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第3節 好気呼吸

 

◆好気呼吸

酵母は,無酸素下でも生存可能である。これは,解糖によるATP生成で生命を維持していくことができるからである。しかし,増殖はできない。これは多くのATPを必要とするためで,そのためには呼吸をしなければならない。この過程は,複雑である。結果としては光合成の逆反応で,糖が二酸化炭素と水に分解され,その間に多量のATPがつくられる。多量のATPをつくることが好気呼吸の意義である。

ウィーラントとワールブルクの論争 細胞呼吸のしくみをめぐって,1910年代から30年代にかけて大論争が起こった。

ドイツの生化学者ウィーラント(Heinrich Wieland18771957)は,脱水素酵素の作用で基質から水素が奪われることが呼吸の重要過程であると述べた(1912)

これに対して,同じドイツの生化学者ワールブルクは,鉄を含む酸化酵素が,酸素を用いて基質を酸化することが大切だと主張した(1921)

両者が激しく論争している間に,イギリスの生物学者ケイリン(David Keilin18871963)がシトクロムとよぶ一群の呼吸色素を発見した(1926)。基質から奪われた水素はシトクロム系を経て酸化酵素に渡され,水になるという考えで,いわばウィーラントとワールブルクの橋渡しをしたわけである。しかし,決着がつかず,日本の柴田桂太・田宮博(東大)らも論争に加わり,1930年代の終わりまで続いた。

 

◆ミトコンドリア

ミトコンドリアの働きは,ATPを生成することである。若い細胞や活動性の細胞には多くのミトコンドリアが見られるように,ミトコンドリアの数は細胞の物質代謝の活性と関連している。たとえば,腰筋に含まれるミトコンドリアの数は,心筋に比べて1/500しかない。

 

A 好気呼吸のしくみ

◆クエン酸回路

細胞呼吸で,グルコースなどの呼吸基質が完全に酸化分解されて,二酸化炭素と水とに分解される過程は,大別すると解糖系(嫌気呼吸),クエン酸回路と電子伝達系(好気呼吸)3つの経路に分けることができる。

クエン酸回路は,解糖系に続く好気呼吸の主要な反応経路で,細胞のミトコンドリアでなされる。1937年,イギリスのクレブス(Krebs)によって明確にされた化学反応の循環経路で,クレブス回路,またはTCAサイクル(tricarboxylic acid cycle)ともよばれる。

1.反応過程 グルコース1分子から解糖系で生じたピルビン酸2分子は,アセチルCoA(活性酢酸;補酵素ASH基とアセチル基がチオエステル結合したもので,CoA-S-COCH3で示される)を経て,オキサロ酢酸と反応してクエン酸となる。このクエン酸が図のような循環過程を経て,またもとのオキサロ酢酸となる。この間に,デヒドロゲナーゼによる脱水素の反応や,カルボキシラーゼによる脱炭酸の反応が行われる。この経路中で,2分子のピルビン酸は,6分子のH2Oを使って,6分子のCO220個の[H]となり,この間(ケトグルタル酸からコハク酸になる過程)2分子のATPが生成される。この20[H]は,解糖系で生じた4[H]とともに,補酵素と結合した形(NADHNADPHFADH2)で次に述べる電子伝達系にはいり,やがて酸素と化合して12分子のH2Oとなる。このクエン酸回路は,生体内の代謝を円滑に行うための便利なしくみであって,回路中の物質は一時的に変化しても,再びもとの物質にもどるが,代謝物質は連続的に変化していく。授業ではこのことを中心にして,個々の物質の名称にこだわらず,炭素数の変化に注目させて指導するとよい。

2.クエン酸回路発見のいきさつ 1937年に発表された3つの研究でその原型が確立した。

(1) セント=ジェルジのC4-ジカルボン酸触媒説

ハンガリーの生化学者セント=ジェルジ(Albert Szent-Györgyi 18931986)は,ハトの胸筋の呼吸が,わずかの量の炭素4個をもつ酸(コハク酸など)を加えることで高い速度が維持されることを見いだした。彼は,これらC4-ジカルボン酸が呼吸系で水素をうけ渡す触媒作用を営むものと考え,次の順序を考えた。

