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生体分子有機化学
2015年1月15日分
第13回：電子伝達と酸化的リン酸化
今日のポイント
-
電子伝達とプロトンの
み出し（濃度勾配）
ミトコンドリアでのATP合成メカニズム
担当：岸村 顕広
『アメリカ版 大学生物学の教科書』pp. 212-213参照。
2
『アメリカ版 大学生物学の教科書』pp. 220-221参照。
前回のQuiz
クエン酸サイクル後の酸化的リン酸化のプロセスで、NADH１つ
あたりから約2.5ATPを、FADH2から約1.5ATPを生産し、好気的
代謝が終了する。このことをふまえ、
(1) ピルビン酸以降の代謝プロセスから、最終的に（酸化的リン酸
化後に）ピルビン酸1分子からいくつのATPが得られるか？
（GTPもATPとしてカウントして良い。）A. 10 + 1.5 + 1 = 12.5 (個)
(2) グルコース１分子が解糖を経て、クエン酸回路に入り、酸化的
リン酸化まで進んだ際に得られるATPは、トータルでいくつに
なるか？
A. 12.5 ×2 + 2.5 ×2 + 2 = 32 (個)
（参考）解糖の全反応式
グルコース + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi
→ 2ピルビン酸 + 2NADH + 2ATP + 2H2O + 4H+
酸化的代謝
1グルコースから
2.5 ×10 + 1.5 ×2 + 2 + 2
= 32 (ATP)
解糖にて
2NADH + 2ATP = 7 (ATP)
解糖以降
2 ×[4NADH + FADH2
+ GTP]
= 2 ×(10 + 1.5 + 1)
= 25 (ATP)
酸化的
リン酸化
電子伝達と酸化的リン酸化の意義
グルコースの燃焼
C6H12O6 + 6O2→ 6CO2 + 6H2O
ΔG = –2850 kJ/mol (–686 kcal/mol)
半
+
反 C6H12O6 + 6H2O→ 6CO2 + 24H + 24e
応
6O2 + 24H+ + 24e- → 12H2O
式
生体内では、この２つの半反応式をつなぐ電子伝達を多段階で行い、解放された
エネルギーをATPとして蓄える。 実際は32ATPなので、–30.5 ×32 = 976 kJ/mol
約34%
解糖の全反応式
グルコース + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2ピルビン酸 + 2NADH + 2ATP + 2H2O + 4H+
アセチルCoAの生成
ピルビン酸 + NAD+ + CoASH → アセチルCoA + NADH + CO2 + H+
クエン酸サイクルの全反応
3NAD+ + FAD + GDP + Pi + アセチルCoA → 3NADH + FADH2 + GTP + CoASH +
2CO2
→得られたNADH, FADH2から取り出された電子を用いて(電子伝達系に受け渡して)、
O2の還元を行う。
→この過程でプロトンがミトコンドリア内部から み出され、生じたプロトンの濃度勾配
によりADP + PiからATPを再生する。（電気化学的なエネルギー変換である。）これが
酸化的リン酸化である。
電子伝達と酸化的リン酸化の概要
低H+
マトリックス
ADP + Pi
ATP
ATP
シンターゼ
NADH + H+
2e–
H+
NAD+
内膜
I
コハク酸
1/2 O2
2e– FADH2
H+
II
2e–
膜間部
H+
H 2O
H+
IV
FAD
2e–
Q
H+
- 電子伝達系は大きく４つのタン
パク質複合体に分けられる。
III
e–
2e–
e–
電子の流れ、
Cyt c
プロトンの流れ
外膜
H+
- 還元力(NADH, FADH2)から取り
出した電子を伝達し（青い矢印）、
プロトン(H+)を膜間部に み出し
