エネルギー貯蔵（脂肪酸合成など）の化学反応にエネルギーを使って（ＮＡＤＰＨなど）、エネルギーを取り出すときにちゃんとそれ以上のエネルギーが取り出せるのかについて

エネルギー貯蔵（脂肪酸合成など）の化学反応にエネルギーを使って（ＮＡＤＰＨなど）、エネルギーを取り出すときにちゃんとそれ以上のエネルギーが取り出せるのかについて、ＣｈａｔＧＰＴに訊いてみました。

質問：グルコースが過剰だと解糖系でピルビン酸にしてアセチルCoAにして、NADPHなどを使って脂肪酸をつくっていくが、そのときエネルギーを使う。だとしたら、最後、中性脂肪までしたときに使ったエネルギーと、将来、中性脂肪を利用する際に分解してエネルギーを取り出すときのエネルギーとで、取り出せるエネルギーの方が大きいのか？

ＣｈａｔＧＰＴの回答：

中性脂肪（トリアシルグリセロール）を合成するときに使うエネルギー量より、その脂肪を分解してβ-酸化／TCA回路でATPに換えたときに得られるエネルギー量のほうが大きくなります。これは「脂肪は高効率なエネルギー貯蔵分子」であるゆえんです。以下に大まかな流れとエネルギー収支の理由を示します。

1. 脂肪合成に要するエネルギー（例：パルミチン酸 C₁₆ の場合）

  1. グルコース→ピルビン酸→アセチルCoA
    • 解糖系でグルコース1分子あたり 2ATP（実質）＋2NADH（≒5ATP分相当）を得るが、これをすべて脂肪酸前駆体に使うと考えると実質的にATPは中和される。
  2. アセチルCoA→マロニルCoA
    • ACC（アセチルCoAカルボキシラーゼ）反応で ATP 1分子を消費
  3. 脂肪酸合成反応（脂肪酸シンターゼ）
    • 2炭素伸長ごとに NADPH を 2 分子消費
    • パルミチン酸（C₁₆）合成にはアセチルCoA １＋マロニルCoA ７ → 合計 7 回の延長 → NADPH 14 分子消費
  4. NADPH の供給コスト
    • 主にペントースリン酸回路で作る場合、グルコース6-P １分子あたり NADPH 2 分子を生成。NADPH 14 を作るにはグルコース6-P およそ 7 分子分を割り当て → 解糖系由来ATPが減少。

――これらをまとめると、パルミチン酸１分子合成には

  • ATP：7（ACC）＋ペントース回路の機序で実質数ATP相当のロス
  • NADPH：14分子分（≒14×2.5ATP相当＝約35ATP相当）
    …という大きなエネルギー投資が必要です。

2. 脂肪酸の分解（β-酸化＋TCA回路）で得られるエネルギー

パルミチン酸（C₁₆）1分子あたりの標準的な収支は：

  1. β-酸化
    • 7サイクルで：FADH₂ 7、NADH 7 を生成
  2. TCA回路
    • 8アセチルCoA → 各1サイクルで：GTP（ATP相当）8、NADH 24、FADH₂ 8
  3. 電子伝達系換算
    • NADH 1 → 約 2.5 ATP、FADH₂ 1 → 約 1.5 ATP

――合計するとパルミチン酸1分子あたり約106 ATP が得られます。

3. なぜ “取り出せるエネルギー” のほうが大きいのか？

  • 高度に還元された炭素鎖
    • 脂肪酸は炭素が水素で満たされた「飽和・長鎖構造」で、酸化還元反応によって大量のNADH/FADH₂を生み出せる。
  • 貯蔵時の投資 vs. 取り出し時の回収効率
    • 合成時にはNADPH（電子供与体）を使うが、分解時にはNADH/FADH₂（より高い還元電位）を生成する。NADPH生成コスト（ペントース回路）のATP換算より、NADH/FADH₂からのATP合成量のほうが大きいため、純粋に「回収量＞投資量」となる。
  • 生理学的意義
    • 生体は余剰エネルギーを最も高効率で貯蔵し、必要時に大きなエネルギーを一気に取り出せるようにこの仕組みを発達させてきたのです。

まとめ：脂肪合成には大量のATP＆NADPHを“前払い”しますが、分解時にはそれを遥かに上回るATPを“回収”できるため、脂肪は極めて効率的なエネルギー貯蔵形態となります。

