細胞のエネルギー代謝

第3章 · 細胞のエネルギー代謝

酵素、光、呼吸

細胞は高度に秩序だった系であり、秩序の維持にはエネルギーが必要です。生物はすべて安定したエネルギー供給を必要とし、それを酵素が進める反応によって得ています。

左側では、葉緑体が光エネルギーを捉えてグルコースに蓄え、O₂ を放出します。右側では、ミトコンドリアがその O₂ を使ってグルコースを CO₂ と H₂O に分解し、放出されたエネルギーを、細胞が使う分子である ATP に蓄えます。

光合成は、この式を光のエネルギーで逆向きに進めます。物質は循環しますが、エネルギーは循環しません。エネルギーは光として入り、熱として出ていきます。

この章では、各段階を速くする酵素、ATP が仕事の代価を支払えるようにする共役、そして2つの経路である光合成と細胞呼吸を分解して見ていきます。

3.1 · 酵素

1種類の基質に合った形のポケット

酵素は、自分自身は消費されることなく1つの反応を速める触媒で、ほとんどの場合タンパク質です。

酵素が作用する分子を基質といいます。基質は活性部位に結合します。活性部位は、折りたたまれたタンパク質にあるくぼみで、アミノ酸の側鎖が並んでいます。反応が起こるには、基質の形と電荷が活性部位に適合していなければなりません。正に帯電した側鎖は基質の負に帯電した部分を引きつけ、無極性の部分は基質の無極性の部分を保持します。

そのため酵素は特異的です。図の青い分子は形が合わないので、そばを通り過ぎるだけで何も起こりません。

基質が結合すると、酵素はわずかに形を変えて基質を包み込みます。これが誘導適合です。酵素–基質複合体は切れるべき結合にひずみを与え、生成物が放出されて、酵素は変化しないまま次の基質を受け入れられるようになります。

活性部位の形はタンパク質の3次元の折りたたみで決まるので、折りたたみを変えるものは酵素のはたらきも変えます（3.2）。

3.1 · 壁を低くする

活性化エネルギー

エネルギーを放出する反応でも、まず山を越えなければなりません。その山の高さが活性化エネルギー E_a です。

図は反応の進行に沿った自由エネルギー G を表しています。酵素がないとき（黒）、E_a = 80 kJ/mol です。越えるのに十分なエネルギーをもつ分子は少なく、反応は遅くなります。酵素があるとき（赤）は E_a = 40 kJ/mol の経路ができ、はるかに多くの分子が越えられます。

これらの障壁では、体温で触媒された反応は約 5.5 × 10⁶ 倍速く進みます。

酵素が変えていないものは、反応物と生成物のエネルギーです。そのため ΔG は同じで、反応の進む向きも変わりません。酵素は、もともと起こる反応を速めるだけです。エネルギーを必要とする反応をひとりでに進ませることはできません。

3.2 · 温度と pH

酵素ごとに最適な条件がある

酵素は、最適温度と最適 pH で最も速くはたらきます。そこから離れると、速度は下がります。

温度。温度が上がると分子が速く動き、より頻繁に、より大きなエネルギーで衝突します。最適温度より低いと速度は上がり、多くの場合 10 °C ごとに約 2 倍になります。最適温度を超えると、熱がタンパク質の形を保つ水素結合やその他の弱い相互作用を切り、活性部位の形が失われて、速度は急激に下がります。これが変性です。図では最適温度は約 37 °C で、ヒトの酵素の典型的な値です。

Q₁₀。10 °C の間に速度が変化する倍率です。ある反応が 15 °C で 3.2 μmol/min、25 °C で 6.4 μmol/min の速度で進むとき：

pH。H⁺ の濃度は側鎖の電荷を変え、それによってタンパク質の折りたたみと活性部位の電荷が変わります。ペプシンは胃ではたらき（最適 pH 2）、トリプシンは小腸ではたらきます（最適 pH 8）。

変性は、元に戻る場合もあります。条件が戻ると形が戻り、活性も戻ります。

3.2 · 濃度と阻害剤

活性部位を占めるもの

基質が増えると、その時点で占有される活性部位が増えるので反応速度は上がります。ほぼすべての部位が使われると、速度は V_max（ここでは 10 μmol/min）で頭打ちになります。