て、H+濃度勾配を作り出す。
- この電気化学ポテンシャルの差
を利用して、ATPを合成する。
高H+
に注意せよ。
特に プロトン勾配
サイトソル
(ATPを作るのは
ATPシンターゼだけ。)
電子伝達系の概要
マトリックス
NADH +
H+
NAD+
内膜
O2
I
FADH2
膜間部
IV
FAD
II
2e– 2e–
e–
e–
Q
2e– III
✦還元通貨から取り出した電子を
内膜に埋まった４つのタンパク質複合体を
介して伝達。
✦I→III→IV、あるいは、II→III→IVの経路で伝
達。電子を輸送する補酵素Qを活用。
✦正味では、NADHなどをO2で酸化している
ことに相当。(以前のQuiz参照)
NAD+ + H+ + 2e– → NADH
1
– O2 + 2H+ + 2e– → H2O
2
半反応式を２つ合わせて、
ΔE = (0.815) – (–0.315) = +1.13 (V)
ΔG = –2·96485·1.13 = –218 kJ/mol
Cyt c
外膜
4 H+
I→III→IV
2 H+
4 H+
e–
膜間部
e–
サイトソル
ミトコンドリア
内膜
e–
FeS
e–
FMN
Q
FeS
2e–
マトリックス
NADH
e–
e– × 2
複合体I
複合体III
1
– O2 + 2H+
2
H 2O
複合体IV
電子伝達と還元電位
ミトコンドリアの電子伝達複合体
の還元準位とATP合成
E°’ [V]
反応は燃料電池的
赤字：阻害剤
–0.4
NADH
2e–
NAD+ (–0.315 V)
複合体I
ΔE°’ = 0.360 V
(ΔG°’ = –69.5 kJ/mol)
–0.2
(+0.031 V)
2e–
コハク酸
FADH2 複合体II
+0.2
ロテノン
ATP
CoQ (+0.045V)
0
フマル酸
ADP + Pi
複合体III
ΔE°’ = 0.190 V
(ΔG°’ = –36.7 kJ/mol)
ADP + Pi
アンチ
マイシン
ATP
シトクロムc (+0.235V)
+0.4
+0.6
ADP + Pi
複合体IV
ΔE°’ = 0.580 V
(ΔG°’ = –112 kJ/mol)
CN–
ATP
2e–
+0.8
1
2H+ + –2 O2
H2O (+0.815V)
それでは電気を流して何をしているのか？
休止ミトコンドリアの各複合体中
の還元電位
複合体I (NADH:CoQオキシドレダクターゼ)
複合体Iでは、NADHから電子を補酵素(FMN)に１電子ずつ受け渡し、
補因子（鉄-硫黄クラスター）を介して、脂溶性の補酵素Qに渡す。
4 H+
複合体I
膜間部
クライオ(低温)電子顕微鏡に
よる３次元トモグラフィ像
4 H+
e–
ウシ
FeS
ミトコンドリア
内膜
FMN
Q
FeS
2e–
マトリックス
NADH
大腸菌
還元型補酵素Q
(CoQH2)が生成
e– × 2
複合体I
マトリックス
NADH
+
H+
NAD+
内膜
複合体I
電子移動に伴って
プロトンが膜間部
に み出される。
H+
L型に突き出たアームに酸化還元中心が集中
プロトンの
み出しはどのようにしてなされるか？
複合体Iでは、実はよくわかっていない!
仮説：プロトンポンプ機構
膜間部
内膜
マトリックス
タンパクの酸化還元に伴ってコンホメーションが変化し、
プロトンが取り込まれたり放出されたりする。
FMN, CoQ, Fe-Sクラスター：１電子ずつ受け入れるツール
FMN
(フラビンモノヌ
クレオチド)
鉄-硫黄クラスター
Feの数と関係なく
１電子の酸化還元
H CO
を行う。
補酵素Q or
ユビキノン
(CoQ; UQ)
O
CH3
3
イソプレン
(天然ゴムのモノマー)
(繰り返し数10がQ10)
イソプレン単位
CH3
H 3CO
CH2 CH
C
O
CH2
n
H
脂溶性であり、
CoQ またはユビキノン
膜内を拡散できる.