グルコース→ピルビン酸→コハク酸→フマル酸→リンゴ酸→オキサロ酢酸→O2

(2) マルチウス,クヌープのクエン酸代謝経路

ドイツの生化学者マルチウス(Carl Martius1906-1995)とクヌープ(Franz Knoop 18751946)は,クエン酸の代謝系を明らかにした(1937)

クエン酸→シスアコニット酸→イソクエン酸→オキサロコハク酸

また,オキサロコハク酸→α-ケトグルタル酸→コハク酸という経路は,すでにわかっていた。そこで,クエン酸からコハク酸までの道筋が明らかになった。

(3)クレブス回路

イギリスの生化学者クレブス(Hans Krebs 1900-1981)は,(1)(2)の経路をみて,もし,セント=ジェルジ経路の終わりのオキサロ酢酸とピルビン酸とからクエン酸ができれば,呼吸系は回路をなすと考えた。そこで,クエン酸の触媒作用を示した後,ピルビン酸とオキサロ酢酸とからクエン酸が生成されることを実証し,回路は完成された。

 

 

◆電子伝達系

フラビン・シトクロム系ともいう。ミトコンドリアでのクエン酸回路を1まわりすると,ピルビン酸から始まって,結局,二酸化炭素と水に分解されてしまう。

CH3COOH2(1/2O2)3CO22H2O

何のために複雑な経路を通って反応が行われるかというと,それは,水素原子がミトコンドリアのクリステにある電子伝達系に渡されるのを可能とするためである。

解糖系およびクエン酸回路で脱水素酵素によって離脱された水素(NADHHの形)は,電子伝達系を通っている間にエネルギーが捕捉される。これは,川の水がダムを通らずに海へ放流されれば,そのエネルギーは捕捉されないで流されてしまうが,もしダムがあって水力発電がなされれば,このエネルギーは有効に使われるのと同じである。細胞の中にあるダムは,補酵素T(NAD)・補酵素II(NADP)・フラビン酵素(フラビンアデニンジヌクレオチド,略してFAD)・シトクロム(abc)・シトクロム酸化酵素などの酸化還元酵素群がそれに相当し,水力のかわりに,ATPが利用できるエネルギーとして生成される。転送されるH原子は,実際には,プロトン(H)と電子(e)とに分かれ,その電子だけが送られていく。その際,ATPは次の図のように3段階に分けて生成される。Hは受動的に運ばれる。

この電子伝達系でATPが生成されるしくみは,化学浸透圧説で説明されている。2[H]につき3ATP(途中のFADH2からだと2ATP)がつくられる。

 

 

ATPがこの箇所で生じることを示すものではない。この箇所でのエネルギー差がATPを生じるのに十分であることを示す。次図についても同様である。

 

 

ATPの生成

グルコースの酸化分解の過程を簡単にまとめると,次のように示される。

 解糖系    C6H12O6    → 2C3H4O34[H]2ATP……(1)

 クエン酸回路 2C3H 4O36H2O → 6CO2 20[H]2ATP……(2)

 電子伝達系  24[H]6O2  →  12H2O34ATP……(3)

(1)(2)(3) C6H12O66O26H2O 6CO212H2O38ATP(+熱エネルギー)

グルコース1分子から解糖系およびクエン酸回路で生じた24[H]は,最後に酸素と化合して水となり,このとき34分子のATPを生じる。

 

 

なお,クエン酸回路で,脱水素と関係なしに2分子のATPを生じるので,クエン酸回路と電子伝達系で計36分子のATPを生じることになる。

解糖系で,別に2分子のATPが生じているので,結局好気呼吸によって生じるATPは,グルコース1分子につき38分子に達する。

グルコース1分子あたりのATP生成数

 

解糖系

2ATP

2

 

