目次
エネルギー代謝●代謝総論●クエン酸(ＴＣＡ)回路●グリオキシル酸回路●呼吸鎖(電子伝達系と酸化的リン酸化)
●光合成
糖質の代謝
●解糖
●糖新生
●ホスホグルコン酸回路(HMS)●グリコーゲンの合成© S. Terada (Fukuoka Univ.)
2005/05/23●補酵素一覧

脂質の代謝●脂肪酸の分解 (β-酸化)●脂肪酸の生合成●コレステロールの生合成●ケトン体の合成●トリグリセリドとリン脂質の合成
アミノ酸の代謝●アミノ酸の分解●アミノ酸の合成●尿素回路
ヌクレオチドの代謝●ヌクレオチドの合成●ヌクレオチドの分解

異化と同化

異化と同化は別経路

発エルゴン反応と吸エルゴン反応

高エネルギー化合物

酸化還元反応の熱力学

生体系は平衡状態ではないが、絶えず外界から物質を取り入れることによって、種々の活動を行うに必要なエネルギー（自由エネルギー）や生体系を維持するのに必要な化合物を得ている。外界からの取り込んだ物質を変化させる過程を代謝 (metabolism) と呼ぶ｡代謝には異化と同化の２つがある｡

外界から取り込んだ物質（食物）を分解し，より簡単な化合物に変えるとともにエネルギーを取り出す過程を異化 (catabolism) という。例えば，デンプンは我々の体内で消化されブドウ糖 (D-glucose) に変えられる｡D-グル
コースは解糖 (glycolｙsis) によってピルビン酸に変化するが、嫌気的条件ではさらに乳酸やアルコールへと変化する｡もし酸素を利用できれば、D-グルコースは最終的に二酸化炭素と水にまで代謝され，大きなエネルギーを生み出すことができる｡
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
⊿Go' = - 4 928 kJ/mol
生体は化学変化で発生するエネルギーでATPやNADPH2+をつくる。エネルギー的に不利な反応を遂行するのにこれ
らの化合物を利用する｡
生体内では，種々のカルボン酸，アミノ酸，二酸化炭素など限られた材料をもとに，生体が必要とするほとんどの物質がつくられる｡これらの簡単な物質からより複雑な化合物をつくる過程を同化 (anabolism) と呼ぶ｡例えば、植物や光合成細菌は二酸化炭素と水から光のエネルギーを利用してD-グルコースを合成する（ 光合成）｡

糖新生はピルビン酸からD-グルコースをつくりだす過程である｡一見するとこれは解糖の逆をたどる経路のように見える｡しかしながら，解糖はいくつかの段階が不可逆であるため，単なる解糖の逆反応ではD-グルコースはつくれない｡付加逆な段階は別の様式の反応や別の経路が用意されている｡このことは糖新生（同化）と解糖（異化）を独立に制御できることを意味する｡異化と同化が別経路である例は，グリコーゲンの合成と分解や脂肪酸の合成と分解などに見ることができる｡

化学反応における自由エネルギー変化（⊿G）は次の式で示される｡⊿G = ⊿G生成物 - ⊿G反応物 = ⊿G o + RT ln ([生成物]/[反応物])⊿Goは標準状態（25℃，1気圧，濃度は1 M）での自由エネルギー変化で標準自由エネルギー変化という。
生体内では水素イオン濃度 [H+}が1 M，つまり，ｐH＝0は都合が悪いので、ｐH＝7.0 （[H+}＝10-7 M）を生化学的標準状態と定め，⊿Goの代わりに⊿Go を用いる｡細胞内で最も重要な化学反応の１つはATPの加水分解反応である｡
ATP + H2O

ADP + Pi

⊿Go = - 30.5 kJ/mol

この- 30.5 kJ/molという値は標準状態の値で，実際の細胞内の⊿G'は約-50 kJ/molくらいになる。いま，細胞内のATP, ADP, P i濃度がそれぞれ2.35 ｍM, 0.20 ｍM, 1.60 mMであるとすると，ｐH 7.0, 25℃での⊿G'は⊿G' = ⊿Go'+ RT ln ([生成物]/[反応物]) = -30 500 + (8.315 × 298}ln[(0.2 ×10 -3 )(1.6 × 10-3 )/(2.35 × 10-3 )]= -30 500 + 2.480ln(1.36 × 10 -4 ) = -30 500 +(-22 100) = -52 600 J/mol・Kとなる。
標準自由エネルギー変化から見て、この反応はエネルギー的に有利な反応といえる。このように⊿Goが負の反応を発エルゴン反応という。生体内では発エルゴン反応で放出される自由エネルギーを利用して、種々の仕事を行うことができる｡
一方、D-グルコースのリン酸化反応は，次のように自由エネルギー変化が正である｡
D-glucose + Pi → D-glucose 6-phosphate⊿Go' = + 13.8 kJ/mol⊿Goが正の反応を吸エルゴン反応という。このような反応はひとりでにはおき難く，外からの仕事が必要となる。生体内では，より大きな負の自由エネルギー変化を伴う発エルゴン反応とカップルさせることで吸エルゴン反応を進行させることができる（反応の共役という）。
D-glucose + ATP → D-glucose 6-phosphate + ADP⊿Go' = - 16.7 kJ/mol[(A)発エルゴン反応と(B)吸エルゴン
反応]
生体内でのエネルギー変換物質としては，上で述べたATPが最も重要である｡ATPのように，加水分解反応で大きな⊿Goの減少を伴う化合物を，高エネルギー化合物と呼ぶ｡F. Lipman & H. KalckarはATPを「全ての生物の高エネルギー通貨」と呼んだ (1941年)｡ATPよりもADP＋リン酸の方がよりエネルギー的に有利な理由を次に示す｡
1. 加水分解産物は共鳴で安定化するが，無水物型は安定化できない（図の赤）｡両方のリン原子が酸素原子の非共有電子対を引き合うため、共鳴安定化ができない｡

2. 無水物型では2つのO−部分が静電的に反発し，エネルギー的に不利である（上の図の青で示す）｡これは加水分解により解消される｡
3. 水和エネルギーは，無水物型よりも加水分解産物のほうが大きい｡

それでもATPが水の中で安定に存在できるのは、ATPの酸無水物結合の加水分解の活性化エネルギーが高いためである｡ただし，酵素があれば簡単に加水分解される｡
生理的条件下（ｐH＝7.0）では，ATP，ADP，Piの濃度はそれぞれ数mMであり，ATPの加水分解の⊿Gは約-50 kJ/molにも達する。注意して欲しいのは，ATPは「貯蔵エネルギー」ではなくて，「交換用のエネルギー」であることで，細胞内の濃度には上限がある。従って，細胞内ATP濃度が上昇するとATPはエネルギー生
産の種々の段階の酵素を阻害して，その生産を抑制する。
このように，ATPはエネルギー物質として全ての生物に利用される。ATPは嫌気的生物では解糖で，好気的生物では解糖，光合成，酸化的リン酸化でつくられる｡
高エネルギー化合物の中ではATPは中程度に位置する（下表）。もしATPが最上位の化合物であれば，ATP自体をつくるのが困難になるであろう。

ある酸化還元反応の全反応は次のように表される。
Aoxn+ + Bred → Ared + Boxn+
ここでAは電子受容体，Bは電子供与体である。その半反応は次のようになる。
Aoxn+ + ne- → Ared （半反応A）
Bred → Boxn+ + ne- （半反応B）
この反応の自由エネルギー変化（DG）は，⊿G = ⊿Go + RT ln{[Ared][Boxn+]}/{[Aoxn+][Bred]}⊿Go： 標準自由エネルギー変化
また，ファラデー定数をFとすると，⊿G = -n F⊿E
よって，⊿Go = -n F⊿Eoとおくと，-n FDE= -n F⊿Eo + RT ln{[Ared][Boxn+]}/{[Aoxn+][Bred]}（Nernstの式） ⊿Eo： 標準還元電位⊿E>0ならば⊿G<0となり，反応は自発的に進行する。
半反応A，Bは次のようになる。
EA = EAo + RT ln{[Ared]/[Aoxn+]}
EB = EBo + RT ln{[Bred]/[Boxn+]}
よって，
また，⊿Eo = EAo - E Bo
⊿E = EA - E Bとなる。生化学的標準状態では，[H+] = 10-7 Mを採用し，⊿Eや⊿Eoの代りに⊿E'や⊿Eo'を用いる。標準還元電位（⊿Eo）の値は，呼吸鎖や光合成の電子伝達系の反応のエネルギーの変化を考える際に必要である。

ピルビン酸からアセチル-CoAへの変換

高エネルギー化合物の例
化合物
ホスホエノールピルビン酸
1,3-ビスホスホグリセリン酸
アセチルリン酸
ホスホクレアチン
ATP/AMP
ATP/ADPグルコース 1-リン酸
フルクトース 6-リン酸
グルコース 6-リン酸
グリセロール 3-リン酸⊿Go(kJ/mol)
-61.9
-49.4
-43.1
-43.1
-32.2
-30.5
-20.9
-13.8
-13.8
-9.2

生化学的半反応の標準還元電位*Bound to flavoprotein.
Eo' (V)

半反応
1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O+0.815シトクロムa3 (Fe3+) + e- → シトクロムa3+0.385(Fe2+)
シトクロムa (Fe3+) + e- → シトクロムa(Fe2+)
シトクロムc (Fe3+) + e- → シトクロムc(Fe2+)
シトクロムc1 (Fe3+) + e- → シトクロムc1(Fe2+)
シトクロムb (Fe3+) + e- → シトクロムb(Fe2+)
ユビキノン+ 2H+ + 2e- → ユビキノール
フマル酸+ 2H+ + 2e- → コハク酸
FAD + 2H+ + 2e- → FADH2 (結合型*)+0.29+0.254+0.22+0.077+0.045+0.0310-0.166
オキサロ酢酸 + 2H+ + 2e- → リンゴ酸
-0.185ピルビン酸 + 2H+ + 2e- → 乳酸
アセトアルデヒド + 2H+ + 2e- → エタノール -0.197
FAD + 2H+ + 2e- → FADH2 (free)-0.219NAD+ + H+ + e- → NADH
NADP+ + H+ + e- → NADPH
H+ + e- → 1/2H2 (pH 7)-0.315-0.32-0.421ＴＣＡ回路の反応

TCA回路はKreb's回路またはクエン酸回路(Citric Acid Cycle)とも呼ばれ，ミトコンドリアのマトリックスで行われる９段階からなる環状の代謝経路である。ただし，反応段階（７）はミトコンドリア内膜の酵素複合体が実行する｡解糖の最終産物であるピルビン酸は脱炭酸と補酵素Ａ（CoA)との結合により，アセチル-CoAに変えられる。アセチル-CoAは 脂肪酸のβ-酸化 やアミノ酸の代謝からも得られる。
解糖と異なり，TCA回路はATPを直接つくる経路ではないという点に注意せよ。ここで生成した還元型の補酵素は，次の酸化的リン酸化においてはじめてATPに変えられる｡TCA回路の全体の反応は次のようになる。
CH3CO-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 3H2O → 3NADH2+ + FADH2 + CoA-SH + GTP +3CO2TCA回路の目的は(1) アセチル-CoAのアセチル基を酸化し，2分子のCO 2に変換する(2) 水素を還元型の補酵素の形（3 NADH2+とFADH2）で捕捉する(3) アミノ酸異化代謝と生合成、尿素回路、糖新生、脂肪酸のβ-酸化 など多くの他の経路の仲立ちをする〔代謝の交差点〕［目的１］： アセチル基のC-C結合を直接切断するのは困難である。そこで，TCA回路の最初の反応でアセチル-CoAをオキサロ酢酸と縮合させてＣ6化合物（クエン酸）に変え，その後，CO2を1つずつ切り離してＣ4化合物にする。結果として，アセチル基を完全に分解したことになる｡［目的２］： 8つの水素原子は３分子のNADH2+と1分子のFADH2に変えられる。また，GTPも１分子生じる。
［目的３]： オキサロ酢酸，α-ケトグルタル酸，スクシニル-CoA，フマル酸，リンゴ酸が種々の代謝経路と密接に関連している（個々の代謝経路を参照）。

D-グルコース（解糖）やアミノ酸から得られたピルビン酸は， ピルビン酸-H +共輸送系（下左図）を通ってミトコンドリアのマトリックス
内に運ばれ，CO2を放出すると共に補酵素Aと結合してアセチル-CoAになる。

この反応を触媒するピルビン酸デヒドロゲナーゼは3種の酵素（E1〜E3）から成る超高分子量の多酵素複合体である。
大腸菌の酵素の場合，中心部はリポ酸を補酵素とするアセチル基転移酵素（E2）のサブユニット24個からなり，その周囲にはチアミンピロリ
ン酸を含むピルビン酸脱水素酵素サブユニット（Ｅ1） 24個、FADを含むジヒドロリポイル脱水素酵素（Ｅ3）サブユニットが12個会合している。動物の酵素も同様の構成であるが，各サブユニットの数が多い。TCA回路の反応(5)の2-オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ複合体もこれと同じ構成をしている。

[ウシ心筋の酵素の構成]
E1
E2
E3

[E2サブユニット]
24サブユニットで構成（奥の6個は書いてない）

酵素
ピルビン酸デヒドロゲナー
ゼ
ジヒドロリポアミドアセチ
ル
トランスフェラーゼ
ジヒドロリポアミド
デヒドロゲナーゼ

サブユニット

構成

個数

四量体

α2β2

30

単量体

60

二量体

6

[大腸菌のピルビン酸脱水素酵素複合体]
E2(青)が24個, E3(赤)が１２個で構成【TCA回路の前半】
最初の反応 でアセチル-CoAをオキサロ酢酸と縮合（有機化学で言うところのClaisen 縮合）させてＣ6化合物（クエン酸）に変える。段でクエン酸をイソクエン酸に変換するのは、第三アルコールであるクエン酸を、より酸化され易い第二アルコール（イソクエン酸）に変階えるためである。
で２つのCO2が放出される。CO2として外れた炭素は，図の構造式に青で示すアセチル-CoAのアセチル基由来ではない点に注意！
段階は不可逆とされているた［元のアセチル基の炭素がCO2になるのは，少なくともTCA回路を１回まわった後である。］なお，反応
め，TCA回路を完全に逆行することはできない。
【TCA回路の後半】
段階 〜 は、TCA回路の前半で生じたスクシニル-CoAを最初のオキサロ酢酸に戻すための経路である。段階
β-酸化 の段階(1)〜(3)と全く同じであるのは面白い。

〜 の反応の形式が脂肪酸のTCA回路の反応の自由エネルギー変化
ピルビン酸
CoA
CO2
オキサロ酢酸とはオキサロ基が結合した酢酸の意味。
アセチル-CoA脂肪酸のβ-酸化やアミノ酸の分解

リンゴ酸
デヒドロゲナーゼ
NAD+ NADH2+

L-リンゴ酸
フマル酸
ヒドラター
ゼ

フマル酸
コハク
酸
デヒドロ
ゲナーゼ

コハク酸

H2O

アコニターゼ

オキサロ
酢酸

クエン酸
シンターゼ

H2Ocis-アコニット
酸
H2O

クエン酸

ミトコンドリアのマトリックス

アコニターゼ酵素 はミトコンドリア内膜に結合した呼吸鎖の複合体IIと同一のものである。
FADH2

イソクエン酸
NAD+

脱炭酸

脱炭酸

α-ケトグルタル酸
デヒドロゲナーゼ

イソクエン酸デヒドロゲナーゼNADH2+

FAD
スクシニルCoA
シンテターゼGDP + Pi GTP
+ CoA

CO2
スクシニ NADH2+ NAD+CoA α-ケトグルタル
CO2
ル↑基質レベルのCoA酸
リン酸化（2-オキソグルタル酸）

オキサロコハ
ク酸

反応

酵素

1
2,3
4
5
6
7
8
9

クエン酸シンターゼ
アコニターゼイソクエン酸デヒドロゲナーゼ
2-オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ複合体
スクシニル CoA シンテターゼ
コハク酸デヒドロゲナーゼ
フマル酸ヒドラターゼ
リンゴ酸デヒドロゲナーゼ∆Go'(kJ/mol)
-31.5
+6.3
-20.9
-33.0
-2.1
+6.0
-3.4
+29.7

グリオキシル酸回路の反応
植物と一部の微生物では，TCA回路以外に，その変形であるグリオキシル酸回路をもっている。発芽中の植物種子にはグリオキシソー
ム(glyoxysome)と呼ばれる小器官があり，グリオキシル酸回路はその中で行われる。動物にはこの経路は存在しない。
アセチルCoAがTCA回路に入った場合，2-オキソグルタル酸とスクシニルCoAが生成する段階で２つの炭素原子がCO 2として放出されるため炭素源とはならない。これに対して，グリオキシル酸回路は2-オキソグルタル酸とスクシニルCoAの経路を迂回して，イソクエン酸からリン
ゴ酸とコハク酸を生成するため，炭素数の減少を伴わないでオキサロ酢酸に至ることができる｡従って，グリオキシル酸回路は異化代謝経路ではなく，特殊化した同化代謝経路として利用される｡
大腸菌はこの回路を利用してC4化合物をつくれるので，酢酸だけを炭素源として生育することができる｡また，植物種子が発芽するとき，貯蔵している脂質からβ-酸化 でアセチルCoAをつくり，オキサロ酢酸を経由して糖新生経路によりグルコースを得ることが出来る。

赤で示す部分がこの回路の特徴である。
2-オキソグルタル酸とスクシニルCoAの生成段階（ともに，CO 2が放出され炭素数が減少する段階）がバイパスされている。
この回路に入ったアセチルCoAは全て炭素数の増加につながる事に着目せよ。

[グリオキシル酸回路の模式図]

グリオキシル酸回路全体の反応は次のようになる。
2 CH3CO-CoA + NAD + → (CH2COOH)2 + NADH2+ + 2 CoA-SHの酵素はTCA回路と同じである。イソクエン
この経路に特有の酵素はイソクエン酸リアーゼとリンゴ酸シンターゼの２つである。
酸の開裂によって生じるコハク酸はグリオキシソームでは代謝されず，ミトコンドリアに運ばれてTCA回路でオキサロ酢酸に変えられる。オキ
サロ酢酸は糖新生の出発物質である。