(酸化型)
FMN (酸化型)
[H·]
[H·]
(貯蔵・輸送に便利)
O
[2Fe-2S]
H 3CO
CH3
H 3CO
R
OH
CoQH·またはセミユビキノン (ラジカル型)
FMNH· (ラジカル型)
[H·]
[H·]
OH
FMNH2 (還元型)
[4Fe-4S]
H 3CO
CH3
H 3CO
R
OH
CoQH2またはユビキノール (還元型)
好熱菌複合体Iでは飛び出したアーム部位に並ぶ
複合体Iアーム部位周辺
FMN
(近傍にNADHが
結合するらしい)
酸化還元中心の並び
数字は各中心間の距離(Å)を示す。
14 Å以上だと直接の電子伝達が難しくなる。
電子
の
流れ
CoQ
複合体II (コハク酸デヒドロゲナーゼを含む)
複合体IIはコハク酸から補酵素Qへの電子伝達を仲介。
他のフラビンタンパク質も補酵素Qへ電子を渡すことが可能。
マトリックス
コハク酸
内膜
フマル酸
脂肪酸アシルCoA
の酸化
FAD
アシルCoA
デヒドロゲナーゼ
複合体
複合体II
FAD
Q
FAD
グリセロール3-リン酸
デヒドロゲナーゼ
グリセロール3-リン酸
DHAP
膜間部
NAD+
NADH
+
H+
（前回の復習）第６反応：コハク酸が酸化（脱水素）される
コハク酸デヒドロゲナーゼはミトコンドリア内膜に埋め込まれたタンパク
質複合体（複合体II）の一部である。FADの再生は、電子伝達系と連携して
行われる。
大腸菌の複合体II
(Protein data bank: 1nek)
複合体II
膜間部
ミトコンドリア内膜
マトリックス
コハク酸デヒドロ
ゲナーゼ
コハク酸
フマル酸
複合体II内での酸化還元中心の配置
ニワトリ複合体IIのX線構造
酸化還元中心の配列
基質
電子の流れ
マトリックス
CoQ
内膜
膜間部
マトリ
ヘムbは直接電子を受け取ることはないが、
活性酸素が出ないように制御しているらしい。
複合体III (CoQ:シトクロムcオキシドレダクターゼ)
- 複合体IIIは還元型CoQ (CoQH2)の電子１つをシトクロムc (Cyt c)に移す。
- 2個のb型シトクロム、1個のシトクロムc1 (Cyt c1)、1個の[2Fe-2S]を持つ。
- シトクロムcは、複合体IIIのCyt c1と複合体IVのシトクロムcオキシダーゼに
交互に結合して電子を運ぶ。
Qサイクル
酵母の複合体IIIのX線構造
サイクル1: CoQH2 + Cyt c1(Fe3+) → CoQ·– + Cyt c1(Fe2+) + 2H+(out)
サイクル2: CoQH2 + CoQ·– + Cyt c1(Fe3+) + 2H+(in)→ Cyt c
ヘム c1
CoQ + CoQH2 + Cyt c1(Fe2+) + 2H+(out)
膜間部
Fe-S
サイクル1
1個の電子
が移動
Cyt c
サイクル2
1個の電子
が移動
2H+
Cyt c1
ヘム bL
ヘム bH
Cyt bL
Cyt bH
2H+
Cyt c1
Fe–S
内膜
Cyt c
Fe–S
CoQH2
CoQ
CoQ
CoQ·–
Cyt bL
CoQH2
CoQ·– CoQH2
Cyt bH
もう1個は
CoQに戻る
マトリックス
複合体III
CoQ
2H+
複合体III
残ったCoQ·–は別
のCoQH2が来た時
の電子を利用して
CoQH2に再生。
CoQ/CoQH2のサイクルに連動して
電子の移動とプロトンの輸送が起こる。
複合体III (CoQ:シトクロムcオキシドレダクターゼ)
- 複合体IIIは還元型CoQ (CoQH2)の電子をシトクロムc (Cyt c)に移す。
- 2個のb型シトクロム、1個のシトクロムc1 (Cyt c1)、1個の[2Fe-2S]を持つ。