 

 

1NADH (×2)

6

 

 

ピルビン酸→アセチルC0A

1NADH (×2)

6

 

 

クエン酸回路 (1GTP+1FADH+3NADH)×2

24

 

 

 

 

合計38

 

 

 

グルコース1モル(180g)を完全に燃焼させ,発生する熱量を測定すると,約2822kJになる。この値を熱力学的に計算すると約2881kJになる。ATP lモルのもつエネルギーは約33kJである。好気呼吸全体で,グルコース1モルから38モルのATPが生成するので,グルコース1モルのもつ化学エネルギーの2881kJのうち,33kJ×381254kJATPに移行し,残りは熱エネルギーとして失われる。したがって,有効なエネルギーとして捕捉されるのは,約1254×100/288143.5〔%〕の効率となる。ガソリンを燃焼させて自動車を走らせる場合,使われるエネルギーの効率は約30%であることと比べると,生体内のエネルギー効率は非常に高いことがわかる。

 

◆化学浸透圧説

ATPがリン酸とADPとから,ミトコンドリアの電子伝達系でどのようにしてつくられるかは大きな問題であったが,1961年イギリスのピーター・ミッチェル(Peter Mitchell1920-1993)は,化学浸透圧説を提案した。ミトコンドリアのクリステに並んでいる電子伝達系の働きによって,プロトン(H)がマトリックスから内膜をへて外膜との間のスペースに放出される。そのHがクリステからマトリックスに流入するさいにATPがつくられるという説である。エネルギーは,水素イオンの濃度差である。

 

化学浸透圧説の原理 電子伝達系はHポンプであると提案されている。すなわち,電子伝達によって遊離されるエネルギーは,Hをマトリックスから外側に移動するのに使われ,外側が高濃度となるようなHの濃度勾配が生じる。次に外側のHF1ATPアーゼを介して濃度勾配の下がったマトリックスへ流れ戻り,Hが低濃度域に入ってくる際に遊離する自由エネルギーを消費してATPを生成する。

 

化学浸透圧説の原理

 

 

ATP合成酵素のしくみ

1997年度ノーベル化学賞がアメリカのポール・ボイヤー,イギリスのジョン・ウォーカー,デンマークのクリスチャン・スコウに贈られた。ボイヤーとウォーカーはミトコンドリア・クリステのATP合成酵素,スコウはNaK-ATPアーゼについて研究した。

ATP合成酵素(F1)は主としてα,β,γサブユニットからなり,α3個β3個からできている頭部をγ1個が柄として支えている。γサブユニットはクリステ膜に埋め込まれたリング(F0)の中央に結合している。ボイヤーはADPと無機リン酸がβサブユニットに結合し,F0リングが水素イオンの流れによって回転するにつれて,γサブユニットの柄も廻ってβサブユニットに構造変化が生じ,その際ATPが合成すると考えた。ウォーカーは各サブユニットの立体構造を明らかにして,ボイヤー説を裏づけた。東京工大(吉田賢右)と慶応大学(木下一彦)のグループは蛍光色素をつけたアクチンフィラメントをγサブユニットにつけて,それがATP合成中に左廻りに回転することを実証した(1997)

こうして水素イオン濃度差のエネルギーが回転の機械エネルギーに変換され,それがタンパク質の構造を変化させてATPの高エネルギーリン酸結合の化学エネルギーに変えられることが示された。

 

B 嫌気呼吸と好気呼吸の比較

 

C 呼吸基質と呼吸商

◆呼吸商(RQ)

呼吸によって排出されるCO2と,とりこまれるO2の比,すなわちCO2/O2を呼吸商(Respiratory Quotient)という。グルコースが呼吸基質の場合は,6モルのO2を吸収して6モルのCO2を排出するので,RQ1である。単糖以外が呼吸基質になると,それらの物質が呼吸の経路に入るまでに,予備的な変化があるので,RQの値は変化する。例えば,トウゴマの種子(脂肪種子)の発芽の場合,呼吸と無関係な酸素の吸収が先行するのでRQ1となる。ヒマシ油が酸化された場合の反応式は,