この段階で反応を速くできるのは、酵素を増やすことだけです。基質が過剰なとき、反応速度は酵素濃度に比例します。生成物がたまると、正味の反応も遅くなります。

阻害剤は反応速度を下げます。

競争的阻害剤は基質に似た形をしていて、活性部位を奪います。[S] が高いと基質がほとんどの部位を獲得するので、青の曲線は 10 に向かって上がり続けます。非競争的阻害剤はアロステリック部位に結合し、酵素の形を変えて活性部位がはたらかないようにします。赤の曲線は、基質をいくら加えても 5 で頭打ちになります。

細胞はこのしくみを利用しています。代謝経路の最終産物が、その経路の最初の酵素をアロステリックに阻害することがよくあります（フィードバック阻害）。また、多くの酵素は、はたらく形をとるために補因子（Mg²⁺ などの金属イオン）や補酵素（多くはビタミン由来の有機分子）を必要とします。

3.3 · 細胞のエネルギー

ATP は、自然には進まない反応を進める

生命は秩序をもっていますが、秩序はひとりでには保たれません。生物は絶えずエネルギーを取り入れる必要があります。エネルギーは連続した経路で受け渡され、各段階で一部が熱として失われます。

これは熱力学第二法則に反しません。細胞は秩序が高まる一方で、熱や単純な分子（CO₂、H₂O）が放出されて周囲の乱雑さは増します。エネルギーの供給が止まると、秩序は失われ、生物は死にます。

ΔG < 0 の反応はエネルギーを放出し（発エルゴン反応）、自発的に進みます。ΔG > 0 の反応はエネルギーを必要とします（吸エルゴン反応）。細胞は、吸エルゴン反応を発エルゴン反応（たいていは ATP の加水分解）と共役させて進めます。

例。グルタミン酸とアンモニアからグルタミンをつくる反応：

この共役は化学的なものです。ATP が末端のリン酸をグルタミン酸に渡し、リン酸化されたグルタミン酸は不安定になって NH₃ と反応し、リン酸が外れます。この組み合わせは ΔG < 0 なので、反応は進みます。

3.4 · 明反応

光、電子伝達系、プロトン勾配

葉緑体のチラコイド膜で、光エネルギーが ATP と NADPH の化学エネルギーに変わる。

光の捕捉。光化学系 II と 光化学系 I のクロロフィルが光を吸収し、電子をより高いエネルギー準位に励起する。ほかの色素（クロロフィル b、カロテノイド）は別の波長を吸収してエネルギーを渡す。この分子の多様さが、植物が使える光の範囲を広げる。

電子伝達系。励起された電子は PS II を離れ、運搬体を通って PS I に移り、そこで再び励起され、さらに NADP⁺ に渡されて NADPH ができる。PS II は水を分解して電子を補う：2 H₂O → 4 H⁺ + 4 e⁻ + O₂。O₂ はここから生じる。

化学浸透。電子のエネルギーで H⁺ がチラコイド内腔に汲み込まれ、水の分解でもさらに増える。内腔は約 pH 5、ストロマは約 pH 8：内側の H⁺ は 1,000 倍多い。H⁺ は ATP 合成酵素を通ってしか外へ流れ出せない。その流れが回転子を回し、回転によってストロマ側で ADP と P_i から ATP ができる。

光合成は原核生物（シアノバクテリア）で最初に進化し、その O₂ が地球の大気を変えた。葉緑体はそのような細胞に由来する。

3.4 · カルビン回路

糖に固定された炭素

ストロマでは、明反応でできた ATP と NADPH がカルビン回路を動かし、CO₂ から糖をつくります。

固定。酵素ルビスコが CO₂ を炭素 5 個の受容体（RuBP）に結合させ、できた生成物は炭素 3 個の分子 2 つに分かれます。

還元。ATP と NADPH の電子により、それらは炭素 3 個の糖 G3P になります。

再生。G3P の大部分は、さらに ATP を使って組み替えられ、受容体に戻ります。これで回路は続けて回れます。残りは回路を出て、グルコースなどの分子になります。

数の収支。炭素は保存されるので、炭素 3 個の G3P を 1 つ取り出すには、回路は CO₂ を 3 個固定しなければなりません：

明反応とカルビン回路は互いに依存しています。回路は ADP と NADP⁺ を膜に返し、膜がそれを再び充電します。暗所では ATP と NADPH が尽きて、回路は止まります。中間体の名前は炭素の動きを追うためにここに載せたもので、試験では問われません。