- シトクロムcは、複合体IIIのCyt c1と複合体IVのシトクロムcオキシダーゼに
交互に結合して電子を運ぶ。
Qサイクル
酵母の複合体IIIのX線構造
サイクル1: CoQH2 + Cyt c1(Fe3+) → CoQ·– + Cyt c1(Fe2+) + 2H+(out)
サイクル2: CoQH2 + CoQ·– + Cyt c1(Fe3+) + 2H+(in)→ Cyt c
ヘム c1
膜間部
CoQ + CoQH2 + Cyt c1(Fe2+) + 2H+(out)
サイクル1
Fe-S
Cyt c
サイクル2
Cyt c
2H+
Cyt c1
ヘム bL
ヘム bH
Cyt c1
Fe–S
内膜
Cyt bL
Cyt bH
2H+
Fe–S
CoQH2
CoQ
CoQ
CoQ·–
Cyt bL
CoQH2
Cyt bH
CoQ
CoQ·– CoQH2
2H+
マトリックス
複合体III
複合体III
CoQ/CoQH2のサイクルに連動して
電子の移動とプロトンの輸送が起こる。
シトクロム
シトクロムcはヘムを含み、Fe(II)/Fe(III)の酸化還元を繰り返して電子を伝達する。
(1電子ずつの受け渡しである点に注意せよ。)
シトクロムcの構造
ヘムa
ヘムb
(鉄プロトポルフィリンIX;
ミオグロビン、ヘモグロビンと同一)
使われているヘムの型に応じてシトクロム
の呼び方が変わる。
CN–は、Fe(III)に強く配位して
機能停止させる。
ヘムc
複合体IV (シトクロムcオキシダーゼ; COX)
- 複合体IVは還元型Cyt cの一電子酸化を４連続に行い、同時にO2の４電子還元を
行う。
2+
+
3+
4Cyt c(Fe ) + 4H + O2 → 4Cyt c(Fe ) + 2H2O
- シトクロムa, シトクロムa3, CuB, CuA中心の４つの酸化還元中心を持つ。
プロトン
み出しの観点では、
4Cyt c(Fe2+) + 8H+(マトリックス)+ O2 → 4Cyt c(Fe3+) + 2H2O + 4H+(膜間部)
4H+
膜間部
4Cyt c
4e–
CuA
内膜
a
O2
a3
内膜
Fe-Cu
中心
CuB
マトリックス
4H+
(基質) (
4H+
2H2O
み出し)
ウシ心筋COX（ホモ二量体）
のX線構造
複合体IV (シトクロムcオキシダーゼ; COX)
- 複合体IVは還元型Cyt cの一電子酸化を４連続に行い、同時にO2の４電子還元を
行う。
2+
+
3+
4Cyt c(Fe ) + 4H + O2 → 4Cyt c(Fe ) + 2H2O
- シトクロムa, シトクロムa3, CuB, CuA中心の４つの酸化還元中心を持つ。
プロトン
み出しの観点では、
4Cyt c(Fe2+) + 8H+(マトリックス)+ O2 → 4Cyt c(Fe3+) + 2H2O + 4H+(膜間部)
4H+
膜間部
4Cyt c
4e–
CuA
内膜
a
O2
a3
内膜
Fe-Cu
中心
CuB
マトリックス
4H+
(基質) (
4H+
2H2O
み出し)
ウシ心筋COX（ホモ二量体）
のX線構造
複合体IV (シトクロムcオキシダーゼ)の推定反応経路
反応は室温で数ミリ秒という高速で終了する。
ウシ心筋COXの酸化還元中心
推定反応経路
Fe(III)/Fe(II), Cu(II)/Cu(I)とチロシン(Y)の-OHで
電子をやりとり
CuA中心
e‒
(Cuイオンが
２つ)
e‒, H+
酸化型
e‒, H+
化合物F
H2O
H2O
e‒, 2H+
還元型
CuB
ヘムa
O2
化合物P
ヘムa3
O2と直接反応
(Fe-Cu中心)
オキシ型
(O2結合型)
4H+が消費される。
ウシ複合体IV (COX)のプロトン輸送チャネル
出口側
X線
複合体IVでも、
み出し機構はまだ
!