ミトコンドリアによる物質輸送

水素・電子の伝達体

呼吸鎖の全体像

電子伝達系

酸化的リン酸化細菌の呼吸鎖プロトン濃度勾配

解糖やTCA回路によりNADH2+やFADH2の形で捕捉された水素は，ミトコンドリアのクリステにおいて，順次エネルギーが低くなるような一連の酵素系（複合体 I〜IV）の連鎖を経て，最終受容体である酸素（O2）に渡されて水 H2Oになる。複合体 I〜IVの段階は，ミトコンドリア内膜のタンパク質や補酵素間で電子のやり取りが起こる過程であるため電子伝達系と呼ばれる。また，複合体 I, III, IV の段階では，ミトコンドリ
アのマトリックスから膜間スペースにH+が汲み出され，内膜を隔てて水素イオンの濃度勾配が発生する。
このプロトン（H+）濃度勾配で生じる化学ポテンシャルを利用して，複合体V（H+輸送ATPシンターゼ）はADPとリン酸からATPを合成する｡この過程は酸化的リン酸化と呼ばれ，好気的代謝の中心となる。解糖などで基質のリン酸基の転移反応によってADPからATPを合成する基
質レベルのリン酸化と区別される。
つくられたATPは，ミトコンドリア内膜に存在すADP-ATPトランスロケーターを通って，ADPと交換に速やかに細胞質へと運ばれる（対向輸送, antiport）｡
これら全過程を呼吸鎖（respiratory chain）という。解糖や発酵など酸素を必要としない嫌気的な代謝しか行わない，嫌気生物(anaerobe)に比べて，TCA回路→呼吸鎖を利用できる好気生物(aerobe)はより多くのエネルギーを獲得することができる（グルコースの完全代謝を参照せよ）。

真核生物は細胞内にミトコンドリア（Mitochondrion)という小器官をもつ。ミトコンドリアの主要な役割は細胞にエネルギー（ATP）を供給することであるが，種々の代謝系も含まれる｡[ポーリン (porin)の立体構造]
側面図（左）と真上からの図（右）分子は１７本のβ-シートでつくられる大きなカゴの形をしている｡中央の穴を通って色々な分子が通る｡[ミトコンドリアの模式図]
ミトコンドリアには，外膜(outermembrane)と内膜(inner membrane)の２枚の膜がある。外膜にはチャネルを形成するポーリン (porin)という大型のタンパク質があり、かなり大きな分子もこのチャネルを通って膜を出入りできる｡また，アドレナリンの酸化、トリプト
ファンの分解、脂肪酸の伸長などが行われる｡対照的に，内膜は透過性の悪い膜で，イオンを通さず，極めて選択性に富んでいる。内膜には呼吸鎖の酵素系や輸送タンパク質がびっしりと敷きつめられ，膜重量の70〜80％を占めている。
外膜と内膜の間を膜間腔または膜間スペース(intermambrane space)といい，ミトコンドリアの機能に重要な働きをしている｡内膜はさらにひだ状に内側に入り組んでクリステ(criatae)を形成している｡大部分の生物のクリステは平板状をしているが，管状やうちわ形のクリステをもつ生物もいる｡内膜で包まれたミトコンドリアの内部をマトリックス(matrix)という。マトリックスには高濃度(500 mg/ml)の水溶性タンパク質が存在し，尿素回路（肝臓），TCA回路，脂肪酸のβ-酸化 などが行われる｡

呼吸鎖前半では，2個の水素の伝達体として，フラビン類やキノン類が利用される。また，後半では電子伝達体として，非ヘム鉄(Fe-S)，ヘ
ム鉄，銅イオンなどが利用される。

これらは水素と電子の授受に関与する。FMNのリン酸基にアデノシンが結合したものがFADである。複合体IにはFMNが含まれ，NADH2+の水素と電子を受け取る。ユビキノンは補酵素Q(CoQ)と呼ばれ，複合体IやIIからの水素と電子を受け取る。

[鉄−硫黄クラスター(Fe-S)] 4Fe-4S]型タンパク質(Fe-S)の例[FMN（フラビン類）とユビキノン(CoQ)の酸化型と還元型]
無機の鉄イオン(Fe2+/Fe3+)と硫化物イオン(S2- )からなる錯体で構成される。鉄イオンはシステイン残 これらは水素と電子の授受に関与する。FMNのリン酸基にアデノシンが結合基を介してタンパク質に結合している。[4Fe-4S]クラスターはタンパク質の内部に埋もれている（右 したものがFADである。複合体IにはFMNが含まれ，NADH2+の水素と電子を図）。
受け取る。ユビキノンは補酵素Q(CoQ)と呼ばれ，複合体IやIIからの水素と電子を受け取る。

一部の絶対嫌気生物を除き，シトクロムは全生物に存在。酸化還元酵素でヘムに結合した鉄イオンのの変化で電子を運ぶ。
Fe2+
Fe3+ + eヘムの型により，a型，b型，c型の3種に分類される。それぞれ吸収スペクトルで区別できる。
a型： 長いイソプレン鎖がつき，ホルミル基がある。 b型： ヘモグロビンと同じヘムである。 aとb型は2個のHis残基がFeの第5，6位に配位結合している。
c型： ヘムの側鎖がタンパク質のCys残基に共有結合している。HisとMet残基がFeの第5，6位に配位結合している。

[シトクロム類の吸収スペクトル]
シトクロムには特徴的な3つの吸収ピークα, β, γ (soret帯)がある。

酵素名 ［成分］
還元型補酵素NADH2+やFADH2の水素を酸化するために，呼吸鎖では多くのタンパク質複合体が関与する。

複合体IV[呼吸鎖の全体像]
複合体IからIVまでの過程が電子伝達系である。図の赤い細線は2個の電子の流れを示している｡複合体IVで2個のH+が膜間スペースへ汲み出されるように書いてあるのは，マトリックス側で2個のH+が消費されるので，差し引き2個のH+がマトリックス側から膜間スペースへ汲み出されたのと同じ効果を与えるからである。

kDa Subunits

NADH-補酵素Qレダクターゼ
FMN, (Fe-S)N-1a, (Fe-S)N-1b, (Fe複合体IS)N-2,(Fe-S)N-3,4, (Fe-S)N-5,6コハク酸-補酵素Qレダクターゼ
FAD, (Fe-S)S-1, (Fe-S)S-2, (Fe-S)S複合体II*
3,
シトクロムb-560
補酵素Q-シトクロム cオキシド
レダクターゼ複合体III シトクロムb , シトクロムb , (Fe-S),
K
T
シトクロムc1
シトクロムオキシダーゼ
シトクロムa, CuA, CuB, シトクロムa3

ATP シンターゼ
複合体V F0：DCCD-結合タンパク質他
F1：α3β3γδε

1000

42

127

5

280

11

400

13

380 12-14と同一物である。

* 複合体 ＩＩはTCA回路の酵素

呼吸鎖を構成するタンパク質や補酵素群のほとんどは内膜に埋め込まれて存在するが，シトクロムｃは膜表面に結合している｡
NADH2+として運ばれた水素は複合体 I から膜間スペースへ移動し，同時にユビキノン（補酵素Q）へ2個の電子が渡される。一方，FADH2として運ばれた電子も複合体 II からユビキノン（補酵素Q）へ渡される。還元型ユビキノンの水素は複合体IIIとの連鎖で2H+として外れて膜間スペースへ移動する。同時に，電子は複合体IIIに渡される。
複合体IIIに渡された電子はミトコンドリア膜表在性のシトクロムcを経て複合体IVに送られる。複合体IVは，還元型シトクロムcを酸化し，生じた電子がO2分子に渡される。1/2分子のO2がマトリックス内の2個のH+と結合すると1分子の水がつくられる（実際は4電子で水2分子が生成する）｡

電子伝達系の構成成分と反応
呼吸鎖の電子伝達系に関与する化合物と標準還元電位(∆Eo)の値を示す（代謝総論の酸化還元反応の熱力学の項を参照）。複合体I〜IVの過程では，多くのシトクロム系の鉄タンパク質や他の金属酵素が関与し，電子の授受を行う。この過程は電子のやり取りだけで反応が続いていく。

複合体I
NADH2+

FMN

Fe2+S

CoQ

NAD+

FMNH2

Fe3+S

CoQH2

複合体II
コハク酸

FAD

Fe2+S

CoQ

フマル酸

FADH2

Fe3+S

CoQH2

複合体III
CoQH2

Cyt b ox

CoQ

Cyt b red

Fe2+S

Cyt c1 ox

Cyt cred

Fe3+S

Cyt c1 red

Cyt cox

複合体IV
Cyt c red

Cyt a ox

Cyt a3 red

O2

Cyt c ox

Cyt a red

Cyt a3 ox

2 H2O

図中の着色部分はミトコンドリア内膜で強固に結合した複合体成分を表す。

複合体Ⅰ (NADHデヒドロゲナーゼ)
NADHデヒドロゲナーゼやNADH-CoQレダクターゼともいう。複合体IはNADHの2つの水素と電子をCoQに渡す。
NAD+ + CoQH2∆Go' = -71 kJ/mol)
NADH + H+ + CoQ
複合体Ⅰを電子が通過すると，4つのH+が膜間腔へ運ばれる。複合体Ⅰは42のサブユニットから成る複雑な構成のため，研究は遅れている。7つのサブユニットはミトコンドリアゲノムにコードされている。フラビン(FMN)酵素や少なくとも6つのFe-Sを含む。CoQは膜内を自由に動き回れる。複合体Ⅰを電子が通過すると，４つのH+が膜間スペースへ運ばれる。
複合体Ⅱ (コハク酸デヒドロゲナーゼ)
コハク酸デヒドロゲナーゼやコハク酸CoQレダクターゼともいう。複合体Ⅱはコハク酸からCoQに2つの水素と電子を渡す。
FAD + CoQH2 + フマル酸
∆Go'＝-2.9 kJ/mol
FADH2 + コハク酸 + CoQ
複合体Ⅱは，共有結合したFAD，シトクロムb560，[4Fe-4S]クラスター，2つの[2Fe-2S]クラスターを含む（ TCA回路の酵素である）。
複合体III (シトクロムbc1)
シトクロムbc1やCoQ-シトクロム cレダクターゼともいう。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。複合体ⅠまたはⅡからの電子はCoQに渡され，次いで，複合体Ⅲ内のヘムbK, ヘムbT，[2Fe-2S]クラスター，ヘム c1へと移動し，最後にシトクロムcに渡される。
CoQH2 + 2 cyt c(Fe3+)

CoQ + 2 cyt c(Fe2+) + 2H+∆Go'= -41 kJ/mol

1対の電子が複合体を通過する間に，4つのH+が膜間腔に汲み出される。
シトクロムcシトクロムcはミトコンドリア内膜の膜間スペース側に表在する可溶性タンパク質で，複合体IIIのシトクロムc1と複合体IVに交互に結合して1つずつ電子を運ぶ。
cyt c(Fe3+) + e- 4 cyt c(Fe2+)

ヘムはタンパク質の内部に埋もれている。
複合体Ⅳ (シトクロムcオキシダーゼ)
複合体を通常，シトクロムcオキシダーゼと呼ぶ。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。複合体IVはCN- やCOで阻害される。
4 cyt c(Fe2+) + O2 + 4H+

4 cyt c(Fe3+) + 2H2O

∆Go'= -110 kJ/mol

複合体IVを電子が通過すると，2つのH+が膜間スペースへ運ばれる。

[シトクロムcの構造]--複合体V (H +輸送ATPシンターゼ）によるATP合成--

P. Mitchellによって提案された(1961年)。電子伝達系の過程で，複合体 I, III, IVはマトリックス側から膜間スペースへプロトン( H+)を汲み出す。この結果，ミトコンドリア内膜を隔ててH+の濃度勾配が生じる。電子伝達で放出されたエネルギーは電気化学的ポテンシャル(∆µH+)として蓄えられることになる。また，ミトコンドリア内膜はイオンを通さないため膜を隔てて電荷の分離が起き，膜の両面に膜電位という電位差∆Ψが生じる。
∆µH+は次の式のように，濃度勾配による自由エネルギーと膜電位によるエネルギーの和で表される。
ΔμH+ = RTln([H+]in/[H+]out) + ZF∆Ψ

Fはファラデー定数。この∆µH+による膜間スペースからマトリックスへのH+の流入による自由エネルギーがATP合成に利用される。3個のH+が複合体Vをマトリックス側に移動する時，浸透圧的エネルギーが化学的エネルギーに変換され，ADPとリン酸から1分子のATPが合成される。
このように，NADH2+やFADH2の酸化と共役したATP合成の仕組みを酸化的リン酸化(oxydative phosphorylation)という。

ATP合成酵素は，ミトコンドリア内膜を貫くF0サブユニットと，それに結合してマトリックス側にのびたF1サブユニットで構成される。哺乳類のミトコンドリアは通常，約15,000個のATP合成酵素をもつ。

[酸化的リン酸化の模式図][呼吸鎖の複合体V (ATP合成酵素，H+-ATPase]

電子伝達系の過程でマトリックス側から膜間スペースへ汲み出されたH+
は，ATP合成酵素複合体のFoを通ってマトリックス側に入る。この濃度勾配の解消（発エルゴン変化）の自由エネルギーを利用して，ATP合成酵素
複合体のF1（ATP合成酵素）はADPとリン酸からATPを合成する。

膜貫通部Foはサブユニットa, b, cから成り，内膜を貫通する。Foはab2c10の構成をとる。aはH+チャネルを形成する。a，bは膜に固定されているが，cは膜内を自由に回転できる。F1部のγ鎖はサブユニットcと結合しており，cが回転するとγ鎖も回転する（中央図）。酵母のATP合成酵素モーター（右橋）。

H+がチャネルを通過するとサブユニットcが回転する。その結果，cと結合しているg鎖が回転する。γ鎖は非対称的であるため固定されたβ鎖と衝突し，その立体構造を変化させる。β鎖はADPやATPに対する親和性が異なる3つの立体構造をとる。
1. O（オープン）状態： 基質と結合しない構造
2. L（ルース）状態： 基質と弱く結合する構造
3. T（タイト）状態： 基質と強く結合する構造
β鎖はこれらの構造を交互にとりながら，ADP + PiをATPに変える。1個のH+が膜間腔からマトリックス側へ移動するごとに，γ鎖は120°回転する。それにつれて，β鎖の立体構造は1つの状態から次の状態に変化する。H+が移動してγ鎖が1回転する毎に，1つのβ鎖から1分子のATP，
つまり全部で3分子のATPがつくられる。このような形式の触媒を，回転触媒という。 H+輸送ATPシンターゼによるATP合成機構は，葉緑体（クロロプラスト）による光リン酸化と大変よく似ている。

H+の移動により，O状態のサブ 基質に対する親和性が増加
ユニットがL状態に変化する。 し，ADPとPiが結合する。

つ目のH+の移動により，L状態 高い親和性のサブユニット上のサブユニットがT状態に変化す で，ADPとPiがATPに変化する。
る。

[触媒サブユニットの立体構造変化とATP合成機構]

3つ目のH+の移動により，O状態に戻り。ATPを放出する

酵素結合型 (ADP + Pi) → 酵素結合型 (ATP + H2O)，∆Go = 0この反応の平衡定数は約1 (∆Go = 0)である。従って，この段階に特にエネルギーを必要としない。つまり，H+の移動によって生じるエネルギーは酵素の活性部位と基質との親和性を変化させるために使われていること になる。

複合体I〜IVにおける発エルゴン反応とATP合成の連関を，化学浸透共役(chemiosmotic
coupling)と呼ぶ。しかしながら，電子伝達系と酸化的リン酸化はそれぞれ独立の機能単位で行われるため，2,4-ジニトロフェノールやバリノマイシンのような酸化的リン酸化特異的な阻害剤
はATP合成のみを阻害する。このような物質を脱共役剤（アンカプラー, uncoupler）という。脱共役剤は電子伝達系には影響を与えない。
2,4-ジニロトフェノールは疎水性の弱酸で，H+運搬体として膜を通過しH+勾配を解消する。一方，バリノマイシ
ンは陽イオン運搬体として同様の作用をする。

呼吸鎖によって還元される酸素１原子当りの作られるATPの数をP/O比と呼ぶ。
酸化的リン酸化のP/O比は1940〜1950年代に研究され，その値は整数であるとされていた。しかし，化学浸透説からはP/O比は整数である必要はなく，1980年代以降のプロトン輸送の研究からP/O値は小数であるとの結果が多数を占めた。多くの研究をまとめると，NADH関連基質を用いた場合のP/O比は2.5，コハク酸の場合は1.5という数値が一般的のようですが，まだ議論の余地があり，この数値はP/O比の最大値とみなしたほうが妥当かもしれません。さらに，ATPシンターゼの最近の構造研究から、H+/ATP比さえ整数（＝３）でないかもしれないとの示唆も有ります。
NADH → 2.5 ATP
FADH2 → 1.5 ATP
P/O比が整数とならない理由として，ミトコンドリア内膜からのH+の漏出，リン酸の共輸送へのH+の利用，その他の物質の輸送へのH+の利用などが挙げられる。P. C. Hinkle, P/O ratios of mitochondrial oxidative phosphorylation. Biochim. Biophys. Acta, 1706, 1-11 (2005).

