クエン酸回路とは？その意義、制御などについて

クエン酸回路とは

クエン酸回路とは何なのか？高校の生物や大学の生物あるいは生化学でクエン酸回路を学びます。お、く、い、あ、さ、こ、ふ、りん　の８つの中間代謝産物と８つの反応（そして８つの酵素）でグルグル回るわけですが、そういった表面的なところではなく、クエン酸回路の本質とは何かを一言で言い表すとどうなるでしょうか。

ストライヤー基礎生化学第4版（東京化学同人）によれば、

アセチル基を完全に燃焼させるクエン酸回路

1分子のアセチル基が2分子の二酸化炭素へと酸化される

クエン酸回路の機能は、異化作用によって炭素燃料から高エネルギー電子を取り出すことである（249ページ）

と説明されています。クエン酸回路とは、アセチル基を完全に酸化して二酸化炭素にし、アセチル基にあった高い位置エネルギーを持つ電子をNADHやFADH2といった電子伝達体に渡す仕組みだと言えるでしょう。アセチル基の中にあるC-Ｃ間やC-H間の共有電子対がもつエネルギーよりも、二酸化炭素Ｏ＝Ｃ＝Ｏの共有電子対のほうがエネルギーが低いわけです。

マクマリー生化学反応機構では、

クエン酸回路　連続する8ステップの反応で、一つのアセチル基が2分子の二酸化炭素と還元型の補酵素へと変換される（182ページ）

とまとめられています。

 

クエン酸回路で酸素は使われない

エネルギー代謝で酸素が使われるのは、解糖系でもなくクエン酸回路でもなく、その先の電子伝達系（酸化的リン酸化）の過程においてです。シトクロムcから複合体IVへ電子が渡されたあと、複合体IVから酸素分子が電子を貰う（つまり還元される）ことにより、電子伝達系における電子伝達が完了するわけです。

2e- + 1/2 O2 + 2H+  → H2O

  1. 呼吸鎖・電子伝達系と酸化的リン酸化　.sc.fukuoka-u.ac.jp　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
  2. 1)電子伝達系の役割とプロトン勾配 Bio-Science~生化学・分子生物学・栄養学などの『わかりやすい』まとめサイト~

では、酸素がなくてもクエン酸回路はまわるのかというと答えは否です。

酸素がないとクエン酸回路がまわらない理由

クエン酸回路の反応を司る酵素は、反応物や生成物によって促進・抑制されます。イソクエン酸デヒドロゲナーゼはイソクエン酸から炭酸を離脱させてα－ケトグルタル酸を生成する酵素ですが、そのとき補酵素NAD+をNADHへと還元します。この酵素活性はNAD+で促進さsれNADHで抑制されます。素の不足により電子伝達系が働かずNADHが増えてNAD+が減った状態になると、クエン酸回路も回らないということになります。

  1. Does TCA Cycle require oxygen?　BYJU’S　Despite the fact that oxygen isn’t directly involved in the TCA cycle, if it isn’t available, the TCA cycle will come to a halt due to a lack of NAD+ and FAD.

クエン酸回路で生じる二酸化炭素の炭素の由来

クエン酸回路はアセチル基を完全に酸化させて二酸化炭素にするのが目的だと先に述べましたが、実は、クエン酸回路に入ってきたアセチル基の炭素は、一周目で放出される二酸化炭素の炭素ではなく、オキサロ酢酸にあった炭素が２つ、二酸化炭素として放出されるそうです。

  1. http://www.sc.fukuoka-u.ac.jp/~bc1/Biochem/tca_cycl.htm

クエン酸の構造は、CH2(-COO–)C(-OH)(-COO–)CH2(-COO–)なので、上下ひっくり返しても同じだと思うのですが、クエン酸が生じるときと、クエン酸からイソクエン酸になるときに向きが一定のままということなのでしょうか。マクマリー生化学反応機構182ページの説明を見ても、たしかに、色分けされていますが、アセチルCoA由来の２つの炭素はCO2が２つ放出されたあとも、残っています。

クエン酸に関する参考サイト

  1. https://unacademy.com/content/neet-ug/study-material/biology/intermediates-of-tca-cycle/　簡潔な説明
  2. https://www.bu.edu/aldolase/biochemistry2/12_TCA%20Cycle_3.pdf 説明がわかりやすい