ただし、２種のプロトンチャネルがあることは
知られている。
ヘムa
ヘムa3
CuB
K
Dチャネル：入り口（マトリックス側）
のアスパラギン酸（D）が重要な役割を
担う出口まで通じたチャネル。
→Asp 91を変異させると み出しが
止まる。
Kチャネル：Lys 319を介して、反応中
心にプロトンを送り込む役割
→Lys 319を変異させると活性が著
しく低下）
D
Dチャネル
図中の⃝はX線で観察できる水分子、
◎は、存在が推定される水分子である。
（これらが、プロトンをリレーするらしい。）
Kチャネル
入り口側（マトリックス側）
電子伝達と還元電位
ミトコンドリアの電子伝達複合体
の還元準位とATP合成
E°’ [V]
赤字：阻害剤
–0.4
NADH
–0.2
2e–
NAD+ (–0.315 V)
ADP + Pi
複合体I
ΔE°’ = 0.360 V
(ΔG°’ = –69.5 kJ/mol)
(+0.031 V)
2e–
コハク酸
FADH2 複合体II
ロテノン
ATP
CoQ (+0.045V)
0
フマル酸
+0.2
ADP + Pi
複合体III
ΔE°’ = 0.190 V
(ΔG°’ = –36.7 kJ/mol)
アンチ
マイシン
ATP
シトクロムc (+0.235V)
+0.4
+0.6
ADP + Pi
複合体IV
ΔE°’ = 0.580 V
(ΔG°’ = –112 kJ/mol)
CN–
ATP
2e–
+0.8
1
2H+ + –2 O2
H2O (+0.815V)
1
–
2
休止ミトコンドリアの各複合体中
の還元電位
電子伝達と酸化的リン酸化の概要
低H+
マトリックス
ADP + Pi
ATP
ATP
シンターゼ
NADH + H+
- 還元力(NADH, FADH2)から取り
出した電子を伝達し（青い矢印）、
プロトン(H+)を膜間部に み出し
て、H+濃度勾配を作り出す。
- この電気化学ポテンシャルの差
を利用して、ATPを合成する。
H+
NAD+
内膜
I
コハク酸
1/2 O2
FADH2
H+
II
H+
H 2O
H+
IV
FAD
H+
III
膜間部
Q
Cyt c
プロトン み出してため込まれ
る自由エネルギーは、
ΔG =2.3RT[pH(in) – pH(out)]
+ zFΔΦ
z: プロトンの荷電数 (= +1)
F: ファラデー定数 (96485 J/V·mol)
外膜
H+
宿題
高H+
ΔΦ: 膜電位 (陽イオンが負電位側か
ら正電位側に輸送される場合を正)
ある実験で、ミトコンドリア内膜を隔てる膜電位が0.168 V（内部が負）と測定された。
この時、マトリックス側のpHが膜間部側より0.75高かった。この時、プロトン み出し
サイトソル
の自由エネルギーはいくらか。R
= 8.31 (J·K‒1·mol‒1)、T = 310 (K)とする。
ATPシンターゼ
ア外膜
ミトコンドリ
H+
H+
H+濃度が高い
H+
膜間部
ア
ミトコンドリ
内膜
マトリックス
H+ ATP
シンターゼ
e–
H+濃度が低い
1
– O2
2
H2O ADP
+ Pi
ATP
ATPシンターゼの構造 (電子顕微鏡解析)
大腸菌F1Fo-ATPアーゼのモデル
ミトコンドリア内膜(クリステ)
F1Fo-ATPアーゼとも呼ばれる。
膜間部
膜にへばりついた
微粒子がF1
ATPシンターゼのサブユニット構造
F1の構造
ウシ心筋ミトコンドリア(X線構造)
α3β3γδεからなり、α,βが交互
にリング上に並んだ擬３回対称
構造にγが突き刺さっている。
大腸菌F1Fo-ATPアーゼのモデル
2 nm
断面図
↓上から見た図。
b2
グラム陰性菌のc11集合体(X線構造)
a
c12