大腸菌のような酸素呼吸を行う細菌はミトコンドリアをもたないが，呼吸鎖は存在する｡ミトコ
ンドリア内膜に相当するのが細胞膜であり，そこにはミトコンドリアの複合体I〜IVに相当する酵素群やF0とF1で構成される複合体Vもある。電子伝達系で細胞質中のH+は細胞外へ汲み出される｡細
胞内外のH+の濃度勾配で生じる化学ポテンシャルを利用して，ATP合成を行うのも同じである｡ただし，合成されたATPは，当然のことながら，細胞内にとどまる｡[大腸菌の呼吸鎖]

ミトコンドリアでは，プロトン濃度勾配は主としてATP合成に使用されるが，他の物質の輸送にも利用される。プロトン濃度勾配のために，内膜のマトリックス側は負，膜間腔側は正に荷電している。H+の移動によってADPやリン酸がマトリックスにとり込まれるのに伴い，より高い負電荷をもつATPは外に吐き出される。この輸送のために１個のH+が必要であるため，酸化的リン酸化でATPをつくるには結局，４H+が必要となる。
また，ミトコンドリア内で必要な核にコードされたタンパク質が，ミトコンドリア外膜(OMM)や内膜(IMM)を通過する際にも，H+濃度勾配のエネルギーが利用される。ミトコンド
リアからH+の漏れがあることも知られてきた。この漏れは自由エネルギーを熱に変えてしま
う。

葉緑体

明反応

光受容体

植物の明反応

光リン酸化

リブロースビスリン酸カルボキシラーゼ[ADP-ATPトランスロケーター][リン酸トランスロカーゼ]

暗反応

光合成 (photosynthesis) は，高等植物や緑藻（青色細菌）が葉緑体（クロロプラスト）内で行う，二酸化炭素の固定反応である。この過程で水が酸素に酸化され，二酸化炭素は還元されて糖になる。年間に約1011t もの炭素が光合成で固定される。
[CH2O] + O2
CO2 + H2O
光合成は大きく2つの段階に区別される。１つは明反応と呼ばれ，光のエネルギーを利用して水が酸素に酸化されるとともに，二酸化炭素の還元に必要なNADPH2+とATPをつくりだす。もう１つの段階は暗反応と呼ばれ，NADPH2+とATPを利用して二酸化炭素から種々の糖がつくられる。

葉緑体(chloroplast)には透過性の良い外部境界膜と，透過性の低い内部境界膜がある。クロロ
プラストの内部はストロマと呼ばれる。ストロマには高濃度の酵素があり，その半分はリブロー
スビスリン酸カルボキシラーゼ (Rubisco) である。また，ミトコンドリアと同様に，二本鎖の環状DNAや原核細胞型のリボソームが存在する。DNAは約100種のタンパク質をコードしているが，それでも葉緑体で必要な約10%にしか過ぎない。
ストロマ内には膜で包まれたチラコイドという構造物が存在する。チラコイドが10〜100個積
み重なり，グラナという構造をとっている。グラナ間はストロマラメラで連結されている。チラ
コイド膜はリン脂質の含量が約10%と低く，ガラクトースを含む糖脂質が大部分を占める(80%)。また，脂肪酸は不飽和度が高いため，膜の流動性が高い。
1881年、Engelmannによって，クロロプラストは光合成を行う場であることが実証された｡光合成における光吸収反応は光化学系 (phososystem, PS) と呼ばれる色素-タンパク質複合体で行われる｡

植物の光合成の最初の段階は，光のエネルギーを利用し，水を酸化して酸素にすると共に，暗反応の二酸化炭素還元に必要なNADPH2+とATPをつくりだすことである。これらの過程を明反応（light reaction）といい，全行程は2 H2O + NADP+ → 2 NADPH2+ + O2
ADP + Pi → ATPとなる。光合成で発生する酸素（O2）は水に由来する事が分かる。ATP合成については，光リン酸化を参照せよ｡

光を受容する受容体は，クロロフィル（Chl） a, bという緑色の色素である。クロロフィルはプロトポルフィリンIXの誘導体で，中心にMg2+が配位している。Mg2+が配位していないものをフェオフィチンという。

[クロロフィル a （Chl a）の構造][フェオフィチンa (Pheo a)の構造]

クロロフィルはプロトポルフィリン IXの誘導体で，中心にMg2+が配位している。

クロロフィルaのMg2+が2H+に置換された分子をフェオフィチンaという。

クロロプラスト中の大部分のクロロフィルは光を集めるアンテナの役割を果たす。吸収された光子のエネルギーはアンテナクロロフィル間を励起エネルギーとして移動し，アンテナクロロフィルよりも励起エネルギーの低い反応中心クロロフィルに集められる。反応中心クロロフィル
は，タンパク質，電子伝達補因子，クロロフィル二量体（特別ペア, special pair）からなる複合体である。

[β-カロテン][アンテナクロロフィルから反応中心
クロロフィルへのエネルギーの移動][クロロフィルa,bの吸収スペクトル][フィコエリトロビリン]
クロロフィルが吸収できない波長の光を集めるために，β-カロテンのようなカロテノイド類（黄色〜橙色），フィコエリトリン中のフィコ
エリトロビリン（赤色）やフィコシアニン中のフィコシアノビリン（青色）のようなフィコビリン類など，別の色の色素も使われる。

光合成の機能単位は，光化学系（Photosystem, PS）と呼ばれるタンパク質とクロロフィル(Chl)や補助色素の複合体である。光化学系は2つあり，光化学系（Photosystem, PS）I，IIと呼ばれる（番号は発見順）。これらはチラコイド膜に埋め込まれている。
光化学系I (PS I)の反応中心クロロフィル（特別ペア）の吸収極大は700 nmで，この2つはP700と呼ばれる。一方，光化学系II (PS II)の吸収極
大は680 nmで，特別ペアはP680と呼ばれる。

明反応の光化学系（PS）複合体
複合体

成分名
酸素発生複合体(水デヒドロゲナーゼ, OEC),
光化学系（PS） P680, フェオフィチン(Pheo),
膜結合型プラストキノン(QA, QB),複合体II
膜結合型プラストキノンプール
シトクロムb6（2ヘム型）, (2Fe-2S),
シトクロム
b6- f複合体
シトクロムf, 膜結合型プラストキノール（PQ)
プラストシアニン（シトクロム c-553, 10.5kD, Cu I/II
プラストシアニン型）
P700, A0, A1
光化学系（PS） X,A,B（膜結合4Fe-4S型タンパク質）, フェレドキシ
複合体Iン，
フェレドキシン-NADP + レダクターゼ
ATP シンターゼ（ATPase)[A. carteraeの集光性複合体(LHC)]
CF0：プロトン輸送チャネルタンパク質他
光リン酸化系
中央にクロロフィルaが2個あり，その周りにたくさんのカロテノイド(peridinin)が存在する。
CF1：α3β3γδεカロテノイドが集めた光はクロロフィルに渡され，次いで，P680やP700へ送られる。

さらに，タンパク質と結合した色素分子で構成される集光性複合体(light harvestingcomplex, LHC)がある。LHCは光化学系の構成員ではなく，一部はPS Iと，他はPS IIと結合している。また，両方に結合できる可動性のものもある。

植物光合成の光化学系（Z機構）
明反応は，PSIIが光のエネルギーを受け取って酸素発生複合体(OEC)を活性化させることで開始される。水の分解で生じた電子は，以後，ミトコンドリアの呼吸鎖で見られる電子伝達系と同様に，タンパク質や色素間でやり取りされる。

[明反応のZ機構]
明反応の機構はZ機構と呼ばれる。
1.光化学系II（PS II）における反応
光化学系II（PS II）が光のエネルギーを受け取り，２分子のH2Oを酸素（O2）にまで酸化できる強い酸化剤である酸素発生複合体が生成するとともに，P680を弱い還元剤（P680*）に変える。これに付随して，チラコイド内では４つのプロトンが生じる。
酸素発生複合体（水デヒドロゲナーゼ, OEC）は，Mnイオンを４つもつ，金属タンパク質である。この酵素は光のエネルギーを利用して２分子のH2Oを４電子酸化し，酸素（O2）を生成する。光子8〜10個当たり1分子のO2が生じる。 2 H2O --> 4 H + + 4 e- + O2生じた電子は電子供与体Zを経てP680のクロロフィルaに渡される。P680は励起され，強い電子供与体(P680*)に変わる。
2.光化学系Ⅱからプラストキノンへの電子伝達
1分子のH2Oから放出された2つの励起電子は，フェオフィチンa （Pheo），プラストキノン（PQA，PQB）へと渡される。同時に，ストロマ側から2H+をとってプラストキノール（PQBH2）を生じる。電子はさらに膜結合型のプラストキノンプール（PQpool）へと渡される。

[光化学系のキノン]
3.光化学系Ⅱ (PS II)への電子伝達
プラストキノールプールの電子はシトクロムb6-f複合体，次いでプラストシアニン（PC）に渡される。この時，8個のH+がストロマからチラコイド内に汲み入れられる。ATP合成に必要なプ
ロトン濃度勾配は，主にこの段階で形成される。
シトクロムb6-f複合体は，2つのヘム bをもつシトクロムb6，結合型プラストキノン(PQ)，[2Fe2S]型鉄-硫黄クラスタータンパク質，変形型ヘム cをもつシトクロムfからなり，呼吸鎖の複合体[フェレドキシンの構造]Ⅲに似ている。プラストシアニンが受け取った電子は，さらに，次の光化学系I (PS I)へ渡されフェレドキシンはストロマにある可溶性の酵る。
素で，4Fe-4S型の鉄-硫黄クラスターをも4.光化学系Ⅰ (PS I)の反応
つ。一度に1個の電子を受け取る。
+
光化学系IIとは位置的に離れた光化学系I（PS I）が光のエネルギーを受け取り，NADPをNADPH2+まで還元できる強い還元剤と弱い酸化剤が生じる。つまり，P700は光で励起されて電子を放出して酸化型（P700*）になる。P700*はプラストシアニンからの電子で還元される。
一方で，P700から放出された電子はA0（クロロフィルa），A1（フィロキノン），FX，FA,Bなどの4Fe-4S型鉄-硫黄クラスターなどで次々に運ばれ，フェレドキシンに渡される。
5.フェレドキシン-NADP + レダクターゼによるNADPH2+の生成
フェレドキシンは，フェレドキシン-NADP + レダクターゼのFADに電子を渡す。次いで，NADP+ レダクターゼはNADP+をNADPH2+に還元する。
一方，P700から放出された電子がシトクロムb6-f 複合体に戻され，H+をチラコイド内に汲み込むのに利用される循環的電子伝達もある。この場合NADPH2+はつくられず，PS IIも関与しない。このH+濃度勾配を利用してATP合成だけが行われる。

（photophosphorylation）
光化学系IIにおける水2分子の酸化で4H+，シトクロムb6-f 複合体で8H+，合計12H+がストロマからチラコイド内に生成または取り込まれる。この結果，チラコイド膜を挟んでプロトン勾配が生じることとなる。このプロトン濃度勾配（pH勾配）を解消するために，ミトコンドリ
アにおける酸化的リン酸化の場合と同様，プロトンがATP合成酵素（H+輸送ATPase）を通ってストロマ側に汲み出される。3H+の移動と共役
して，ADPとリン酸から1分子のATPが合成される。これを光リン酸化（photophosphorylation）という。
ミトコンドリアの場合と異なる点としては，チラコイド膜がMg2+やCl- を通すために電荷的中性は保たれ，ATP合成の駆動力は電荷勾配ではなく，pH勾配だけに依存することである。ストロマとチラコイド内のpHの差は3.5にも達する。
ATP合成酵素の分子的構成はCFoとCF1の2つの部分から成り，それらのサブユニット構成もミトコンドリア酵素と酷似している。ATP合成
機構もほぼ同じと推定される。ただし，ATPase複合体の分子の向きは，ミトコンドリアでは内向きであるのに対して，クロロプラストではス
トロマ側つまり外向きである。
いま，クロロプラストが8光子を吸収した場合を考える。このとき１分子のO2と2分子のNADPH2+が生じ，12 H+が移動する。12 H+から4
ATPがつくられ，２ NADPH2+は酸化的リン酸化で６ ATPをつくれるので，合計10 ATPがつくられることとなる。従って，1光子の吸収により1.25 ATPがつくられる計算になる。

[H+輸送ATPaseによるATP合成]

リブロースビスリン酸カルボキシラーゼは正式にはリブロース 1.5-ビスリン酸カルボキシラーゼ- オキシゲナーゼ (略称はRubisco) と呼ばれる｡この酵素はリブロース 1,6-ビスリン酸（RuBP）のカルボキシル化を触媒して2分子の3-ホスホグリセリン酸（3-PG）を生じる。リブロー
スビスリン酸カルボキシラーゼは光合成の要となる酵素で，葉緑体タンパク質の15% (ストロマの可溶性タンパク質の実に50%) を占める。自然界に最も多量に存在する酵素である｡動物はこの酵素をもたない。

[ほうれん草Rubiscoの立体構造]（左）真上から見た図，（右）横から見た図[SynechococcusのRubiscoの大小サブユニット]
α-らせん(青)， β-シート(緑)，CAB(水色)，基質(CO 2)赤Synechococcusの酵素は大サブユニットと小サブユニットから成る
十六量体タンパク質である｡

ほうれん草Rubiscoは大サブユニット8つと，小サブユニット8つから成る十六量体であるが，ここにはその半分の八量体が示されている｡酵素活性を抑えるために，2-カルボキシ
アラビニトール 1-リン酸(CAB)が結合した状態で結晶解析がされた。

（dark reaction）
明反応において，光のエネルギーを利用してATPとNADPH2+を合成した。これらを用いて，二酸化炭素から糖を合成する過程を暗反応（dark reaction），Calvin サイクル，または還元的ペントースリン酸回路という。暗反応では光のエネルギーを一切必要としない。
暗反応は次の2つの段階に分けられる。 以下の記述はサイクルが計３回まわった場合である。
1.還元的合成過程：段階 〜 ｘ 3回
3分子のリブロース-5-リン酸 と3分子のCO2から6分子のグリセルアルデヒド-3-リン酸（ GAP）が合成される。この時，全部で９分子のATP（段階 と ）と６分子のNADPH2+（段階 ）が消費される。段階 でのCO2の取り込みは，リブロースビスリン酸カルボキシ
ラーゼ (Rubisco) によって触媒される。また，段階 〜 は糖新生あるいは解糖の逆反応と全く同じである。
2.再生過程：段階 〜
１分子のGAPは糖の合成に使われる（光合成生成物）。残り５分子のGAPは糖の組み替えを経て，３分子のリブロース-5-リン酸 に再生される。ここでは，自由エネルギーATPや還元剤NADPH2+を全く必要としない。再生過程はヘキソースリン酸側路(HMS，ホスホグルコン酸回路）と大変良く似ている。
以上，2段階をまとめると，
3 CO2 + 9 ATP + 6 NADPH2+ → GAP + 9 ADP + 8 Pi + 6 NADP+となる。これはまさに，二酸化炭素を還元して糖（GAP）を創り出したことに他ならない！
グリセルアルデヒド-3-リン酸（ GAP）から，糖新生やその他の経路によって，ショ糖，デンプン，セルロース，脂肪酸，アミノ酸などが合成
される。

グリセル
アルデヒド3-リン酸デヒドロゲナーゼ

ホスホグリセリン酸キナーゼATP

ADP

6(グリセルアルデヒド 3-リン酸)［ GAP]

6(1,3-ビスNADP+
ホスホグリセリン酸)

6(3-ホスホグリセリン酸)

6CO2

NADPH2+

1 GAP
光合成生成
物 に利用。
残りの5 GAPは3分子のリブ ロース 1,5-ニリン酸の再生に 使う｡(2 GAP)

Pi

リブロースビスリン酸
カルボキシラーゼ (Rubisco)

トリオースリン酸イソメラーゼ

二酸化炭素の固定

1 GAP
3(リブロース 1,5ニリン酸, RuBP)

アルドラーゼフルクトース 1,6-ビスリン酸

ADP
ATP

ホスホリブロキナーゼ

アルドラーゼフルクトース-1,6ビスホスファターゼ3(リブロース 5-リン酸)2(ジヒドロキシ
アセトンリン酸)
エリトロース
4-リン酸

*

Pi

セドヘプツロース
1,7-ビスリン酸

フルクトース 6-リン酸

1GAP

リボース5-リン酸
イソメラー
ゼ

トランスケトラー
ゼPi

セドヘプツロース1,7-ビスホスファ
ターゼ*
リボース 5-リン酸

2(キシルロースエリトロース
5-リン酸)
4-リン酸

セドヘプツロース7-リン酸

1 GAP
トランスケトラーゼ

光呼吸 (Photorespiration)
リブロースビスリン酸カルボキシラーゼは酸素添加反応も触媒する｡酸素添加反応では，1分子の3-ホスホグリセリン酸（PG）と1分子のホスホグリコール酸が生じる｡ホスホグリコール酸はペルオキシソームとミトコンドリアで酸化的に代謝されてCO2と3-ホスホグリセリン酸になる。これを光呼吸という。この過程の途中でATPとNAHPH2+が消費される｡この無駄な経路はRubiscoがCO2とO2を区別できないためである。
酸素添加反応の効率は温度とともに上昇するので，光呼吸は高温における酸素の障害から身を守る役割があるとも示唆されている。
ホスホグリコール酸ホスファターゼ

ホスホ
グリコール酸グリコール酸オキシダーゼO2

Pi グリコール酸＋

H2O2グリオキシル酸

グリシン

２× グリシン(NH3) アミノ転移

カタラーゼ

ミトコンドリア

1/2O2+ H2O

CO2 NH3

クロロプラスト3PG

セリン
3-ヒドロキシ ピルビン酸
NADH2+

サイトゾル

RubiscoO2
グリセリン酸キナーゼ

Rubisco

CO2

3PG
（2分子）

ADP ATPNAD+

セリン

ヒドロキシピルビン酸
レダクターゼペルオキシソームでは光呼吸だけでなく，カタラーゼによるペルオキシソーム
過酸化水素の分解やグリオ
グリセリン酸
キシル酸回路も行われる。

C4経路による二酸化炭素の濃縮
トウモロコシ，モロコシ，サトウキビ，多くの雑草は二酸化炭素を濃縮する代謝経路，C4サイクルをもち，ほとんど光呼吸をせずにCO2をリンゴ酸などのC4化合物に固定する。これらの植物はC4植物と呼ばれ，その葉は葉脈を中心に単層の維管束鞘細胞が並び，その外側を葉肉細胞が取り囲んだ構造をしている。
大気中のCO2は葉肉細胞に取り込まれるが，葉肉細胞のクロロプラストにはRubiscoがないので，ホスホエノールピルビン酸とCO2から先ずオキサロ酢酸(C4)をつくり，これをリンゴ酸（あるいはアスパラギン酸）に変えて維管束鞘細胞へ送る。維管束鞘細胞はリンゴ酸を脱炭酸してピルビン酸に変え，この時生じるCO2をCalvinサイクル（暗反応）に利用する。

