ・-に戻る。 Qo Qi Qo, CoQH2と結合 Qi, CoQH2、CoQ・-と結合 Figure 18-15 Qサイクル サイクル2 CoQH2 + CoQ・- + シトクロムc1(Fe3+) + 2H+ (マトリクス) → CoQ + CoQH2 + シトクロムc1(Fe2+) + 2H+ (膜間部) - 複合体1で生じる新しいCoQH2が1〜6のステップを繰り返す。 1個の電子が[2Fe-2S]タンパク質(ISP)を経て、シトクロムc1を還元、2H+を膜間部に放出。 8. もう一個の電子がヘムbL、ヘムbHを経て、サイクル1で生じるCoQ・-をCoQH2に還元。 (最終ステップで使われるプロトン(2H+)はマトリックス由来) Qo Qi Qo, CoQH2と結合 Qi, CoQH2、CoQ・-と結合 Figure 18-15 Qサイクル 全体 CoQH2 + 2シトクロムc1(Fe3+) + 2H+ (マトリクス) → CoQ + 2シトクロムc1(Fe2+) + 4H+ (膜間部) Qo:阻害剤、スチグマテリンが結合 Qi :阻害剤、アンチマイシンAが結合 Qo Qi Qo, CoQH2と結合 Qi, CoQH2、CoQ・-と結合 Figure 18-15 Qサイクル 全体 CoQH2 + 2シトクロムc1(Fe3+) + 2H+ (マトリクス) → CoQ + 2シトクロムc1(Fe2+) + 4H+ (膜間部) Qo:阻害剤、スチグマテリンが結合 Qi :阻害剤、アンチマイシンAが結合 Qo Antimycin A� Qi CoQ� Qo, CoQH2と結合 Qi, CoQH2、CoQ・-と結合 Figure 18-15 シトクロムc: 可溶性電子キャリア 分子量1万2千程度の可溶性ヘム蛋白質 ヘム色素により、赤色を示す。 ミトコンドリアンの酸化還元に関与 Lys残基が重要 複合体IV シトクロムcオキシダーゼ 還元型シロクロムc分子の一電子酸化を4連続して行い、 同時にO2の4電子還元を行う。 4シトクロムC(Fe2+) + 4H+ + O2 → 4シトクロムC(Fe3+) + 2H2O Figure 18-7 複合体IV(シトクロムc酸化酵素) 4シトクロムC(Fe2+) + 4H+ + O2 → 4シトクロムC(Fe3+) + 2H2O 哺乳動物の酵素:410 kDa, 13サブユニットからなるプロトマーのホモ2量体 28本のαへリックスからなる膜貫通領域を持つ 3個の大きな疎水性膜貫通サブユニット:ミトコンドリアゲノムにコードされる。それ以外は核コード。 酸化還元中心:シトクロムa, シトクロムa3, CuB, CuA中心 シトクロムc 中心 赤丸:ヘム 青丸:Cu Figure 18-17 電子は複合体IVの酸化還元中心の間に ある水素結合ネットワークを介して流れる と考えられている。 複合体IV全体では 4シトクロムC(Fe2+) + 4H+ + O2→ 4シトクロムC(Fe3+) + 2H2O 従って、酸素に電子を渡すシトクロムa3-CuB二錯体上で起きるべき反応は、 4e- + O2 + 4H+ → 2H2O しかし、シトクロムa3-CuB二錯体中のFeとCuは、 完全還元型Fe(II)-Cu(I)から完全酸化型Fe(IV)-Cu(II)に変化しても、 3個の電子しか渡せない。 もう一個の電子は? Tyr244が,TyrO・(チロシルラジ カル)となることにより供給される と考えられている。 シトクロムcオキシダーゼによるO2の四電子還元 1&2. シトクロムcからシトクロムaとCuAを経た一電 子移動が2回連続し、酸化型二核錯体 [Fe-(III)a3-OH-Cu(II)B] ↓(還元) [Fe-(II)a3-OH-Cu(I)B] 同時にマトリックスのH+を獲得、H2Oを放出。 Tyr244(Y-OH)はフェノール状態。 3. O2が還元型Fe-(II)a3に配位する。 4. 内部の電子再配置でオキシフェリル錯体 [Fe-(IV)=O2-HO-Cu(II)B]を生じる。 Tyr244は二核錯体に電子とH+を与え 中性ラジカル(Y-O・)になる。 5. Tyr244ラジカルがシトクロムcからの3番目 の一電子供与を受け、同時に2H+を獲得 してフェノール状態に戻り、フェリル状態の 化合物Fを生じてH2Oを放出。 6. 4番目の電子移動とH+の獲得で酸化型二核錯体 [Fe-(III)a3-OH-Cu(II)B]を生じて触媒サイクルが 完了。 複合体IV(シトクロムc酸化酵素)におけるプロトンの動態 4e- + O2 + 4H+ → 2H2O の反応に使われる4個のH+ (スカラープロトン, 化学プロトン) マトリクスから膜間部に輸送される4個のH+(ベクトリアルプロトン, 汲み出されるプロトン) ↓ 1分子のO2還元ごとにマトリックスでは8個の 正電子が失われ、膜電位の形成に寄与する。 8H+ (マトリックス) + O2 +4シトクロムc(Fe2+) → 4シトクロムc(Fe3+) + 2H2O + 4H+ (膜間部) 「ATP合成のためのプロトン勾配の形成」 シトクロムc酸化酵素の2個のプロトン輸送チャネル Kチャネル:膜間部まで達しないので、 スカラープロトン供給用? D-チャネル:出口チャネルにつながるので、 ベクトリアルプロトン用? Chang et al., PNAS, (2009) まとめ ・ NADHからO2への電子伝達で、ATP2.5分子をつくる自由エネルギーが得られる。 マトリックスから膜間部へのH+の汲み出し ・ 複合体I〜IVの流れと、それぞれの役割は? 複合体I : NADHデヒドロゲナーゼやNADH-CoQ レダクターゼとも呼ばれる。複合体IはNADH の2つの水素と電子をCoQに渡す(プロトンワイ ヤ)。 複合体2:コハク酸-補酵素Qオキシドレダクターゼ 。コハク酸からCoQに電子を渡す 複合体III: シトクロムbc1複合体やCoQ-シトクロム cレダクターゼとも呼ばれる。複合体Ⅲは還元 型CoQからシトクロムcへの電子の受け渡し をする(Qサイクル)。 複合体IV:シトクロムcオキシダーゼ。シトクロムc から複合体IVに渡された電子は,電子伝達 系の最終受容体である酸素(O2)に渡され, 水が生じる(O2の電子還元)。 生物化学 講義 第17章、第18章 担当 中村崇裕(植物分子機能学研究分野) 平成25年度 講義予定 12/19(金、本日) 第17章前半 1/ 9 (金) 第17章後半 1/13 (火) 第18章前半 1/30 (金) 第18章後半
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