Foの構造
a1b2c10-14の複合体で、
cサブユニットが膜貫通
リングを形成。(c一つで
１プロトンを受容)
7 nm
5 nm
ATP合成メカニズム
αβサブユニットには３つのコンホメーションO(オープン), L(ルーズ), T(タイト)があり、この
コンホメーション変化にエネルギーが使われる。T状態のみATP合成の触媒活性をもつ。
エネルギー
＊触媒活性部位はβサブユニットにある。
b2
c12
a
大腸菌F1Fo-ATPアーゼのモデル
(1) L部位にADPとPiが結合。
(2) 続いて、γとεからなる複合体が回転して
（cリングが回転して)、αβサブユニットの
コンホメーション変化を誘起。
L→T、T→O、O→Lの状態となる。
(3) T部位でATP合成が起こり、O部位からATP
がリリース。
cリング１回転で、３つのATPが合成される。
→c12であれば、12H+から3ATPが合成されたことになる。
４プロトンで１ATPの勘定となる。
→ 真核細胞では、c10なので、約３プロトンで1ATP合成さ
れることになる。
回転メカニズム
cの構造
大腸菌F1Fo-ATPアーゼのモデル
脱プロトン化型(pH 8)
プロトン化型(pH 5)
H+
b2
c12
H+
a
H+
cリングがプロトンのコンベアーになっている
プロトンの放出受け取りでコンホメーション
が変わり、決まった方向に回転すると考えら
れる。
参考動画（森先生紹介済み）：ATP-synthase http://www.youtube.com/watch?v=PjdPTY1wHdQ 回転を見る
ATPのみを与えると、
ATP分解反応が起き（逆反応を触媒）、
反時計周りにアクチン繊維が回転。
東京大学・野地研HPより
ガラス基板
γサブユニットに磁性ビーズをつけて、強制的に
時計回りに回転させると、プロトン勾配がなく
てもATPを合成する。
光合成と明反応、暗反応
これまでは、炭水化物の燃焼を考えてきた。
C6H12O6 + 6O2→ 6CO2 + 6H2O
酸化的リン酸化
1
– O2
2
+ H+ + NADH → H2O + NAD+
燃料電池的
還元力を使ってATPを合成
光合成では、光エネルギーを使って炭酸を固定する。
hν
CO2 + H2O → (CH2O) + O2
＊(CH2O)は炭水化物を代表させている。
おおまかには逆反応に見えるが、大きく分けて２つの過程から成り立っている。
明反応
hν
2H2O → O2 + 4[H·]
水を光エネルギーで酸化（分解）。
→ 還元力(NADPH)を貯めこみつつATPを合成
暗反応
太陽電池的
CO2 + 4[H·] → (CH2O) + H2O
光を使わない過程であり、4[H·]なる還元力を用いて、炭酸を還元して炭水化物を作る。
→ NADPHとATPから炭水化物を合成
ミトコンドリアの酸化的リン酸化と似ている部分がある！
→葉緑体の光リン酸化
葉緑体（クロロプラスト）
ミトコンドリアとの類似点： 透過性の外膜、不透過性の内膜を持ち、両者の間に膜間部が
存在する。内膜の内側にストロマという空間を持ち、高濃度
の酵素や、独自のDNAなどを持つ。
植物細胞
相違点：サイズが大きい。
（長さ約4-6 µm, 幅約2 µm）
ストロマ内にチラコイド膜を
ストロマ 持つ。折りたたまれて、円盤
ストロマ 状の積層部グラナを形成。
内膜と
外膜
葉緑体
グラナ
葉緑体
模式図
ストロマ
ラメラ
葉緑体
電顕図
＊チラコイド膜に、光合成の
機能部位が埋めこまれている。
ミトコンドリア模式図
外膜
膜間部
内膜
チラコイド
外膜
マトリックス
内膜
クリステ
膜間部
グラナ
(層状のチラ
コイド)
ストロマラメラ
（グラナを結ぶ）