嫌気的解糖と好気的解糖 グルコースの完全酸化コリ回路（乳酸の再利用) その他の糖の代謝

グルコースをフルクトースに異性化する理由

乳酸やエタノールをつくる理由

解糖(glycolysis)はほとんど全ての生物に共通に存在する糖の代謝経路で，反応は細胞質で行われる。解糖は Embden-Meyerhof 経路 とも呼ばれ，本来、D-グルコースの嫌気的分解による乳酸やエタノール生成までの過程（ 発酵という）を意味したが、好気的条件下でもピルビン酸までは全く同じ経路をたどる事が分かった。
狭義の解糖は以下の10段階の代謝反応で構成される。反応 と はATPを消費する段階，反応 と はATPを生産する段階（基質レベルのリン酸化）である。また，反応 で無機リン酸が使われ，NAD+が消費されることに注意。

1 細胞に取り込まれたグルコースはすぐに6-リン酸化される。 ATP消費。
グルコース 6-リン酸(G-6-P)はフルクトース 6-リン酸(F-6-P)に異性化される｡(
グルコースをフルクトースに異性化する
2
理由を参照。)
3 F-6-Pはさらに二リン酸に変えられる。 ATP消費。
生じたフルクトース 1,6-ビスリン酸(FBP)はアルドール開裂により，ジヒドロキシアセトンリン酸(DHAP)とグリセルアル4
デヒド 3-リン酸(GAP)になる。
5 DHAPはGAPに異性化される｡４で分かれた2つの経路がこれで1つになる｡
6 無機リン酸を利用してGAPを1,3-ビスホスホグリセリン酸(BPG)に変える。この段階は NAD+を消費する｡
BPGの１位のリン酸基をADPに転移し，ATPを合成（基質レベルのリン酸化）するとともに，3-ホスホグリセリン酸(37PG)に変える。
8 3-PGを異性化する｡
生じた2-ホスホグリセリン酸(2-PG)から，脱水反応により高エネルギー化合物であるホスホエノールピルビン酸(PEP)を9つくる。
PEPの2位のリン酸基をADPに転移し，ATPを合成（基質レベルのリン酸化）する。エノール型のピルビン酸は互変異性に10よりピルビン酸になる｡

嫌気的条件では、乳酸やエタノールの生成が最終段階となり，１分子のグルコースから２分子のATPがつくられる。
Glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+
2 Pyruvate + 2 ATP + 2 NADH2+ + 2 H2O
筋肉など大部分の組織はグリコーゲンを貯蔵しているので，解糖はグリコーゲンから始まる。この場合，グリコーゲンの分解で得られるグル
コース6-リン酸( G-6-P )から出発するのでグルコース単位当たり３分子のATPがつくられる。
G-6-P + 3 ADP + 2 Pi + 2 NAD+
2 Pyruvate + 3 ATP + 2 NADH2+ + 2 H2O
一方，好気的条件では乳酸生成の速度が著しく低下する。これは、(a) ピルビン酸 乳酸の経路から，(b) ピルビン酸 アセチル-CoA TCA回
路 呼吸鎖の経路に切り替わるためである（パスツール効果）。(b)の経路を利用した場合，グルコース １分子から最大38分子ものATPが得られる（グルコースの完全酸化を参照）。
しかしながら，解糖によるATP合成は呼吸鎖を利用した場合の約100倍の速度をもつため，激しい短期間の筋肉の運動などではクレアチンリン酸，次いで解糖が利用され，筋肉中に乳酸が蓄積する。生じた乳酸は肝臓に送られてピルビン酸に戻され，糖新生やTCA回路で有効に利用される（コリ回路）。
解糖の代謝流量は、その生産物に対する需要で細かく制御される。そのため，ほとんどの反応は可逆的であるが，キナーゼが触媒する反応のうち は可逆的であるが，は細胞内の条件では不可逆である。従って，糖新生は単なる解糖の逆経路ではなく，不可逆的な段階では別の反応や経路を利用する事になる[「異化と同化は別経路」の１つの例]。
標準自由エネルギー変化(∆G0')と生理的条件での自由エネルギー変化(∆G) 単位，kJ/mol
反応
酵 素
1 ヘキソキナーゼ
2 グルコースリン酸イソメラーゼ
3 ホスホフルクトキナーゼ
4アルドラーゼ5

トリオースリン酸イソメラーゼ∆G0' ∆G

反応-20.9 -27.2 グルコース→グルコース 6-リン酸+2.2 -1.4 →フルクトース 6-リン酸-17.2 -25.9 →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+7.9 +4.4→グリセルアルデヒド 3-リン酸+22.8 -5.9

6 グリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼ
7 ホスホグリセリン酸キナーゼ
8 ホスホグリセロムターゼ
9 エノラーゼ
10 ピルビン酸キナーゼ

-16.7

-1.1

→1,3-ビスホスホグリセリン酸→3-ホスホグリセリン酸+4.7 -0.6 →2-ホスホグリセリン酸-3.2-2.4 →ホスホエノールピルビン酸-23.0 -13.9 →ピルビン酸

E.A.Newsholme, C.Start, "Regulation in Metabolism",p.97, Wilew (1973)

グルコースは解糖で2 ATPを生成するが，好気的条件下では，生じるピルビン酸を更にミトコンドリアのTCA回路を経て呼吸鎖に回すことによって，二酸化炭素と水にまで完全代謝される。この場合，解糖だけよりもっと多くのATPを生産することができる。
・グルコース → 2 ピルビン酸 ＋ 2 ATP ＋ 2 NADH2+ （解糖） 細胞質
・2 ピルビン酸 → 2 アセチル-CoA ＋ 2 CO 2 ＋ 2 NADH2 （CoA化） ミトコンドリア
・2 アセチル-CoA → 4 CO 2 ＋ 6 NADH2+ ＋ 2 FADH2 ＋ 2 GTP （TCA回路） ミトコンドリア
・GTP → ATP
・FADH2 → 2 ATP （呼吸鎖） ミトコンドリア
・NADH2+ → 3または2 ATP （呼吸鎖） ミトコンドリア[下記]ミトコンドリアへのNADH2+の輸送
グルコース → 2 ピルビン酸（解糖）の変化は細胞質で起きる。生じたNADH2+はミトコンドリアの内膜を通過できないため，２つの仕組み
で膜内に輸送される。
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
もう1つの輸送機構はグリセロリン酸シャトルで，ミトコンドリア内膜に結合した酵素のFAD/FADH2変換を利用して電子を送り込む。
このシャトル系を利用した場合，FADH2がNADH2+の代わりとなるため，NADH2+=2 ATP (または１.５ ATP)となる。

リンゴ酸-アスパラギン酸シャトル
肝臓，心臓，腎臓など
リンゴ酸-アスパラギン酸シャトルは，次のような輸送の仕組みにより，NADH 2+をミトコンドリアにを送り込む。（NADH2+そのものは移動せず，結局，電子が移動することになる）。この輸送系を利用した場合， NADH2+から3 ATP (または２.５ ATP)がつくられる。
（α-KG： α-ケトグルタル酸）

以上を総計すると，グルコース １分子から，肝臓，心臓，腎臓ではNADH2+がリンゴ酸-アスパラギン酸シャトルを通過するため 38 ATP (または32 ATP)，それ以外の臓器ではグリセロリン酸シャトルを通過するため 36 ATP (または30 ATP)がつくられることになる。( )内の数値
はP/O比を2.5, 1.5で計算したもの。
なお，ミトコンドリアを持たない原核細胞の場合，グルコースから得られる2 NADH2+は細胞膜に存在する呼吸鎖酵素によって6 ATPに変換される。

異化代謝においてC-C結合を切断するのにしばしば用いられるやり方は，右図のようにカルボニル基のβ位で切ることである（脂肪酸のβ-酸化 もその例）。これはカルボニル基の電子吸引性のためβメチレンが活性化されているためである。高校で習うヨードホルム反応（ハロホルム
分解）はその一例である。
解糖の初期段階でグルコースはフルクトースに異性化される。上の図のように，グルコース-6リン酸の場合はC-C結合をβ位で切断するとC 2とC4の化合物が生じるが，フルクトース-6-リン酸であればβ位が１つずれているために，2分子のC3化合物が生じる。この一方を異性化して同じ分子（グリセルアルデヒド 3-リン酸）にすることによって，以後， 代謝経路を一本化できる。
また，フルクトースの代謝も，フルクトース-6-リン酸という入口ができることによって，単純化できる利点もある。

グルコース-6-リン酸

フルクトース-6-リン酸

嫌気的条件下では，解糖はピルビン酸を経て乳酸やエタノールの生成をもって終了する（発酵）｡解糖の段階 でNAD+が消費されるが，その細胞質内濃度は限られているため解糖を続行するためには再生する必要がある。そこで，経路をピルビン酸で止めずに乳酸やエタノールをつくることによっててNAD+の再生を行う必要がある｡生じた乳酸は肝臓に送られ，また元のピルビン酸に戻されて，糖新生やTCA回路で有効に利用される（コリ回路）。

GAP

NAD+ NADH2+

乳酸
デヒドロゲナーゼ

乳酸

肝臓
筋肉において，嫌気的条件下でグルコースから生成した乳酸は血液中に放出され肝臓へと運ばれる｡肝臓で乳酸は糖新生によって再びグルコースへと変えられて血液中に放出され，筋肉に戻る。このようなグ グリコーゲン
ルコースと乳酸の循環をコリ回路 (Cori cycle) という。
乳酸が過剰に筋肉に蓄積すると組織のｐHを低下させるため，いわゆる「疲れ」や「こり」といった現 グルコース
象を引き起こす｡また，血液中の乳酸濃度が高くなると血液の緩衝力を超え，pHが低下する（乳酸アシ
糖新生ドーシス）。コリ回路はそれらを解消するための肝臓と筋肉の連携による生理的な機構である｡
乳酸

グルコース以外の糖は，いずれも解糖の経路に乗せられて代謝される｡
解糖へ●フルクトース→フルクトース 1-リン酸→DHAP●ガラクトース→ガラクトース 1-リン酸→グルコース 1-リン酸→グルコース6-リン酸
解糖へ● マンノース→マンノース 6-リン酸→フルクトース 6-リン酸

リンゴ酸からのNADHの供給

1,3-BPG

ピルビン酸

血液

グルコース

筋肉
グリコーゲ
ン
嫌気的解糖

乳酸

乳酸

解糖へ

飢餓状態での糖新生

乳酸、ピルビン酸、アミノ酸、プロピオン酸などから、おおむね解糖を逆行してD-グルコースをつくる経路を 糖新生(Gluconeogenesis)という。脂肪酸やアセチルCoAはピルビン酸に変換できないので，この代謝経路にのらない。乳酸からグルコースに至る全反応は次のようになる。
（青色の番号は糖新生に固有の経路）

最初の2つの反応

反応

は解糖の反応とは解糖の反応の逆とは異なる経路との逆とは異なり，加水分解。

酵素

は肝と腎のみに存在段階(1)(5)でATP，(2)でGTPが消費される。この経路の最終段階の酵素（グルコース-6-ホスファターゼ )は肝臓と腎臓にしか存在しない（「肝腎かなめ」という）。従って，糖新生でグルコースをつくるのは肝臓で行われ，他の臓器ではグルコール 6-リン酸までである｡
解糖の1、3、10番目の段階（糖新生では段階(1)(2)、(9)、(11)に相当）は不可逆であるため、これらの段階は別の経路または別の種類の反応が利用される（「異化と同化は別経路」の例）。これによって、一見単なる逆反応のように見える糖新生と解糖を独立に制御できる。糖新生で見過ごせない事は，段階(6)でNADH2+を必要とする点である。解糖や糖新生に利用できるNADH2+の量は限られている。NADH2+はホスホグルコン酸回路から60％，リンゴ酸から40％が供給される。

糖新生では段階(6)でNADH2+を必要とする。乳酸からの糖新生では，乳酸をピルビン酸に変える過程でNADH2+が生じる。一方，ピルビン酸から糖新生を行う場合，このNADH2+を何らかの手段で供給する必要がある。これはリンゴ酸を経由することで解決される。
オキサロ酢酸
リンゴ酸
ピルビン酸
NADH2+

ピルビン酸

NAD+

オキサロ酢酸

ミトコンドリア

リンゴ酸

細胞質

このNADH2+を段階(6)に用いる
ホスホエノールピルビン酸
アミノ酸から糖新生を行う場合は，肝臓に余計な窒素負担をかけるため，尿素回路との連携を必要とする。アラニンを例にとると，２分子のアラニンがピルビン酸になりミトコンドリアに入る。一方はリンゴ酸とNH3を，もう一方はアスパラギン酸になる。アスパラギン酸はこのNH3を処理するのに用いられると共にリンゴ酸に変る。このようにして生じた２分子のリンゴ酸から上と同様にして糖新生に必要なNADH2+が供給される。
オキサロ酢酸
リンゴ酸 アスパラギン酸
オキサロ酢酸
ピルビン酸
NADH2+NAD+

Glu リンゴ酸

ピルビン酸ミトコンドリア NH3+ α-KG
Glu

細胞質

α-KG

アラニン

尿素回路へ
ホスホエノールピルビン酸

アスパラギン酸 ピルビン酸

NAD+
NADH2+

ピルビン酸

オキサロ酢酸アラニン
プロピオン酸から糖新生の場合，前半は奇数炭素の脂肪酸のβ-酸化 の経路を利用し，次のようにしてNADH2+が供給される。
プロピオニル-CoA
S-メチルマロニル-CoA
R-メチルマロニル-CoA
プロピオン酸
オキサロ酢酸

リンゴ酸
NADH2+

フマル酸

コハク酸

スクシニル-CoANAD+

ホスホエノールピルビン酸

糖新生

脳は一定のグルコースの供給を必要とするので，糖新生は飢餓状態では特に重要な代謝経路である｡肝臓のグルコキナーゼはKm値が高いので，血糖が低下するとグ
ルコース==>グルコース 6-リン酸の反応が低下する。一方，グリコーゲンの分解によりグルコース 6-リン酸が供給され，グルコース-6-ホスファターゼによるグルコース合成が高まる｡
飢餓状態が続けば，筋肉タンパク質が分解され，得られるアミノ酸の代謝物からオキサロ酢酸やピルビン酸がつくられ，糖新生によってグルコースが合成される｡
糖新生の最終段階の酵素（グルコース-6-ホスファターゼ）は肝臓と腎臓にしかないので，グルコースは肝臓でつくられ血流に放出され，脳や他の組織に運ばれる（グルコース-アラニン回路 ）｡1gのグルコースを得るためには，2gのタンパク質を分解しなければならない｡飢餓時には筋肉は脂肪酸を優先的に使用し，脳はケトン体を使用する｡

筋肉

肝臓

タンパク質
↓
アミノ酸
脱アミノ
TCA回路の酸↓
オキサロ酢酸
↓
アラニン

グルコース

飢餓により阻害
アセチルCoA
ピルビン酸

アラニン

ホスホグルコン酸回路は、ヘキソースリン酸側路(hexose monophosphate shunt, HMS)，ペントース HMSの生理的意義：
リン酸経路，Warburg-Dickens経路など，多くの別名で呼ばれる。HMSは、 解糖経路のグルコース-6(1) NADPH2+の生産
リン酸から枝分かれし、フルクトース 6-リン酸またはグリセルアルデヒド 3-リン酸で解糖に戻ってく(2) リボース 5-リン酸の生産
る回路状の代謝経路である。HMSは肝臓、脂肪組織、副腎皮質、生殖腺で活躍している。
(3) 三炭糖〜七炭糖の相互変換
HMSは次の3つの段階に分けられる。
【酸化的なNADPH2+生産】段階 〜+
グルコース-6-リン酸からリブロース-5-リン酸に到る不可逆過程。グルコース-6-リン酸1分子から2分子のNADPH
2 が生産される。
【異性化】段階リブロース-5-リン酸をリボース-5-リン酸に変換する可逆的過程。
【三炭糖〜七炭糖の相互変換】段階 〜
C-C結合の開裂と生成を繰り返して、糖の相互変換を行う可逆的過程。
生体内では、NADPH2+の需要に比べれば、リボース 5-リン酸の需要は小さい。従って、余ったリボース 5-リン酸をグルコース 6-リン酸に再生することが必要となる。段階 以降の反応はこれに答えたものである。下に示す全体の反応は、HMSの回路を６回まわった時の反応収支である。驚くことに、グルコース 6-リン酸は酸素を全く用いずに、全て CO2と水素（NADPH2+）に変換されている。
Glucose-6-Phosphate + 12 NADP+ + 6 H2O ---> 12 NADPH2+ + 6 CO2 + Pi

経路を6回まわると，1分子のグルコース 6-リン酸は全てCO 2と水素（NADPH2+）に変換され，何も余剰物が出ないことを確かめて下さい。これと全く逆に，光合成の暗反応（別名，還元的ペントースリン酸経路）はCO2とNADPH2+をつぎ込んで余剰物（グリセルアル
デヒド 3-リン酸）をつくることが目的である。 この両者を比較すると面白い｡

酸化的経路が十分に働かないような嫌気的条件でも、可逆的な糖の相互変換経路を用いれば、フルクトース 6-リン酸とグリセルアルデヒドで調節される。NADP+の濃度が高くなる（つまり、NADPH2+が消費され3-リン酸からリボース 5-リン酸を合成できる。HMSの流量は段階る）と活性が上昇する。NADPH2+は、脂肪酸合成、コレステロール合成、光合成などに必須の補酵素であり、生体内での需要が多い。また、
リボース-5-リン酸はプリンヌクレオチドの原料、ひいては核酸合成の原料として、増殖期にある細胞では特に必要である。