2C57Hl04O9157O2114CO2104H2O   RQ0.73

であるが,脂肪が糖に変化するときにはO2が吸収されてもCO2が出ないので,RQ0である。トウゴマのような脂肪種子は,発芽のはじめはRQ0.9ぐらいからスタートして,5日ぐらいで最低のRQ0.73となる。

また,グルコースが有機酸になるだけで,CO2を出さなければRQ1になるが,この酸がさらに呼吸基質になればRQ1となる。

葉は一般に夜は有機酸を蓄積し,光が当たるとこれを消費するが,この傾向は多肉植物で著しい。例えば,サボテン・セイロンベンケイなどは夜にリンゴ酸を作り,マツバギク・タバコなどはシュウ酸を作る。糖からシュウ酸ができる反応は,

2C6H12O69O26C2H2O46H2O   RQ0

となるが,これがさらに呼吸基質になれば,次のような反応式で,RQ4となる。

2C2H2O4O24CO22H2O     RQ4

 

 

呼吸の研究史

 呼吸は空気中の有効成分を取りこむためにするという説は17世紀の後半にイギリスのボイルやフックによって証明された(16601682)。彼らは密閉した容器内に小動物を閉じこめて次のような実験結果を得た。@空気を消費しつくすと動物は死ぬ。A圧縮した空気はふつうの空気より動物を長時間生存させる。B物の燃焼と生物の生存とは平行的な現象である。フランスのラボアジエはBを化学的にはっきりさせ,燃焼も呼吸も空気中の酸素を消費し固体空気(二酸化炭素)を生成すると述べた。

血液がガス交換を行っていることは1837年にドイツのマグヌスが示し,その後ホッペ=ザイラーが酸素は赤血球中のヘモグロビンと結合することを実証した。ドイツの生理学者プリューガーは組織が呼吸を行うことを示した(18721879)1879年にはフランスのベルナールが「動植物に共通する生命現象」として酸素が組織にとり入れられて二酸化炭素になる過程があり,呼吸と発酵は本質的には同一であると述べた。

 細胞呼吸のしくみは,生化学の発展によって解明されるようになった。1912年にドイツのラィーラントが生体呼吸は呼吸基質から水素が奪われることが重要であるとする水素活性説を述べた。スウェーデンのツンベルクがざまざまな脱水素酵素を発見してウィーラント説を支持した(1920)。ドイツのワールブルクはこれに反論し細胞内にある鉄が酸素によって活性化され細胞呼吸がなされるという酸素活性説を唱えた(1921)1926イギリスのケイリンがシトクロムabcを発見して,ワールブルクの呼吸酵素はシトクロムc酸化酵素であることがのちにわかった。水素活性説のほうは,1937年にハンガリ一のセント=ジェルジが一連のC4-ジカルボン酸が呼吸の触媒になることを示して理解がいくようになった。すなわち基質の水素が次々に奪われていく連鎖反応である。さらに,1932年にはこの反応が回路をなしていることがイギリスのクレブスによって発見された。

16601682年 ボイルやフック

呼吸は空気中の有効成分を取

りこむためにすることを実証

1780年 ラボアジエ

呼吸は燃焼と同じでO2が消

費されCO2が生成される

1837年 マグヌス

血液はガス交換を行う

18721879年 プリューガー

組織はガス交換して呼吸する

1879年 ベルナール

呼吸と発酵は同一である

1912年 ウィーラント

水素活性説を提唱

1920年 ツンベルク

さまざまな脱水素酵素の発見

1921年 ワールブルク

酸素活性説の主張

1926年 ケイリン

シトクロムabcの発見

1937年 セント=ジェルジ

C4-ジカルボン酸の触媒説

1937年 クレブス

クエン酸回路の発見

1961年 ミッチェル

ATP生成のしくみの解明

 

 

 








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