 

質問：出発点であるアセチルＣｏＡの段階での比較をした場合はどうなる？

ＣｈａｔＧＰＴの答え：

脂肪酸合成に要するエネルギー vs. β-酸化で得られるエネルギー（Acetyl-CoA まで）

ここでは代表としてパルミチン酸（C₁₆）を例に、合成側と分解側の「Acetyl-CoA まで」のΔG を比較します。

（A）パルミチン酸合成のエネルギー投資

  1. NADPH 使用量：14 mol NADPH × ΔG₁ ＝
    ΔG₁ ≒ −n·F·E = −2 e⁻×96.5 kJ/V·mol×(−0.370 V) ≈ +71.4 kJ/mol
    → 14×71.4 ≈ +1 000 kJ
  2. ATP 使用量：7 mol ATP × 約+30 kJ/mol ＝ +210 kJ

合計投資 ΔG ≒ +1 210 kJ

（B）β-酸化（Acetyl-CoA まで）で得られる還元当量

  1. NADH 生成：7 mol × (−2 e⁻×96.5 kJ/V·mol×(−0.280 V)) ≈ −7×54 = −378 kJ
  2. FADH₂ 生成：7 mol × 約−43 kJ/mol = −301 kJ
  3. ATP 投資（アシルCoA合成で AMP + PPi ＝ 2 ATP 相当の消費）＝ +60 kJ

合計回収 ΔG ≒ (−378) + (−301) + (+60) = −619 kJ

結論

  • 合成投資 (+1 210 kJ) ＞ 分解回収 (−619 kJ)
  • 「Acetyl-CoA まで」の段階では、エネルギー投資のほうが大きく、トントンにはなりません。
  • β-酸化で生成した NADH/FADH₂ を電子伝達系で酸化しATPに換える（さらに Acetyl-CoA をTCA回路で完全酸化する） ことで、初めて 全体として正味の大きなエネルギー回収（約+2 000 kJ）が実現します。

――以上より、「中性脂肪を分解して Acetyl-CoA にするまで」の段階では投資＞回収ですが、その先のTCA回路＋電子伝達系を通じて得られるエネルギーこそが、脂肪を高効率なエネルギー貯蔵形態にしている、というわけです。

  1. 脂肪合成までの投資（パルミチン酸 C₁₆ 合成を例に）
    • ATP：7 mol × 約 +30 kJ/mol ＝ +210 kJ
    • NADPH：14 mol × 約 +71 kJ/mol ＝ +1 000 kJ
    • 合計投資 ≒ +1 210 kJ
  2. β-酸化で Acetyl-CoA まで回収できるエネルギー
    • NADH：7 mol × (−54 kJ/mol) ＝ −378 kJ
    • FADH₂：7 mol × (−43 kJ/mol) ＝ −301 kJ
    • ATP 投資（活性化コスト）：+60 kJ
    • 合計回収 ≒ −619 kJ

→ Acetyl-CoA まででは投資 (+1 210 kJ) ＞ 回収 (619 kJ)
この段階ではまだ赤字です。

  1. 完全酸化（TCA 回路＋電子伝達系）での最終回収
    • 上記 Acetyl-CoA 8 mol × TCA＋ETC による ATP 収量を足すと
      約 −2 000 kJ（ネットのプラス）となり、
    • ここで初めて「回収量 ＞ 投資量」の高効率が実現します。

ですので「Acetyl-CoA までの段階ではトントンではなく赤字」「TCA＋ETC を含めることでネットで大きなプラスになる」

 

補足

1. NADP⁺/NADPH と NAD⁺/NADH の標準（生理学的）還元電位

カップル E′°（pH 7, V） 注記
NADP⁺ + H⁺ + 2 e⁻ ⇄ NADPH −0.370 生理学的条件下の見かけの値（NADPH/NADP⁺ 比 ≒ 50:1） (Wikipedia)
NAD⁺ + H⁺ + 2 e⁻ ⇄ NADH −0.280 生理学的条件下の見かけの値（NADH/NAD⁺ 比 ≒ 30:1） (Wikipedia)
  • ΔE = E(e⁻ 受容) − E(e⁻ 放出) の観点で、NADPH のほうがより負の電位をもち、より強い還元剤（電子供与体）です。