グルコース-6-リン酸デヒドロゲナーゼグルコース 6-リン酸
NADP+ NADPH2+

6-ホスホ
グルクロン酸デヒドロゲナーセ

ラクトナーゼ6-ホスホグルコノ
ラクトン H2O

リブロース 5-リン酸

6-ホスホグルコン酸
H+

NADP+ NADPH2+
CO2

解糖より

ホスホペントース
エピメラーゼ
トランス

トランス

解糖へ

キシルロース ケトラーゼ セドヘプツロース アルドラーゼ フルクトース 6-リン酸
5-リン酸
7-リン酸

リブロース 5-リン酸

トランス
ケトラーゼ

ホスホペントース
イソメラーゼフルクトース-6-リン酸
リボース 5-リン酸

グリセルアルデヒド エリトロース 4-リン酸
3-リン酸
キシルロース 5-リン酸

リボース 5-リン酸

グリセルアルデヒド
3-リン酸
解糖へ

【グリコーゲン合成】
グリコーゲンは、解糖の最初の段階で得られるグルコース 6-リン酸 から合成される。段階(1)で6位のリン酸基を1位に転移後、段階(2)でUTPと反応させてUDP-グルコース にする。UDP-グルコースは 高エネルギー化合物であるため、その加水分解のエネルギーを利用して、グルコー
ス単位をグリコーゲンの4位のOH基に転移し、グリコシド結合を生成させる（段階(3)）。グリコーゲンのα-1,6 結合は、1,4- α-グルカンブラ
ンチング酵素によってつくられる（段階(4)）。グリコーゲンは主として肝臓と筋肉中に保存される。
植物のデンプンはグリコーゲンと似た機構で合成される。グリコーゲンと異なるのは、段階(2)においてUTPの代わりにATPが用いられる点である。一方、微生物の場合は、CTPとGTPが同じ目的で使われる。
【グリコーゲンの分解】段階(5)〜(7)に示すように、グリコーゲンの分解経路は合成経路と全く異なる（「異化と同化は別経路」の例）。
飢餓などでグルコースを必要とした時、動物はグリコーゲンをリン酸で分解してグルコース 1-リン酸にし，これをグルコース 6-リン酸に変える。肝臓ではさらにグルコースにまで戻し，血液中に放出する。飢餓が進むと肝臓は糖新生によってアミノ酸からグルコースを合成するようになる。植物などは光合成でグルコースを合成する仕組みをもつ。

異化
グルコース
6-リン酸

グルコース 6-リン酸

グリコーゲン
ホスホリラーゼPi

グルコース 1-リン酸

グリコーゲン

UTP
PPi

同化

1,4- α-グルカン
ブランチング酵素

グリコーゲン
シンテターゼ

UDP-グルコース（肝臓）

限界デキストリン
グルコース
1-リン酸

ホスホグルコムターゼ

UDP-グルコース
ピロホスホリラーゼ

4- α-グルカノ
アミロ-1,6トランスフェラーゼグルコシダーゼグルコース

鎖状グリコーゲン

鎖長の短い
デキストリンミトコンドリアへの脂肪酸の取り込み

β-酸化（偶数炭素）β-酸化（奇数炭素）

不飽和脂肪酸のβ-酸化

脂質は膵臓のリパーゼで消化されて，脂肪酸とグリセリンになる。グリセリンはグリセロール-3-リン酸を経てジヒドロキシアセトンリン酸(DHAP) になり，解糖経路に入って代謝される（トリグリセリドの合成の項を参照）。一方，脂肪酸はミトコンドリアに運ばれた後，β-酸化 に
よってアセチル-CoAにまで代謝される。

長鎖脂肪酸は細胞質で活性化されてアシル-CoAになるが、アシル-CoAはミトコンドリア内膜をを通過できない。そのため、一端、 カルニ
チンと結合してからミトコンドリアのマトリックス内に取り込まれ、再び脂肪酸アシル-CoAに再生される。カルニチン[carnithine]やアシルカルニチンはミトコンドリア内膜を通る事ができる。ミトコンドリアに取り込まれた脂肪酸アシル-CoA はβ‐酸化の出発原料になり，アセチ
ル-CoAにまで分解される。
アシル-CoA
シンテターゼ

ATP

脂肪酸

PPi

脂肪酸アシル-AMP
CoA
アシル-CoA
シンテターゼ

細胞質

AMP+ H+

カルニチンアシル
トランスフェラーゼ I

脂肪酸アシルカルニチン

CoA カルニチン

脂肪酸アシル-CoA

カルニチンアシル
トランスフェラーゼ II脂肪酸アシルカルニチン

CoA カルニチン

脂肪酸アシル-CoA

偶数炭素数の長鎖脂肪酸は、上に示したように脂肪酸アシル-CoA になってミトコンドリアのマトリックスに取り込まれる。この脂肪酸アシ
ル-CoAを出発原料として、以下のサイクル様の代謝経路によって、最終的に アセチル-CoA になる。この経路をβ‐酸化という。β-酸化
水和、 脱水素化、 チオリシスの４つの段階から成る。 脂肪酸のC-C結合を切断するには，β位は、 トランス- ∆2-エノイル化、を活性メチレンに変える戦略が採られる。反応 で得られる3-オキソアシル-CoAはCH 2が２つのカルボニル基で挟まれているので，カルボニル基の電子吸引性のために特にβ位で切れ易い構造となる。このようなやり方は，六炭糖のC3-C4間を切るために， グルコースをフルクトー
スに異性化する場合にも見られる。アシル-CoAからアセチル-CoAに到る経路を示す。
脂肪酸アシルCoA
デヒドロゲナーゼ

エノイル-CoA
ヒドラターゼFAD FADH2

アシル-CoA3-ヒドロキシア
シル-CoA
デヒドロゲナーゼ

NADH2+ NAD+

H2O

トランス- トランス- ∆ -エノイルCoA∆2-エノイル化2水和

S-3-ヒドロキシアシルCoA

脱水素

3-オキソアシル-CoA

β-ケト
チオ
チオリシス ラーゼ

アシル-CoAが全てアセチル-CoAになる迄、
このサイクルが続く

CoA
Acetyl-CoA

アシル-CoA

脂肪酸酸化によるATPの生成量
飽和脂肪酸としてステアリン酸 (C18)を例にとる。C18から考えて，アセチル-CoAが９モルつくられる（ β-酸化のサイクル数は８回）。
ステアリン酸 → ステアロイル-CoAの変換で ATP(→AMP)を消費。これは-2 ATPに相当
9 アセチル-CoA → 9 × 12 = 108 ATPを生成(TCA回路→呼吸鎖)
8 FADH2→ 8 × 2 = 16 ATPを生成(呼吸鎖)8 NADH2+ → 8 × 3 = 24 ATPを生成(呼吸鎖)よって，全体の反応は次のようになる。ただし，P/O比はNADH = 3, FADH2= 2で計算してある。
C17H35COOH + 26 O2 + 146 Pi + 146 ADP → 18 CO2 + 164 H2O + 146 ATP
不飽和脂肪酸の場合，(1)の段階が不要となるため（不飽和脂肪酸のβ-酸化 を参照）FADH2の生成がなく，その分を上のような計算から除外すれば良い。

奇数炭素数の長鎖脂肪酸の場合も，偶数炭素の場合と同様にしてβ-酸化が進行してアセチル-CoAと プロピオニル-CoA [Propionyl-CoA]が得られる。 最後に生じるプロピオニル-CoAは炭素数が奇数であるため，次のような過程で スクシニル-CoA にされ，ＴＣＡ回路に入る。
プロピオニル-CoAカルボキシラーゼ

プロピオニル-CoA

メチルマロニルCoAエピメラーゼ

ATP
ADP S-メチルマロニル-CoA+ Pi+ HCO3ビオチン

メチルマロニルCoA ムターゼ

R-メチルマロニル-CoA

補酵素 B12不飽和の脂肪酸の場合、二重結合の２つ手前の炭素までは通常のβ酸化が進行する。二重結合がβ位に来た所で、下の最初の反応のように、二重結合の位置がカルボニル側にずれると同時に、cis→transのエノイル-CoA イソメラーゼ
変換が起こる（β-酸化では全てトランス- ∆2-エノイルにする必要が トランス- ∆2-エノイル化あるから）。従って、acyl-CoA hehydrogenaseの段階がスキップされるため、FADH2の生成はない。次いで、通常の水和、脱水素、チオ
リシスの各反応により、アセチル-CoAが切り出される。
エノイル-CoA ヒドラターゼ
水和
一方、二重結合がγ位に来た場合は、右の例のように、一旦、トランス- ∆2-エノイル化した後、NADPH 2を補酵素として二重結合の位置が１つカルボニル側にずれ、再び、トランス- ∆2-エノイル化して左の最初と同じような反応経路をたどる。

3-ヒドロキシアシル-CoA
デヒドロゲナーゼ

脱水素

脂肪酸合成の調節

脂肪酸合成経路

脂肪酸合成酵素複合体

スクシニル-CoA

TCA回路へ

アシル-CoA
デヒドロゲナーゼ

トランス- ∆2-エノイル化
H2O

NADH2+
NAD+

2,4-ジエノイル-CoA
レダクターゼ

FAD
FADH2

NADPH2+NADP+

エノイル-CoA
イソメラーゼトランス- ∆2-エノイル化

脂肪酸の鎖長の延長と不飽和化

脂肪酸合成の個々の反応を見れば脂肪酸の酸化的異化代謝（β-酸化 ）に出てくる反応と類似しているが，経路は逆反応と同じではない（「異化と同化は別経路」の例）。以下に，両者の異なる点を示す。
1. 脂肪酸のβ-酸化と異なり，脂肪酸の生合成は 細胞質で行われる。
2. 脂肪酸分解の逆反応としてアセチル-CoAを直接利用するのではなく，一旦， マロニル-CoA がつくられ，CO2を放出してアセチル基が脂肪酸の鎖に転移する。CO2はマロニル-CoAの合成に再利用される。この理由は， β-酸化のアシル-CoA ＋ アセチル-CoA3-オキソアシル-CoA ＋ CoAの平衡が大きく右に偏っているため，アセチル-CoAでは自由エネルギー的に不利で，合成には用いられないためである。
3. β-酸化の補酵素（FAD，NAD +）と異なり，生合成ではペントースリン酸経路から供給されるNADP+が利用される。
4. β-酸化の場合のCoAの代わりに，脂肪酸は 4'-ホスホパンテテイン を補因子として結合したアシルキャリアプロテイン(ACP)*のSH基にチオエステル結合する。動物の酵素の場合，ACPは脂肪酸合成酵素（脂肪酸シンターゼ）の一部である。
* 大腸菌の酵素は脂肪酸合成酵素複合体を形成している。アシルキャリアプロテイン(ACP)は分子量10,000の小型タンパク質。
5. β-酸化の場合の S(L)-3-ヒドロキシアシル-CoAに相当するものは，生合成では R(D)-3-ヒドロキシアシル-ACPである。

イソクエン
酸
デヒドロゲ
ナーゼ

ATPで
阻害
イソクエ
ン酸

TCA
回路

クエン酸

リンゴ酸

オキサロ酢酸
アセチル-CoA

ミトコンドリア脂肪酸の生合成はクエン酸により促進される。クエン酸がTCA回路に使われるか，ミトコンドリア膜を出て脂肪酸の生合成に使われるかは，イソクエン酸デヒドロゲナーゼの活性（ADPによって活性化され，ATPによって阻害される）により調節される。この酵素活性が抑制されるとTCA回路がslow downし，クエン酸が蓄積する（→ アセチル-CoA カルボキシラーゼの活性化 ，下記）。
また，ミトコンドリアを出たクエン酸は次の経路によって脂肪酸合成に必要なNADPH2+の約40%を供給する（残りの60%はホスホグ
ルコン酸回路, HMSから供給される）。
以下，全て細胞質中
クエン酸
クエン酸シンターゼ

ATPクエン酸
リアーゼ

アセチル-CoA

オキサロ酢酸

クエン酸
CoA, ATP
オキサロ酢酸, ADP+Pi

リンゴ酸デヒドロゲナーゼ

細胞質

NADH2+
NAD+

リンゴ酸
NADP+

アセチル-CoA

リンゴ酸酵素NADPH2+CO2ピルビン酸

アセチル-CoA カルボキシラーゼ は脂肪酸合成の最初の反応 を触媒し，また，この段階が合成の律速段階の１つである。
哺乳類と鳥類の酵素は単量体では不活性であるが，分子量4〜8百万のポリマーを形成し活性型になる。

アセチル-CoAカルボキシラーゼ

アセチル-CoAACP-SHCoA-SH

ACPアセチルト
ラ
ンスフェ
ラーゼ

ATP

ADP+Pi マロニル-CoA

CO2 Biotin,Mn2+

ACP-マロニル
トランスフェラーゼ

ACP-SH

重合体（ポリマー，活性）長鎖アシル-CoAはこの平衡を左にずらし（ フィードバック阻害），クエン酸は右にずらす。原核生物では脂肪酸はすぐにリン脂質の合成に使われるため，脂肪酸の蓄積が起こらず，アセチル-CoA カルボキシラーゼはこのような制御を受けない。

マロニル-ACP

アセチル-ACP

アセチルACP3-ケトアシル ACP
レダクターゼR-3-ヒドロキシアシル-ACP(3-ヒドロキシブチリル-ACP)動物の場合，脂肪酸合成はパルミトイル（C16）-ACPまでで終わる。パル
ミトイル-ACPは パルミトイル-ACPヒドラターゼ （動物ではチオエステ
ラーゼドメイン）によって加水分解されてACP部分が切り離され，パルミ
チン酸が生成する。

3-ケトアシル ACP
シンターゼ

CO2

H2O

単量体（プロトマー，不活性）CoA-SH3-オキソアシル-ACP(アセトアセチル-ACP)

NADP+ NADPH2+

エノイ
ルACP
ヒドラターゼエノイル-ACP
レダクターゼエノイル-ACP
アシル-ACP
NADPH2+ NADP+(クロトニル-ACP)(ブチリル-ACP)
マロニル-CoAACP, CO2脂肪酸アシル-ACPの反応の繰り返し

3-ケトアシル ACP
シンターゼ

3-オキソアシル-ACP
炭素鎖が２つ長い事に注意

反応(2)〜(7)を触媒する脂肪酸シンターゼ(fatty acid synthase）は，大腸菌や葉緑体では７つの酵素が必要である。これらの酵素は複合酵素
系(multi enzyme system)を形成し，合成の効率を上げている。

ACPの4'-ホスホパンテテイン補因子
赤で示した部分は補酵素Aの一部と同じである。
哺乳動物のの酵素は巨大なタンパク質で，全ての触媒作用は同一のタンパク質上の異なる領域で遂行されるという多機能酵素(multifunctional
enzyme)の一種である。ヒトの脂肪酸シンターゼの立体構造が電子顕微鏡で観察され，3つの領域から成ることが示された。これが２つ，頭(head)と足(foot)で向き合い，胴体(torso)で結合した分子量544,000のホモ二量体型タンパク質である。各サブユニットの胴体ドメインのSer残基に4'-ホスホパンテテイン が共有結合しており，これがACPの実体である。4'-ホスホパンテテインのSH基に結合した脂肪酸はの活性部位ドメイン 〜 を順次巡ることによって，脂肪酸の鎖長が伸びていきパルミチン酸がつくられる。パルミチン酸は足領域のチオエステラー
ゼ(TE)で切り取られて遊離する。

[哺乳類の脂肪酸合成酵素のドメイン構造][脂肪酸合成酵素二量体の立体図]

[反応

〜

の機構]

青と橙の丸はアシル基

細胞質でつくられた脂肪酸は，さらにミトコンドリアや小胞体で炭素数を増すことができる。
パルミチン酸（C16） C18 C20 C22 C24
これは，β-酸化の逆反応を利用 してなされる。ただし，エノイル-CoAの還元段階
し，アシル-CoAデヒドロゲナーゼ(NADP)が触媒する。

はβ-酸化の場合のFADH 2ではなくて NADPH2+を利用

3-ケトアシル-CoA
デヒドロゲナーゼ

チオラーゼ

アシル-CoA アセチル- CoA CoA-S H 3-ケトアシル-CoA

NADPH2+ NADP+

小胞体中ではアセチル-CoAの代わりに
マロニル-CoA が使われる

R-3-ヒドロキシ
アシルデヒドラーゼ
H2Oトランス-エノイル-CoA

R-3-ヒドロキシ
アシル-CoA

動物の肝滑面小胞体において，NADH2およびO2の存在下，パルミトイルCoAとステアロイル-CoAは不飽和化される。高等動物は二重結合を2つ以上もつ脂肪酸を合成できない。従って，リノール酸やリノレン酸は食物から補給する必要がある（ビタミンF）。リノール酸はアラキドン酸の重要な原料である。
NAD++ 2 H+
NADH2+

Cyt b5
レダクターゼ(red)
Cyt b5
レダクターゼ(ox)

Cyt b5(ox)Fe2+- O2デサチュラーゼ

飽和脂肪酸アシル-CoA

Cyt b5(red)

デサチュラーゼ

不飽和脂肪酸アシル-CoA↑
O2 + 2 H+↓
2 H2O

Cyt： シトクロム

NADPH2+アシル-CoA
デヒドロゲナーゼ(NADP)

NADP+

炭素鎖が２つ延びた アシル-CoA

ステロイドは脂質の代表的なもので，次のような共通の骨格構造をもつ。ステロイドにはコレステロール，ステロイドホルモン，ビタミンD，
胆汁酸などがある。

ステロイドの基本骨格構造
コレステロールは生体膜の構成成分の1つとして膜の流動性を調節する役割以外に、ステロイドホルモン、ビタミンD、胆汁酸などの生合成原料として重要な化合物である。高等動物において、血漿コレステロールの約2/3は、3位のOH基に不飽和脂肪酸がエステル結合したエステル型で存在する。

コレステロールの構造

コレステロールはアセチル-CoAからつくられる
コレステロールは、アセチル-CoAからの ケトン体合成の中間体である3-ヒドロキシ-3-メチルグルタリル-CoAを出発原料として、多くの反応段階を経て合成される。コレステロールは主に肝細胞の小胞体や細胞質でつくられるが、他に、小腸、副腎皮質、皮膚、大動脈、精巣においても合成される。
コレステロール合成はヒドロキシメチルグルタリル-CoA レダクターゼ の活性で調節される。この酵素の活性は高脂肪食で上昇し、飢餓時に減少する。