3.5 · 解糖系とクエン酸回路

グルコースを分解する

細胞呼吸は、グルコースのエネルギーを段階的に取り出します。最初の段階では、炭素を CO₂ として取り除き、電子を運搬体に積み込みます。

解糖系は細胞質基質で、グルコースを炭素 3 個のピルビン酸 2 分子に分けます。ATP を 2 個使い、4 個つくるので、正味 2 ATP です。また、NAD⁺ 2 個を NADH にします。O₂ は必要ありません。

ピルビン酸の酸化。ピルビン酸はミトコンドリアのマトリックスに運ばれ、アセチル CoA に変換されます。このとき CO₂ が 1 つ放出され、NADH が 1 つできます。

クレブス回路はマトリックスで、アセチル基を酸化して 2 つの CO₂ にし、ATP、NADH、FADH₂ をつくります。グルコース 1 分子あたり 2 回転します。

グルコースの 6 個の炭素はすべて、全体の反応式にある 6 CO₂ として出ていきます。ここまでにつくられた ATP は 4 個だけで、エネルギーの大部分は、12 個の電子を積んだ運搬体にあります。

3.5 · 酸化的リン酸化

電子伝達系、勾配、ATP 合成酵素

NADH と FADH₂ は、ミトコンドリア内膜にある電子伝達系に電子を渡します。原核生物では、電子伝達系は細胞膜にあります。

電子は伝達体から伝達体へ渡され、渡るたびにより強く保持されます。放出されるエネルギーで、H⁺ がマトリックスから膜間腔へくみ出されます。最後に、O₂ が最終電子受容体として電子と H⁺ を受け取り、水になります。一部の原核生物は、硫酸イオンや硝酸イオンなど別の最終受容体を使います。

この勾配によって H⁺ が ATP 合成酵素を通って戻り、酵素が回転して ATP をつくります。これが化学浸透で、葉緑体と同じしくみです。内膜が折りたたまれたクリステは、多くの電子伝達系が収まる場所を与えます。

収量。NADH 1 分子あたり約 2.5 ATP、FADH₂ 1 分子あたり約 1.5 ATP：

これは、グルコースの 2870 kJ/mol のうち約 34% が ATP として保たれることを意味します（32 × 30.5 kJ/mol）。残りは熱になります。O₂ がないと、電子伝達系は詰まって止まります。

脱共役。H⁺ が ATP 合成酵素を通らずに膜を越えて漏れ戻ると、電子伝達は続きますが、勾配のエネルギーは熱として放出されます。褐色脂肪は、恒温動物の体を温めるために、これをあえて行います。

3.5 · 発酵

酸素なしでの ATP 合成

O₂ がなくても、NAD⁺ があれば、解糖系はグルコース1分子あたり 2 ATP をつくり続けられます。

解糖系は NAD⁺ を NADH に変えます。O₂ がなく電子伝達系が空にならないと、NADH はそこで電子を渡せず、細胞はまもなく NAD⁺ を使い果たします。発酵がそれを再生します。ピルビン酸（またはその生成物）が NADH の電子を受け取ります。

発酵そのものは ATP をつくりません。解糖系を続けさせるためのしくみです。O₂ があれば、同じグルコースから約 32 ATP が得られ、16 倍になります。発酵する細胞は、同じ ATP を得るために、はるかに速くグルコースを消費しなければなりません。

解糖系はほぼすべての生物にあり、O₂ も膜で包まれた細胞小器官も必要としません。大気中に O₂ が現れる前に、早くから進化した証拠です。