特論 B細胞の生物学

特論 B細胞の生物学

和田　勝和田　勝

東京医科歯科大学教養部東京医科歯科大学教養部

第５回　エネルギー代謝第５回　エネルギー代謝

筋収縮による運動筋収縮による運動

鞭毛による精子の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

ホタルの発光ホタルの発光

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。

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。

エネルギーの必要性エネルギーの必要性

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。

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。

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。

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。

生体内での化学反応生体内での化学反応

異化（ catabolism）異化（ catabolism）同化（ anabolism）同化（ anabolism）

代謝（ metabolism）代謝（ metabolism）

異化：食物を分解し、材料とエネルギー　　を得る

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

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

代謝経路代謝経路

分子A分子A

分子 B分子 B 分子 C分子 C

酵素A酵素A

酵素 B酵素 B 酵素 C酵素 C

●　 　●　 　●　 　●　 　●　 　●　　　のように表すこともできる

●　 　●　 　●　 　●　 　●　 　●　　　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。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

細胞内の代謝経路の　全体像

太線がこれから学ぶ部分

太線がこれから学ぶ部分

お話の舞台お話の舞台

サイトゾールサイトゾール

ミトコドリアミトコドリア

ミトコンドリアミトコンドリア

外膜外膜

内膜内膜

クリステクリステ

クリステクリステ

基質基質

膜間腔膜間腔

実際の姿は変幻自在である。実際の姿は変幻自在である。

発エルゴン反応発エルゴン反応

（ｂ－ｃ）のエネルギーを発生（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（ａ－ｂ）の活性化エネルギーが必要

酵素はこの活性化エネルギーを小さくする

酵素はこの活性化エネルギーを小さくする

吸エルゴン反応吸エルゴン反応

（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。

（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。

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エネルギー供給分子

アデノシン三リン酸（ ATP ）アデノシン三リン酸（ ATP ）

ATP の役割ATP の役割ATP→ADP ＋ Pi ＋エネルギーATP→ADP ＋ Pi ＋エネルギー

BOH ＋ ATP→BO- リン酸＋ADPBOH ＋ ATP→BO- リン酸＋ADP

BOH 　　　 BO- リン酸BOH 　　　 BO- リン酸ATP 　　　 ADPATP 　　　 ADP

AH ＋ BO- リン酸→ AB ＋ PiAH ＋ BO- リン酸→ AB ＋ Pi

共役反応の例共役反応の例

ヌクレオチド伸長の場合

ヌクレオチド伸長の場合

電子（とプロトン）の運搬電子（とプロトン）の運搬ここに電子が２個あるここに電子が２個ある

→還元酸化←→還元酸化←

脱水素酵素脱水素酵素

その他の活性型運搬体分子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。

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、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。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エネルギー獲得のかたち●ふつうは燃焼＝急激な酸化反応●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。●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。

●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 。●その間をとりもっているのがATP 。

グルコースの酸化グルコースの酸化●燃焼●燃焼

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+ 熱C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+ 熱●生体内●生体内

C6H12O6+2NAD+ →　　 2 ピルビン酸+2NADH+2H+

C6H12O6+2NAD+ →　　 2 ピルビン酸+2NADH+2H+2 ピルビン酸 +8NAD+

+2FAD+6H2O →6CO2 +8NADH+8H++2FADH2

2 ピルビン酸 +8NAD+

+2FAD+6H2O →6CO2 +8NADH+8H++2FADH210NADH+10H++2FADH2+6O2

→10NAD++2FAD+12H2O

10NADH+10H++2FADH2+6O2

→10NAD++2FAD+12H2O

生体内での酸化と燃焼生体内での酸化と燃焼

消化により原料を（第一段階）消化により原料を（第一段階）

アミノ酸アミノ酸

単糖類単糖類

脂肪酸とグリセロール

脂肪酸とグリセロール

タンパク質タンパク質多糖類多糖類

脂肪脂肪

消化消化 吸収吸収

細胞へ細胞へ

第二段階（解糖 glycolysis ）第二段階（解糖 glycolysis ）

アミノ酸単糖脂肪酸

アミノ酸単糖脂肪酸

アセチル CoA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。

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 が生成このとき少量の ATP と NADH が生成

第三段階第三段階アセチル 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。

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。

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。

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それでは第二段階から順を追って

解糖（ glycolysis ）： 1解糖（ glycolysis ）： 1

グルコースグルコース

ATPATP

グルコース6- リン酸グルコース6- リン酸

フルクトース 6- リン酸フルクトース 6- リン酸

フルクトース 1,6- ビスリン酸

フルクトース 1,6- ビスリン酸

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

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

ATPATP

解糖（ glycolysis ）： 2解糖（ glycolysis ）： 2グリセルアルデヒド 3-リン酸

グリセルアルデヒド 3-リン酸NAD++PiNAD++Pi

1,3- ビスホスホグリセリン酸

1,3- ビスホスホグリセリン酸NADH ＋ H+NADH ＋ H+

3- ホスホグリセリン酸3- ホスホグリセリン酸

ADPADP ATPATP

2- ホスホグリセリン酸2- ホスホグリセリン酸

ホスホエノールピルビン酸ホスホエノールピルビン酸

ADPADP ATPATP

ピルビン酸ピルビン酸

解糖全体解糖全体

解糖と NADH 、 ATP解糖と NADH 、 ATP

解糖から TCA 回路へ解糖から TCA 回路へ

酸素があると右側へ進める

酸素があると右側へ進める

酸素が無いと左側へ進む

酸素が無いと左側へ進む

酸素が無い場合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。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。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。

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。

酸素が無い場合酸素が無い場合

NADH　↓↑NAD ＋

のリサイクル

NADH　↓↑NAD ＋

のリサイクル

酸素があると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

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TCA 回路１．二酸化炭素が　　２分子生成

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

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

３． NADH が３分子　　生成４． FDH ２が１分子　　生成

４． FDH ２が１分子　　生成

クエン酸

イソクエン酸

αケトグルタル酸

スクシニル CoA

コハク酸

フマル酸

リンゴ酸

オキザル酢酸

TCA 回路とNADH 、 ATPTCA 回路とNADH 、 ATP

ミトコンドリア内膜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。

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。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 ）ATP 合成酵素（ ATPsynthase ）

内膜内膜

基質基質

膜間腔膜間腔

α3β3γ1δ1ε1α3β3γ1δ1ε1

ａ 1 ｂ 2

ｃ 12

ａ 1 ｂ 2

ｃ 12

ａから ε は、いずれもポリペプチド鎖

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ATP 合成酵素は回転する

http://www.res.titech.ac.jp/~seibutu/main_.html

回転の可視化回転の可視化

ATP 合成酵素（ ATPsynthase ）ATP 合成酵素（ ATPsynthase ）

内膜内膜

基質基質

膜間腔膜間腔

α3β3γ1δ1ε1α3β3γ1δ1ε1

ａ 1 ｂ 2

ｃ 12

ａ 1 ｂ 2

ｃ 12

回転によって ATP が合成回転によって ATP が合成

ADP ＋ Pi → ATP　　　　　　↑　　　　回転の力

ADP ＋ Pi → ATP　　　　　　↑　　　　回転の力

回転によって ATP が合成回転によって ATP が合成

回転による ATP 合成のモデル回転による ATP 合成のモデル

電子伝達系と ATP 生成のまとめ電子伝達系と ATP 生成のまとめ

ATP 生成のキモATP 生成のキモ生体膜を挟んでプロトンの勾配を作る。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。

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。

　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。　それでは、グルコースはどのように作られるのだろうか。