+
アセチル-CoAH2O
CoA-SH

アセトアセチル-CoA
ヒドロキシメチル
グルタリル-CoA
シンターゼ
ヒドロキシメチル
グルタリルCoA レダクターゼ

メバロン酸キナーゼ

3-ヒドロキシ-3-メチル
2NADPH2+ 2NADP+
グルタリル-CoA
CoA-SH（コレステロール合成の原料）

ATP Mg2+ ADP∆ -イソペンテニル
Mg2+
ペンテニルピロリン酸
ADP, Pi
ピロリン酸
CO2ジメチルアリルピロリン酸
∆3-イソ
PPi

ホスホ
メバロン酸
キナーセ

ATP
Mg2+
ADP

ジホスホメバロン酸
デカルボキシラーゼ

イソペンテニルピロ
リン酸イソメラーゼ

ジメチル
アリル- transトランスフェラーゼ

5-ホスホメバロン酸

メバロン酸

5-ピロホスホメバロン酸

3ATPファルネシル-PP
ファルネシルトランスフェラーゼ

ゲラニル- transトランスフェラーゼ

ゲラニルピロリン酸∆3-イソペンテ
ニルピロリン酸

PPi ファルネシルピロリン酸NADPH2+ NADP+
ファルネシルピロリン酸

スクアレン
スクアレン
モノオキシゲナーゼ

メチルヒドロキシ
ラーゼ

NADPH2+ O2
NADP+ H2O

ラノステロールシンターゼ

3NADPH2+
3NADP+
3CO3H3O2

チモステロール
チモステロール
デヒドロゲナーゼ

6H+

3H2O

ラノステロール

NADH2+ O2(S)-スクアレン-2,3エポキシド

NAD+ H2O
デスモステロール
レダクターセコレステロール
7-デヒドロゲナー
ゼ

NADPH2+

NADPH2+ NADP+NADP+

7-デヒドロデスモステロール

7-デヒドロコレステロール（デスモステロール）

コレステロール

肝ミトコンドリアの脂肪酸の代謝が亢進すると，生じたアセチル-CoAの一部は別経路に入り，アセト酢酸，β-ヒドロキシ酪酸，アセトン のようなケトン体に作り変えられる。
CH3COCH3
脂肪酸と違ってケトン体は水溶性であるため，ケトン体は特別な運搬タンパク質の助
けがなくても血流によって肝臓以外の臓器（特に，心臓や筋肉）に運ばれる。細胞内
アセト酢酸 D- β-ヒドロキシ酪酸 アセトン
でケトン体は再びアセチル-CoAに戻され，ＴＣＡ回路で代謝されてエネルギー源とな（3-ヒドロキシ酪酸）
る（ただし，アセトンはエネルギー源にはならない）。
ケトン体の特徴
1. 水溶性であり，血液中で脂肪酸のように特別な運搬タンパク質を必要としない。
2. ＴＣＡ回路や呼吸鎖の処理が追いつかないときに，肝臓で合成され，他の臓器に配られる。
3. 骨格筋，心臓，腎臓などの重要なエネルギー源となる。
4. 血中濃度が高くなると，脳のエネルギー源としても利用される。
脳は通常，グルコースだけをエネルギー源とし，脂肪酸を利用できない組織である（脂肪酸は脳血管関門を通れない）。そのため，飢餓時やインシュリン欠乏による糖尿病などでグルコースが利用できない場合，ケトン体が脳の唯一の代替エネルギー源になる。
なお，3-ヒドロキシ-3-メチルグルタリル-CoAは，コレステロール合成の出発原料としても利用される。
チオラーゼ＋

CoA-SH アセトアセチル-CoA

２分子のアセチル-CoA

肝臓のミトコンドリア内

CoA-SH
3-ヒロドキシ-3メチルグルタリ
ルCoA リアーゼ

3-ヒロドキシ酪酸
デヒドロゲナーゼ

D- β-ヒドロキシ酪
酸 NAD+ NADH2+

アセト酢酸

NAD+ NADH2+

CH3CO-S-CoA

3-ヒロドキシ-3メチルグルタリルCoAシンターゼ

3-ヒロドキシ-3-メチル
グルタリル-CoA

ひとりでに分解

血流

D- β-ヒドロキシ酪酸

CH3CO-S-CoA

CH3COCH3 (アセトン)

アセト酢酸

スクシニル コハ アセトアセチルク酸
CoA-CoA TCA回路
CoA-SH

肝臓以外の組織のミトコンドリア内ｘ2
チル-CoA (２分子)アセトリグリセリドの合成

リン脂質のsalbage合成とde novo合成

トリグリセリドは，グリセリンの３つのOH基に長鎖脂肪酸が結合した，３価のエステルである。2位の炭素にはしばしば不飽和脂肪酸が結合する。トリグリセリドは膵臓のリパーゼで消化されて脂肪酸とグリセリンになり，小腸で吸収される。これらは更に小腸粘膜でトリグリセリ
ドに再合成され，リンパ管さらには血管を通って末梢の脂肪組織へ運ばれる。
リン脂質は糖脂質と共に細胞膜の重要な構成成分である。ホスファチジルコリン（レシチン）は，コリンと1,2-ジグリセリドを利用するsalvage合成経路と，ホスファチジルエタノールアミンのメチル化によるde novo合成経路がある。

解糖
ジヒドロキシアセトン
リン酸 (DHAP)
グリセロールリン酸
デヒドロゲナーゼ

脂質の分解

グリセロール
キナーゼ

コリン

アシル-CoA:グリセ
ロール-3-リン酸アシル
トランスフェラーゼ

RCO- CoAADP

CoA

アシル-CoA:グリセ
ロール-3-リン酸アシル
トランスフェラーゼ

リソホスファ
チジン酸

RCO- CoA

ホスホコリ
ン
シチジン酸
トランス
フェラーゼ

コリンキ
ナーゼ
ATP

CoA

アシル-CoA:ジグリセリド
アシルトランスフェラーセNAD+

グリセリン ATP ADP グリセロール
3-リン酸

salvage合成

トリグリセリド

NADH2+

ホスホリルコリン

CTP
PPi

CoA

RCO- CoA

ホスファチジン酸
ホスファターゼL- α-ホスファ
チジン酸

H2O

Pi

1,2-ジグリセ
リド (DG)

ホスホコリ
ン
トランス
フェラーゼ

CDP-コリン

DG
CMP

ホスファチジルコリン(PC)* AH, アデノシルホモシステイン
S-AM, S-アデノシルメチオニン 2種の酵素→ 補酵素の項を参照

S-AM
各３モル
AH ＊

de novo合成
エタノールアミン ATP ADP

ホスホリル
エタノールアミン

CTP

PPi CDP-エタノールアミン

DG
CMP

セリン エ
タノール
アミン

ホスファチジル
エタノールアミン(PE)ホスファチジルセリン(PS)アミノ基転移 グルコース-アラニン回路 酸化的脱アミノ
アミノ酸代謝の臓器特異性 アミノ酸代謝酵素の欠損症

その他の脱アミノ機構

アミノ酸の脱炭酸 アミノ酸骨格の代謝

アミノ酸はヘム，ヌクレオチド，ヌクレオチド補酵素など生体に必要な物質の窒素源として重要である。アミノ基があるためにアミノ酸は酸化的分解を受けにくい。したがって，アミノ酸からエネルギーを生み出すためには，まず，アミノ基を除去することが必要となる。
1. アミノ基転移：
アミノ酸のアミノ基をα-ケトグルタル酸などの アミノ基受容体に転移し，α-ケト酸を生じる。アミノ基は最終的に全てグルタミン酸に集められる。
2. 酸化的脱アミノ：
グルタミン酸はミトコンドリア中で酸化的に脱アミノされ，α-ケトグルタル酸 とアンモニアになる。α-ケトグルタ
ル酸はTCA回路の一員である。
3. アンモニアの処理：生じたアンモニアは生体に有害であるため，尿素回路によって無毒な尿素に変換される。アミノ酸の分解で生じる
窒素は尿素の形で排泄する以外に，動物によっては，尿酸やアンモニアとして排泄される。

4. 脱アミノ化されて生じるα-ケト酸の代謝：

脱アミノ化で生じるα-ケト酸は下の図のような経路で，(1) 糖の合成，(2) ケトン体や脂肪酸の合成に利用される。アミノ酸によっては，(1) と(2)の両方に関わるものもある。
●●

糖原性(glycogenic)アミノ酸： 主として糖新生によるグルコース合成に利用される。
a) ピルビン酸を経てオキサロ酢酸になるもの: Ala, Gly, Ser, Thr, Cys, Trpb) スクシニル-CoAになりTCA回路に入るもの: Ile, Met, Valc) オキサロ酢酸になりTCA回路に入るもの: Asp, Asnd) a-ケトグルタル酸になりTCA回路に入るもの: Arg,Glu, Gln, His,Proe) フマル酸になりTCA回路に入るもの: Phe, Tyr
ケト原性(ketogenic)アミノ酸： 主としてアセトアセチル-CoAを経てアセチル-CoAになる。 ケ
トン体や脂肪酸の合成に利用される
a) アセト酢酸やアセチル-CoAだけになるもの(糖新生には使われない): Leu, Lysb) 糖新生にも使われるがアセチル-CoAもつくるもの: Phe, Tyr, Ile, Trp, Thr
青はケト原性アミノ酸，赤は糖原性アミノ酸

アミノ基の脱離には他の経路もある。アミノ酸オキシダーゼはアミノ酸からアンモニアを遊離させると共に，過酸化水素を生じる。また，アミノ酸は脱炭酸によって強い生理活性を示す一級アミン（生理活性アミン）になる場合もある。

アミノ酸のアミノ基が酵素（アミノトランスフェラーゼ, aminotransferases）に転移し，次いで，このアミノ基がα-ケトグルタル酸（2-オキソグルタル酸）などのアミノ基受容体に転移する。元のアミノ酸はα-ケト酸に変り，種々の代謝経路に入る。 アミノ基受容体としては，αケトグルタル酸以外にグリオキシル酸(HCO-COOH)， オキサロ酢酸，ピルビン酸などが用いられる。現在，アミノトランスフェラーゼとして基質特異性を異にする50種以上の酵素が知られている。転移反応に関与する補酵素はピリドキサルリン酸 (PALP)である。
Asp +α-ケトグルタル酸

オキサロ酢酸 + Glu

Ala + α-ケトグルタル酸

ピルビン酸 + Glu

Tyr + α-ケトグルタル酸
アミノ酸

アミノ酸

PALP

Leu + α-ケトグルタル酸
Glu + グリオキシル酸
Ala + グリオキシル酸
Ser + ピルビン酸

α-ケト酸

γ-アミノ酪酸 +α-ケトグルタル酸
アミノ基受容体（α-ケト酸） Orn + α-ケトグルタル酸

ピリドキサミンリン酸

アスパラギン酸アミノトランスフェ
ラーゼ (AST)
アラニンアミノトランスフェラーゼ(ALT)

4-ヒドロキシフェニルピルビ
チロシンアミノトランスフェラーゼ
ン酸
分枝鎖アミノ酸アミノトランスフェ
a-ケトイソカプロン酸+ Glu
ラーゼ
グルタミン酸アミノトランスフェラーa-ケトグルタル酸+ Gly
ゼ
アラニン-グリオキシル酸アミノトラ
ピルビン酸 + Gly
ンスフェラーゼ
セリン-ピルビン酸アミノトランス
ヒドロキシピルビン酸+ Ala
フェラーゼ
コハク酸セミアルデヒド+
γ-アミノ酪酸アミノトランスフェ
Glu
ラーゼ
グルタミン酸セミアルデヒド
オルニチンアミノトランスフェラーゼ+ Glu

いくつかの例を右に示す。
は反応が不可逆であることを示す。GPT/ALT (Glutamate Pyruvate Transaminase)やGOT/AST (Glutamate
Oxaloacetate Transaminase)は肝機能の指標として有名な酵素である。

筋肉のタンパク質の分解によって生じるアミノ酸は，グルコースの解糖から得られるピルビン酸を利用して，筋肉のアミノトランスフェラー
ゼによってアラニンに変えられる。アラニンは血流で肝臓に運ばれ，ピルビン酸に戻された後，糖新生でグルコースに変えられる。グルコースは血流で筋肉に運ばれ，ピルビン酸に戻る。
グルコース

グルコース

ピルビン酸

アラニン

アラニン

肝臓

血液中

グルコース

ピルビン酸

タンパク質

アラニン

アミノ酸

筋肉

全てのアミノ酸のアミノ基はアスパラギン酸とグルタミン酸に集められ，ミトコンドリア内に送り込まれる（アスパラギン酸とグルタミン酸
はミトコンドリア内膜を通れる）。
グルタミン酸は，ミトコンドリアにおいて，グルタミン酸デヒドロゲナーゼによって酸化的に脱アミノ化され，α-ケトグルタル酸になる。
グルタミン酸デヒドロゲナーゼは補酵素としてNAD+を用いるが，生物によってはNAD+とNADP+の両方が用いられる場合もある（珍しい例）。α-ケトグルタル酸はTCA回路の一員である。遊離したNH 3は尿素回路によって直ちに尿素に変換される。
グルタミン酸デヒドロゲナーゼ＋ NH3グルタミン酸 NADH2+ NAD+ α-ケトグルタル酸
H2O［L-アミノ酸オキシダーゼとD-アミノ酸オキシダーゼ ］

肝臓，腎臓のペルオキシソーム中に存在する酵素で，FADやFMNなどが補酵素として結合している。アミノ酸に対する特異性は低く，Ser,Thr, His, Gly, Glnなどが脱アミノ化される。反応の途中で生じるFADH2はO2で酸化され，過酸化水素 H2O2を生成する。
FAD + H2O2
FADH2 + O2
図の2段階目の反応は非酵素的に進行する。

アミノ酸

O2

H2O2

（イミノ
酸）

H2O

NH3

α-ケト酸

生体内には少なからずD-アミノ酸が存在する｡特に，D-アスパラギン酸とD-セリンは比較的多量に存在する｡D-アミノ酸は種々の臓器で発生の早い時期に一過性に増加する。D-セリンは中枢神経の興奮性アミノ酸受容体のアロステリック作動薬として作用することが知られている｡D-アミノ酸はラセマーゼによってL-アミノ酸に変えられて代謝される以外に，上の図のように，D-アミノ酸オキシダーゼで酸化的脱アミノを受ける｡

アミノ酸は脱炭酸により一級アミンを生じる。動物でもこれらの反応は見られるが，微生物では特に発達している。反応にはPALPを必要とする場合が多い。生成するアミンは強い生理活性をもつものが多く， 生理活性アミン(biogenic amine) と呼ばれる。
アドレナリン，ノルアドレナリン，ドーパミン，γ-アミノ酪酸 (GABA)，セロトニン，ヒスタミンなどはアミノ酸由来の ホルモン，神経伝達物質である。

ヒドロキシ
トリプトファン
デカルボキシラーゼ

アスパラギン酸-1デカルボキシラーゼ

CO2 セロトニン

5-ヒドロキシトリプトファン

トリプトファン
デカルボキシラーゼ

グルタミン酸
デカルボキシラーゼ

CO2 トリプタミン

Trp

CO2 γ-アミノ酪酸

Glu

システイン
スルフィニル酸
デカルボキシラーゼ

ヒスチジン
デカルボキシラーゼ

CO2 ヒスタミン システインスルフィニル酸

His

ドーパミン- βモノオキシゲナーゼ

DOPA
デカルボキシラーゼ

3,4-ジヒドロキシフェ
ニルアラニン (DOPA)

CO2 β-アラニン

Asp

CO2 ドーパミン

O2
AsA

H2O
DHAsA

CO2 ヒポタウリン
フェニルエタノール
アミン N-メチル
トランスフェラーゼ

ノルアドレナリン SAM

S-AH

アドレナリン

AsA： アスコルビン酸 （ビタミンC) SAM： S-アデノシルメチオニン
DHAsA： デヒドロアスコルビン酸
S-AH： S-アデノシルホモシステイン

オキサロ酢酸群

ピルビン酸群

α-ケトグルタル酸群

スクシニル-CoA群

アセチル-CoA群

アミノ酸骨格の代謝は個々のアミノ酸で異なり，分解と合成は互いに関連している。

Asp, Asnの代謝 (オキサロ酢酸群)

フマル酸群

AspとAsnは容易にオキサロ酢酸に変るので糖新生に利用できる。Aspは尿素回路の構成要素として重要であるばかりでなく，ミトコンドリ
アからの物質の出入りにも深く関わっている（リンゴ酸-アスパラギン酸シャトル ）。Aspはプリンやピリミジンの合成素材としても使われる。
アスパラギン酸
アンモニアリガーゼ
AMP
ATP

プリン・ピリミジン

H2O
NH3
アスパラギナーゼ

α-KG

TCA回路/糖新生
Asn

Asp

Glu

オキサロ酢酸Ａｌａ, Gly, Ser, Thr, Cysの代謝 (ピルビン酸群)
筋肉のタンパク質分解によって生じるアミノ酸はアラニンやグルタミンとして血液中を肝臓に運ばれる。Thrの一部はプロピオニル-CoAを経てスクシニル-CoA になる。最終段階のプロピオニル-CoAからスクシニル-CoAの変化は， 奇数炭素脂肪酸のβ-酸化 の最後の段階と同じである。
グルタミン酸-アラニン
アミノトランスフェラーセ

Ala

α-KG

ピルビン酸

Glu

筋肉のタンパク質分解によって生じたアラニンは肝臓でピルビン酸に戻され，グルコース
合成に利用される。

セリンデヒドラターゼ(PALP) NH3

Ser
H2O
N5,N10CH2-THF

ピルビン酸

システイン
ジオキシゲナーゼ

グリシン
ヒドロキシメチル
トランスフェラーゼ

Cys

O2

システイン α-KG
スルフィン酸Gly
トレオニン
アルドラーセ→酢

アミノトランス
フェラーゼ

デスルフィナーセSO2ピルビン酸

Glu β-スルフィニル

ピルビン酸

酸→アセチル-CoA(アセトアルデヒド)
α-ケト酸
デヒドロゲナーゼ

トレオニン
デヒドラターゼ

NH3α-ケト酪酸

Thr

スクシニ
ルCoA

プロピオニル-CoAカルボキシラーゼ

NAD+ NADH2+ プロピオニル-CoA
CoA-SH
CO 2

ATP
CO2

ADP
Pi

メチルマロニル-CoA

グルコー
ス

糖新生

Pro, Arg, His, Glu, Glnの代謝 (α-ケトグルタル酸群)
これらのアミノ酸はいずれもグルタミン酸（Glu）に変えられ，次いで，α-ケトグルタル酸 になってTCA回路に入り込む。

プロリンオキシダーゼ

Pro

O2 H2O
FAD+ FADH2∆1-ピロリン-5カルボン酸
H2O

図にはないが，ヒドロキシプロリン(Hyp)はピルビン酸になる。
尿素回路

オルニチン
トランスアミナーゼ

アルギナーゼ

Arg

H2O

尿素

Orn

α-KG

Glu

非酵素的

グルタミン酸- γセミアルデヒド
NAD+
NADH2+

イミダゾロン
プロピオン酸
ヒドロラーゼ4-イミダゾロン-5プロピオン酸
ウロカナーゼ
H2O

H2O

グルタミン酸セミアルデヒド
デヒドロゲナーゼホルムイミノグルタ
ミン酸ホルムイミノ
トランスフェラーゼ

N-ホルムイミノグルタミン酸THF

グルタミナーゼN5-ホルムイミノ-THF

Glu
NAD+
H2O
NH3

ウロカナーゼは二量体酵素で，H2Oを1,4-付加する。
ヒスチダーゼは四量体酵素。炭素‐窒素リアーゼの一種。
N端はデヒドロアラニン残基で，もう１つのsubunitと結合。 NADH +

NH3

H2O

グルタミン酸デヒドロゲナーゼ2

ヒスチダーゼ

ウロカニン酸NH3

His

α-ケトグルタル酸(α-KG)

TCA回路

Gln

Val, Ile, Metの代謝 (スクシニル-CoA群)
分岐鎖アミノ酸であるVal，Ile，Leu（後記）は日常摂取される必須アミノ酸の約50%を占める。Metも必須アミノ酸である。
ValとIleはほぼ同一の代謝経路を通ってスクシニル-CoA を生じる。スクシニル-CoAはTCA回路の一員であり，これからオキサロ酢酸経由で糖新生に関わる。これら３つのアミノ酸の代謝の最終段階であるプロピオニル-CoAからスクシニル-CoAの変化は，Thrと同様， 奇数炭素脂肪酸のβ-酸化 の最後の段階と同じである。
Ileはチオール分解の段階でアセチル-CoA も生成するため，ケト原性の側面ももつ。

ロイシンアミノα-ケトイソ吉草酸 酸化的脱炭酸酵素 イソブチリル-CoA ブチリル-CoA
トランスフェラーゼ
デヒドロゲナーゼ

Val

α-KG

CoA-SH

Glu

CO2

FAD

メタクリロイルCoA

FADH2

NAD+ NADH2+α-ケト- β-メチル
吉草酸

Ile

Met

スクシニル-CoAα-メチルクロト
ニル-CoAα-メチルブチリルCoA

メチオニンアデノシル
トランスフェ
ラーゼ

メチルマロニルCoA

メチル基転移ATP PPiH2O PiX

X- CH3

S-アデノシルメチオニン

S-アデノシルホモシス
テイン

S-アデノシルメチオニンはメチル基転移の補酵素と
して重要

H2O
アデノシン

ホモシステインデスルフヒドラーゼ

α-ケト酸
デヒドロゲナーゼ

α-ケト酪酸

プロピオニル-CoA

ホモシステイン
NH3+H2S H2O

NADH2+ NAD+
CO2 CoA-SH

Ser
H2O

メチルマロニル-CoA

シスタチオニン βシンターゼ(PALP)

シスタチオニンγ-リアーゼ(PALP)

スクシニル-CoAα-ケト酪酸からスクシニル-CoAへ至る経路はThr, (Ile)と同じ。

アデノシルホモシ
ステイナーゼα-ケト酪酸 Cys+NH3

シスタチオニン

Leu, Lys, Trpの代謝 (アセチル-CoA群)
LeuとLysはケト原性アミノ酸で，糖新生には関わらない。Leu代謝の最初の数段階はValやIleと同じ反応で，最終的にケトン体であるアセト
酢酸とアセチル-CoAを生成する。Lysはアセチル-CoAだけを生成する。
一方，Trpの代謝の前半は細胞質で行われ，途中，糖原性アミノ酸であるAlaを生成するが，後半の反応はミトコンドリア中でLysと同じ経路で分解され，アセチル-CoAを生成する。

ロイシンアミノトランスフェラーゼ

Leu

α-KG

Glu

CoA-SHα-ケトイソカプロン酸

イソバレリル-CoA
デヒドロゲナーゼ

酸化的脱炭酸酵素

CO2

NAD+ NADH2+

FAD

FADH2

イソバレリル-CoA
コレステロール合成

β-メチルクロトニル-CoA
CO2 ATP
Biotin)ADP+Piβ-メチル
クロトニル-CoAカルボキシラーゼ

メチルグルタコニルCoA ヒドラターゼ

脂肪酸合成

アセチル-CoA ＋アセト酢酸

3-ヒドロキシ-3メチルグルタリル-CoA

β-メチルグルタコニル-CoA
H2O

２ アセチル-CoA
アセトアセチル-Co
Lys

トリプトファン
2,3-ジオキシゲナーゼ

ホルムアミダーゼO2

H2O HCOOH

Trp

N-ホルミルキヌレニン

キヌレニン
NADH2+

キヌレニン
3-モノオキシゲナーゼ

NAD+3-ヒドロキシアントラ
ニル酸 3,4-ジオキシ
ゲナーゼ

キヌレニナーゼ(PALP)

O22-アミノ-3-カルボキシ
ムコン酸-6-セミアルデヒド
ピコリン酸
カルボキシラーゼ

Ala

H2O

3-ヒドロキシ
アントラニル酸

3-ヒドロキシキヌレニン
ピルビン酸

補酵素NAD+の原料

CO22-アミノムコン酸
セミアルデヒド
デヒドロゲナーゼ

2-アミノムコン酸6-セミアルデヒド

2-アミノムコン酸
レダクターゼ2-アミノムコン酸

NAD+ NADH2+

NAD+ NADH2+

α-ケトアジピン酸

ここから先は，ミトコンドリアで代謝

以下，Lysと同じ経路へ

Tyr, Pheの代謝 (フマル酸群)
Pheは必須アミノ酸である。Pheは酸化されてTyrに変る。以後は，同一の代謝経路をたどり，フマル酸（TCA回路に入る）とアセト酢酸に
２ アセチル-CoA）になり，脂肪酸，コレステロールなどの合なる。アセト酢酸はケトン体であるが，これはさらにアセトアセチル-CoA（成に利用される。

この３つはPheの異常代謝経路Phe
O2
H2O

フェニルピルビン酸 フェニル乳酸 フェニル酢酸
モノオキシゲナーゼの作用機構

フェニルアラニン
4-モノオキシゲナーゼ

Phe + O2テトラヒドロビオプテリン

Tyr + H2O
チロシン
アミノトランスフェラーゼ

Tyr
チロシン-3-モノ
オキシゲナーゼ

α-KG

ジヒドロビオプテリン
4-ヒドロキシフェニル
ピルビン酸
ジオキシゲナーゼGlu 4-ヒドロキシフェ
ニルピルビン酸

O2 CO2
アスコルビン酸
(AsA)

NADP+
NADPH2+

ホモゲンチジン酸
GSH
AsA
O2

ホモゲンチジン酸
1,2-ジオキシゲナーゼ

マレイルアセト酢酸
イソメラーゼGSH

フマリルアセト酢酸
L-ジヒドロキシフェニル
アラニン(DOPA)

フマリル
アセトアセターゼ

マレイルアセト酢酸

H2O

ドーパミン
3-ケトアシル-CoA
トランスフェラーゼ

ノルアドレナリン

フマル酸

アセト酢酸

アセトアセチル-CoA
スクシニル- コハク酸
CoA

アドレナリン

TCA回路

糖新生

コレステロール合成
ケトン体合成，脂肪酸合成

小腸から門脈を通って吸収されたアミノ酸は多くの臓器に分配される。しかしながら，分布は均等ではなく，組織に固有の代謝の様子をみせ
る。
●

●

●

●

●

筋肉： 分岐鎖アミノ酸であるVal，Ile，Leuは門脈から肝臓を素通りして大半は筋肉で代謝される。筋肉と肝臓の間にはアミノ酸と糖のやり取りがある（グルコース-アラニン回路 ）。
小腸： 血中のグルタミン代謝を主として行う。グルタミンはアラニンとNH3に分解される。グルタチオン合成能も高い。
肝臓： アミノ酸代謝で生じるNH3の処理は，ほとんどこの臓器で行われる（尿素回路）。また，分岐鎖アミノ酸以外のほとんどのアミノ酸の代謝を行う。糖新生，脂質代謝との関連も密接である。脱炭酸による生理活性物質合成，胆汁酸合成，毒物代謝も肝臓の役割である。
腎臓： アミノ酸の再吸収や，血中からのグルタミンをグルタミン酸とNH3に分解する。セリンを合成し，血中に送り出す。また，シト
ルリン以降の尿素回路の経路をもつので，血中のシトルリンから尿素を合成する。
脳： 神経活動に関連したアミノ酸代謝を行う。例えば，チロシンの脱炭酸によるドーパミン合成や，トリプトファンからのセロトニン
合成など。脳で生じたNH3は大部分がグルタミン，一部はアラニンとして血中に放出される。

現在，多くのアミノ酸代謝異常症が知られている。下に挙げたのは特定の酵素の欠損や活性低下によるもので，他にアミノ酸輸送の障害によるものもある。
酵素

疾病

症状
脳脊髄液や尿中のグリシン濃度が上昇。重症の精神身体発育阻害，高グリシン血症発作がみられ，小児期に死亡。
血中メチオニンの上昇とホモシスチン尿症がみられる。精神発達障
シスタチオニン-β-シンターゼ欠損症
害，水晶体転位，骨格異常など。
高プロリン血症
血中プロリン濃度が上昇。
尿素回路を参照
高アルギニン血症
血中ヒスチジンの上昇。発育障害を起こす。精神発達障害や言語障
ヒスチジン血症
害がみられることもある。
尿がメープル（楓）シロップ様の匂いを発し，低分岐アミノ酸食治
メープルシロップ尿症
療をしないと，生後間もなく死亡する。
イソ吉草酸血症
ロイシンの中間代謝物が蓄積する。
高リシン血症
血中リシン濃度が上昇。
先天性トリプトファン尿症
尿中トリプトファン濃度の上昇。
チロシンへの変換が行えないため，血中のフェニルアラニン濃度がフェニルケトン尿症
上昇し，尿にフェニルピルビン酸が排泄される。知能低下，メラニ
ン色素欠乏などを引き起こす。
尿に4-ヒドロキシフェニルピルビン酸が排泄される。肝臓や腎臓のチロシン症
不全を引き起こす。
尿に大量のホモゲンチジン酸が排泄され，空気酸化で黒変する。症
アルカプトン尿症状は晩年に関節炎がでる程度。

アミノ酸はタンパク質合成の素材としてだけでなく，糖新生におけるグル 植物や微生物におけるアミノ酸の合成経路は次の5つの群に分けら
コース合成，脂肪酸，ケトン体，コレステロールの合成，ヘムやプリンや れる。
1. アスパラギン酸ファミリー： Asp, Asn, Thr, Ile, Met, Lys
ピリミジンヌクレオチド合成の原料としても利用される。
2. ピルビン酸ファミリー： Ala, Leu, Val
次の8種のアミノ酸はヒト体内で合成できないか，されても必要量だけ
3. α-ケトグルタル酸ファミリー： Glu, Gln, Pro, Arg
まかなえないので食物から摂取する必要がある。これらを必須アミノ酸
4. ホスホエノールピルビン酸ファミリー： Trp, Tyr, Phe（essential amino acids）という。［ トロリーバス不明 と憶える］。
5. 3-ホスホグリセリン酸ファミリー： Ser, Cys, Gly
幼児ではこれにHisとArgが加わる。
6. PRPP由来： His
Val, Leu, Ile, Thr……分岐鎖アミノ酸
Met……含硫アミノ酸
Lys……長鎖塩基性アミノ酸
Trp, Phe……芳香属アミノ酸
糖原性および
ケト原性
チロシン

糖原性

ケト原性

アラニン，アルギニン
アスパラギン酸，アスパラギン
非必須
システイン，グルタミン酸
グルタミン，グリシン
ヒスチジン，プロリン，セリン
メチオニン
イソロイシン
ロイシン
必須
トレオニン
フェニルアラニン リシン
バリン
トリプトファン
これらのアミノ酸はいずれも生合成過程が長いものばかりで，食物から摂取することができる環境にある高等動物は，それらの合成からの負担を回避するようになったものであろう。アミノ酸合成はアミノ酸の分解経路と関連している。

[植物のアミノ酸生合成] 動物にはない経路も含む

一方，動物では，非必須アミノ酸はチロシンを除き，次の４つの中間体から合成される。
1. オキサロ酢酸→Asp, Asn
2. ピルビン酸→Ala
3. α-ケトグルタル酸→Glu, Gln, Pro, Arg
4. 3-ホスホグリセリン酸→Ser, Cys, Gly

チロシンの合成
必須アミノ酸であるPheは酸化されてTyrに変る。フェニ
ルアラニン4-モノオ
キシゲナーゼ（フェニルアラニンヒドロ
キシラーゼ）欠損はフェニルケトン尿症を引き起こす。

フェニルアラニン
4-モノオキシゲナーゼ

O2

H2O

Phe

Tyr

オキサロ酢酸群[非必須アミノ酸の生合成]

ピルビン酸群
アスパラギン
シンターゼ

オキサロ酢
酸

Glu αKG

グルタミン酸-アラニン
アミノトランスフェラーセ

ATP
AMP+PPi
Gln
Glu

Asp

ピルビン酸

Asn

Glu

α-KG

Ala

α-ケトグルタル酸群

α-ケトグルタル酸(α-KG)

アミノ
トランスフェ
ラーゼ

グルタミン
シンテターゼアミノ酸 αケト酸

ATP
NH3

Glu

非酵素的

ADP+PiGln∆1-ピロリン5カルボン酸

ATP ADP+Pi
グルタミン酸- γNADPH
NADP+
セミアルデヒド

NADPH
NADP+

Pro

Glu

3-ホスホグリセリン酸群

α-KG

3-ホスホ
NAD+
O-ホスホセグリセリ
NADH2+
リンン酸 Glu α-KG

Pi

Ser

H2O

N5,N10CH2-THF

尿素回路

Gly
Orn

S-ア
シスタチオニンβ-シンターゼ
デノ アデノシルホモ(PALP)
メチル基転移 シル システイナーゼ
シル
ホモ
メチ
シス
オニ X X- CH3
H O アデノシン
テイ 2
ホモシステイン Ser H2Oンン

チオニンアデノシル S-ア
トランスフェラーゼ デノ

Met

ATP PPiH2O PiArg
シスタチオニンγ-リアーゼ(PALP)

シスタチオニン

NH3

Cys

+

α-ケト酪酸尿素回路の反応

その他のアンモニア除去経路

アンモニアの毒性

アンモニアは生体にとって有毒である。このアンモニアを尿素に変えて無毒化する経路が尿素回路（Urea cycle、次の 〜 は環状の経路だから回路という）またはオルニチン回路とも呼ばれる代謝経路である。

各組織で生成したアンモニアの窒素はグルタミンまたはアラニンとして血流で肝臓に運ばれる。肝臓において，これらのアミノ酸はアミノ基転移でグルタミン酸に変換された後，酸化的脱アミノでアンモニアが遊離される。アンモニアはこの尿素回路で尿素に変えられる。なお，腎臓は 〜 の酵素をもつので，血中のシトルリンを尿素に変換できる。アンモニア→尿素変換には実に3 ATPを必要とする。ミトコンドリアでつくられるATPの10数％が尿素回路で消費される。尿素回路の酵素群の活性は，高タンパク食摂取時や飢餓時（筋肉タンパク質の分解が起こる）に，一斉に上昇する。また， のカルバモイルリン酸シンターゼ活性はミトコンドリア内のN-アセチルグルタミン酸でアロステリックに促進される。
アンモニアの除去系としては尿素回路以外にもいくつかの経路がある（その他のアンモニア除去経路を参照）。

酸化的脱アミノカルバモイルGlu
NH3 リン酸シンターゼ I
CO2 + H2O
2ATP

2ADP カルバモイルリン酸
+ Pi

肝臓
ミトコン
ドリア内

オルニチン
カルバモイルトランスフェラーゼ

オルニチン

Pi- シトルリン
ATP

尿素

尿素

H2O

アルギナーゼ AMP
+ PPi

細胞質

アスパラギン酸
アルギニノ
コハク酸シンターゼ

アルキニノ
コハク酸リアーゼ

アルギニン

アスパラギン酸
アルギニノコハク酸

ＧＯＴ

α-アミノ酸

フマラーゼ

フマル酸
TCA回路ではなく細胞質の酵素。

α-ケト酸

リンゴ酸

オキサロ酢酸

TCA回路
リンゴ酸はミトコンドリアに取り込まれる尿素回路の全体の反応（ 〜 )は次のようになる。
2 NH3 + CO2 + 3 ATP + 2 H2O NH2CONH2 + 2 ADP + 2 Pi + AMP + PPi
図から分かるように、尿素の２つのNH2基のうち、１つはアンモニア由来、もう１つはアスパラギン酸由来である。また、カルボニル基は段階(1)で結合した二酸化炭素（正しくはHCO3- ）に由来している。
1. アンモニアは先ず、2 ATPの加水分解と共役してHCO3- と反応し、カルバモイル化される。この反応はミトコンドリア内のカルバモイル

リン酸シンターゼIで触媒される。（cf. 同名の酵素 カルバモイルリン酸シンターゼIIはグルタミン酸を窒素供与体とし、ピリミジン合成に関与）
2. カルバモイルリン酸はオルニチン(Ornithine)と縮合し、シトルリン(Citrulline)に変えられる。オルニチンとシトルリンは特異的な輸送系でミトコンドリア内膜を通過できる。
3. シトルリンは細胞質に運ばれ、アスパラギン酸と縮合し（ATPが必要）、アルギニノコハク酸に変えられる。
4. リアーゼによって、アルギニノコハク酸のＣ-Ｎ間が切断され、アルギニンとフマル酸になる。アルギニンは次の段階５に回される。一方、フマル酸はリンゴ酸→オキサロ酢酸を経てアスパラギン酸に戻され、段階３で再利用される。細胞質のリンゴ酸は速やかにミトコン
ドリアに取り込まれ，これらの変化はミトコンドリア内で起こる。
5. アルギニンはアルギナーゼによって加水分解され、尿素を生成すると同時にオルニチンに戻り、段階２に利用される。

アンモニアの除去系としては肝臓の尿素回路以外に，次のような経路もある。
●●●

酸アミド生成……全組織。主としてグルタミン(Gln)を生成する。
NH3 + Glu → Gln + H2O (グルタミナーゼ)
NH3 + Asp → Asn + H2O (アスパラギナーゼ)
ケト酸との反応……肝臓が主。グルタミン酸(Glu)を生成する。
NH3 + α-ケトグルタル酸→ Glu + H 2O (グルタミン酸デヒドロゲナーゼ)
クレアチンの生成……最初は腎臓。次いで肝臓。
グリシンアミジノトランスフェラーゼ 腎臓
Orn
Arg
Gly

グアニジノ酢酸
S-AM

グアニジノ酢酸
メチルトランスフェラーゼ 肝臓

S-AH
クレアチンキナーゼ

ADP
クレアチンリン酸（ホスホクレアチン）

非酵素的

●

Pi

クレアチン

筋肉や
神経組織

クレアチンリン酸は高エネルギー化合物である。代謝回転の激しい筋肉や神経細胞において，クレアチンリン酸はATPを再生産するための 貯蔵物質 である。
休息中，ATP濃度が高いとクレアチン
リン酸の合成が進み，運動中は分解によってATPが供給される。
[解糖との関連]

クレアチニン
尿へ直接排泄……腎臓だけ。脱アミノ後，尿中に直接排泄する。尿のアンモニアの約40%を占める。

尿素回路の代謝異常
アンモニアが高濃度になると脳のアンモニア除去系［グルタミン酸デヒドロゲナーゼ（逆行）とグルタミンシンテターゼの２つ］に負担がかかる（尿素回路の酵素の不足は知能障害や無気力，無感覚などの症状を呈する）。また，グルタミン酸やその脱炭酸で生じるγ-アミノ酪酸 は神経伝達物質であり，脳はその影響を受けやすい。
アンモニアはグルタミン酸デヒドロゲナーゼ゛（アミノ酸の酸化的脱アミノを参照）の平衡をGluの方へ移行し、その結果、α-ケトグルタル酸量が低下してTCA回路や呼吸鎖を低下させる。
尿素回路の代謝異常（肝機能不全）
酵素

疾病
症状
高アンモニア血症I型 血中アンモニアとオルニチン濃度の上昇。脳症と知能発達不全。
高アンモニア血症II型 オルニチン値は正常。脳症と知能発達不全。
シトルリン血症
血中シトルリン濃度の上昇。
アルギノコハク酸尿症 尿，血液，脳脊髄液のアルギノコハク酸が著しく上昇。
アルギニン血症
血液，脳脊髄液のアルギニン濃度が著しく上昇。

ピリミジンヌクレオチドの合成

ヌクレオチドのsalvage合成

ペントースリン酸経路（HMS）から供給されるD-リボース-5-リン酸は1'-OH基がピロリン酸化され，5-ホスホリ
ボシル-1 α-二リン酸（ PRPP）になる。プリンヌクレオチドはPRPPを土台に，プリン骨格を次々と組み立てていく方法によってつくられる。これをヌクレオチドのde novo合成とよぶ。プリン骨格は，左の図のように，Gln，Gly, Asp, ギ酸（N10- ホルミル-THF ）およびCO2からつくられる。
この経路の最終産物はイノシン一リン酸 (IMP)であるが，AMPやGMPはこのIMPからつくられる。下の合成経路
は全ての生物に共通である。食品の分解によって得られる遊離塩基をもとに，salvage合成によってもプリンヌクレ
オチドをつくることができる。

リボースリン酸
ピロホスホキナーゼATP

D-リボース5-リン酸

AMP

アミドホスホリボシルトランスフェラーゼGAR シンターゼ

5-ホスホリボシル-1 α- Gln, H2O Glu, PPi
二リン酸（PRPP）

5-ホスホβ-リボシルアミン

Gly+ ATP ADP +Pi↑
ペントースリン酸経路（ＨＭＳ）

GAR ホルミルトランスフェラーゼ

AIRカルボキシラーゼ

4-カルボキシ-5アミノイミダゾール
リボチド
SACAIR
シンテターゼAIR
シンテターゼCO2 5-アミノイミダゾール(biotinは不要)
リボチド (AIR)ADP + Pi
H2 O

10- ホルミル-THF
THF

FGAR
シンテターゼATP

ホルミルグリシンアミ
ジンリボチド (FGAM)Glu
ADP+PiGln
ATP

ホルミルグリシン
アミドリボチド(FGAR)

Asp + ATPADP + PiAICAR ホルミルトランスフェラー
ゼ

アデニロ
コハク酸リアーゼIMP
シクロヒドロラーゼ

フマル酸5-アミノイミダゾール-4- 10- ホル THF 5-ホルムアミノイミダゾー
5-アミノイミダゾー
ミル-THF
ル-4-カルボキサミド
カルボキサミドル- 4-( N-スクシノ
リボチド
リボチド (AICAR)
カルボキサミド)リボチド(SACAIR)

アデニロコハク酸
シンターゼ

アデニロコハク酸
リアーゼ

Asp GDP
GTP
Pi

IMP

フマル酸

アデニロコハク酸
IMP
デヒロゲナーゼIMP

グリシンアミド
リボチド (GAR)（Rib-5-PはD-リボース
5-リン酸部分を表す)

AMP

GMP
シンテターゼ

NAD+ H2O

Gln

Glu

NADH2+

ATP
H2O

AMP
PPi

キサントシン一リン酸 (XMP)

GMP

H2O

イノシン一リン酸(IMP)プリンヌクレオチドと異なり，ピリミジンヌクレオチドのde novo合成は先にピリミジン環を完成させてからリボース-5リン酸部分（PRPP）を結合させる方法をとる。ピリミジン骨格は，左の図のように，Gln ，AspおよびCO2からつくられる。
この経路の最終産物はウリジン一リン酸 (UMP)であるが，UMPはさらにUDP，UTPへと変化する。CTPはUTPからつくられる。一方，DNAの合成に必要なdTTPはUTPを素材としてつくられる。
食品の分解によって得られる遊離塩基をもとに，salvage合成によってもピリミジンヌクレオチドをつくることができる。

アスパラギン酸
カルバモイルトランスフェラー
ゼ

カルバモイルGln +リン酸シンターゼII
H2O +

HCO3-

2 ATP

2ADP, PiGlu

Asp

カルバモイルリン酸

Pi

ジヒドロオロターゼ

H2O

カルバモイル
アスパラギン酸

ジヒドロオロト酸
キノン (NAD+)

尿素回路の同名の酵素(I型)はGlnの代わりにNH3を用いる点で異なる

ジヒドロオロト酸
デヒドロゲナーゼ

オロト酸
ホスホリボシル
トランスフェラーゼ

OMP
デカルボキシラーゼ

CO2

PPi

ウリジン一リン酸
(UMP)

キノール
(NADH2+)オロチジン一リン酸
(OMP)

PRPP

オロト酸

核酸は最終的にリボースと遊離塩基へと分解される（核酸の異化代謝）。遊離塩基の大半は排泄されるが，一部は再利用され，核酸のサル
ベージ(salvage)合成経路でヌクレオチドへと変換される。
アデニンホスホリボシル
トランスフェラーゼ

アデニン

AMP

PRPP

HGPRT

グアニン
ヒポキサンチンPPi

チミジンキナーゼTTP

チミジン

GMP
IMP
PRPP

PPi

［Lesch-Nyan症候群］
伴性遺伝（Ｘ染色体にリンク）により男子のみに表れる病気で，けい性麻痺，知能の遅れ，破壊的自傷行為などを起こす。HRPRTの欠損により尿酸が多量に蓄積するのが原因。

HGPRT : ヒポキサンチン-グアニンホスホリボシルトランスフェラーゼ

UTP
ATP

ADP CTP

ピリミジンヌクレオチドの分解
食品中の核酸は体内でヌクレオチド→ヌクレオシド→遊離塩基へと分解される。遊離塩基の大半は排泄されるが，一部はsalvage合成で再利用され，核酸合成の素材を提供する。一方，リボース部分は糖の代謝経路に入り利用される。
ヌクレアーゼ・/
ホスホジエステラーゼ

核酸

ヌクレオチダーゼ/
非特異的
ホスホリラーゼ

ヌクレオチド

十二指腸・小腸

ヌクレオチダーゼ/
ヌクレオシドホスホリラーゼ リボース＋

ヌクレオシド

小腸

小腸

遊離塩基

プリンヌクレオチドは，先ず，リボース部分が切り離されて遊離塩基とされた後，すべてキサンチン (xanthine)に変えられる。キサンチンは更にキサンチンオキシダーゼによって，尿酸 (uric acid)に変えられる。霊長類ではこの尿酸で代謝は終わる。尿酸は還元作用をもつ物質で，水に難溶である。これが関節に結晶として蓄積される病気を痛風という。
マウスなど他の哺乳類では，尿酸のプリン骨格が壊され，アラントインになる。更に，アラントイン酸，尿素，アンモニアにまで代謝が進む動物もある（下の図を参照）。

プリンヌクレオチド
ホスホリラーゼ

5'-ヌクレアーゼ
H2O

Pi

Pi Rib-1-P

グアノシン

グアニン
デアミナーゼ

グアニン

H2O

NH4+

キサンチン

5'-ヌクレアーゼ
H2O
AMP
デアミナーゼ

H2O
NH4+

Pi

アデノシン
H2O

アデノシン
デアミナーゼ

NH4+
プリンヌク
レオチド
ホスホリラーゼ

5'-ヌクレアーゼ
H2O

Pi

キサンチン
オキシダーゼO2

Pi Rib-1-P

H2O2

ヒポキサンチン

キサンチン

イノシン

キサンチン
オキシダーゼH2O O2
H2O2

尿酸オキシダーゼ

アラントイナーゼ
H2O

アラントイン酸（硬骨魚類）

アラントイン（他の哺乳類）

H2O

CO2
2H2O
O2
H2O2

尿酸

（霊長類，鳥類，爬虫類，
昆虫類はここまで)+2

4NH4+ + 2CO2
2H2O
尿素
（軟骨魚類，両生類）（海生の無脊椎動物）

グリオキシル酸

ピリミジンヌクレオチドは，プリンヌクレオチドと同様に，脱リン酸化，脱アミノ化，脱リボシル化を経て塩基に分解される。ピリミジン
塩基の分解は肝において生合成の逆反応に似た経路で分解され，脂肪酸の合成などに利用される。
CMP
UMP
5'-ヌクレ
H2O
アーゼ
シチジン
P
デアミナーゼ

H2O
Pi

シチジン

ジヒドロ
ウラシル
デヒドロゲナーゼ

ウリジン
ホスホリラー
ゼ

ジヒドロピ
リ
ミジナーゼ

β-ウレイドプロピオナー
ゼ

ウリジン
H2O
NH4+

Pi

Rib-1P

NADPH2+

ウラシル

NADP+

H2O

ジヒドロウラシル

H2O

3-ウレイド NH4+CO2
プロピオン酸

β-アラニ
ン

H2O NH4+ マロン酸 CoA CO2
セミアル NAD+ アセチル-デヒド

NADH2+

CoA

複合タンパク質型酵素の非タンパク質部分を補酵素(Coenzymes)という。補酵素を必要とする酵素において，補酵素は触媒する反応の重要な部分を担う。 補酵素の分子中には左のようなアデニンヌクレオチド(ADP)を含むものが多い。この部分は「ヌクレオチドハンドル」と呼ばれ，一般に補酵素の機能には関与しない。ヌクレオチドハンドルは酵素分子に補酵素を認識させる役割をもつ。

アデノシン三リン酸 (Adenosine triphosphate, ATP)高エネルギー化合物の代表である。吸エルゴン反応と共役してエネルギーを供給する。
ATP + H2O → ADP + Pi + 30.5 kJ（この場合は，ATP 2モルが消費されたことに相当する）
ATP + H2O → AMP + PPi + 32.2 kJ
また基質としても働き、キナーゼの補酵素としてリン酸基転移やAMP基転移に関与する。
ATPは次のようにしてつくられる。
1. 基質レベルのリン酸化（解糖）
2. 酸化的リン酸化（呼吸鎖）3. 光リン酸化（光合成)

ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド (Nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+)
デヒドロゲナーゼの補酵素の代表である。アルコール，アルデヒドなどの酸化還元反応の際の水素の授受に広く関与する(下図を参照)。異種
原子間の2つの水素を同時に引きぬく点がFADと異なる。NADH + H+をNADH2+と表すことがある（本サイトではスペースの関係でこの表記法をとっている）。NADH2+は呼吸鎖に入り，3 ATPを生成する。

特殊な例として，NAD+のニコチンアミド部分が切り離され，残りのADP-リボースがタンパク質のArg残基に結合する反応（ADP-リボシル化）の基質となることがある。

ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸 (Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADP+)
NADPH2は脂肪酸合成、コレステロール合成、光合成などに必須の補酵素であり、生体内での需要が多い。動物ではホスホグルコン酸回路)
で大部分が合成される。
酸化還元反応において水素の授受に関与する。構造的にはNAD+とはリン酸基が付いただけの違いで，ともにデヒドロゲナーゼの補酵素となる。しかし、NAD+とは異なり、異化代謝ではなく、通常，脂肪酸合成や光合成のような同化代謝で利用される。

フラビンアデニンジヌクレオチド (Flavin adenine dinucleotide, FAD)
酸化還元反応の際の水素の授受に関与する(下図を参照)。NAD+と共に、デヒドロゲナーゼの補酵素として働くが，炭素原子上の2つの水素を1つずつ引きぬく点でNAD+と異なる。酵素結合型の場合もあり、フラビン環のCH3基がCH2になって，酵素のHisやCys残基に共有結合する。
（例） コハク酸 + FAD → フマル酸 + FADH2； アシル-CoA + FAD → 2,3-トランスエノイル-CoA + FADH 2

補酵素Ａ (Coenzyme A, CoA)
アセチル基をはじめとして、種々のアシル基の転移反応に関与する。アシル基は末端のＳＨ基にチオエステル結合で結合するため、アシルCoAは高エネルギー化合物の一つである。
アセチルCoAは、例えば脂肪酸のβ-酸化 など多くの代謝過程で生じ、ＴＣＡ回路の入口として重要な代謝中間体であると共に、ケトン体、脂肪酸の合成など、多くの化合物の原料としても利用される。補酵素AのAはAcetylationの意味。

リポ酸 (α-Lipoic acid)

ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体や2-オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ複合体の補酵素の一つとして用いられ、アシル基転移に関与する。 ＴＣＡ回路の項を参照。

チアミンピロリン酸 (Thiamine pyrophosphate, TPP)
α-ケト酸の酸化的脱炭酸で、アシル基の転移に関与する(ピルビン酸デヒドロゲナーゼ゛複合体など)。 ＴＣＡ回路の項を参照。

ピリドキサルリン酸 (Pyridoxal phosphate, PALP)
α-ケト酸のアミノ基転移や、アミノ酸の脱炭酸に関与する補酵素。 アミノ酸の異化代謝の項を参照。

テトラヒドロ葉酸 (Tetrahydrofolic acid, THF, Coenzyme F)
Ｃ1基の転移に関与する補酵素。プリンヌクレオチドのde novo合成の利用例がある。Pteridine環はグアニンの誘導体である。また，paminobenzoic acid（p-アミノ安息香酸）は微生物にとって必須のビタミンである。

転移される原子団としては，ホルミル基，メチレン基，メチル基などがある。

N10-ホルミル-THF

N5,N10-メチレン-THF

N5-メチル-THF

UDPグルコース (Uridine diphosphate glucose, UDPG)
高エネルギー化合物で， グリコーゲン合成で利用される補酵素である。糖やウロン酸の転移に関与する。

補酵素Ｑ (Coenzyme Q, CoQ)
電子伝達系の電子伝達体として用いられ，2Hの転移反応に関与する。すべての生物に普遍的(ubiquitous)に存在するので，ユビキチンとも呼ばれる。

ビオチン (Biotin, Coenzyme R)
酵素のリシン(Lys)残基に共有結合し、CO2の転移反応に関与する。CO2の低い反応性を高める役割をもつ。カルボキシラーゼの補酵素である。糖新生の第1段階のCO2の転移反応に利用例を見る事ができる。
ピルビン酸 → オキサロ酢酸

補酵素Ｂ12 (Cobamide, Coenzyme B12)5'-デオキシアデノシルコバラミンともいう。D. Hodgkinによって1956年に構造決定された。ヘムに似たコリン(corrin)環の中心に６配位のCo(III)イオンをもつ。そのうち４つはコリン環のピロールNに，１つは5,6-ジメチルベンズイミダゾール，
もう１つは5'-デオキシアデノシル基に配位している。
機能は1. 隣接炭素原子間でHと他の原子団の交換
2. ２分子間のメチル基転移の２つである。

メチルマロニル-CoAムターゼ（ 脂肪酸のβ-酸化(奇数炭素)） とメチオニンの生合成酵素に例がある。

S-アデノシルメチオニン (S-Adenosyl-L-methionine)
テトラヒドロ葉酸と同様，メチル基の転移反応に関与する補酵素である。
アミノ酸の代謝やホスファチジルコリンのde novo合成などに利用例を見る事ができる。