プリンキピア

第7章細胞呼吸

Steps in the Citric Acid Cycleクエン酸回路の各段階

Step 1. Prior to the first step, a transitional phase occurs during which pyruvic acid is converted to acetyl CoA. Then, the first step of the cycle begins: This condensation step combines the two-carbon acetyl group with a four-carbon oxaloacetate molecule to form a six-carbon molecule of citrate. CoA is bound to a sulfhydryl group (-SH) and diffuses away to eventually combine with another acetyl group. This step is irreversible because it is highly exergonic. The rate of this reaction is controlled by negative feedback and the amount of ATP available. If ATP levels increase, the rate of this reaction decreases. If ATP is in short supply, the rate increases.
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第1段階。回路の最初の段階に先立ち、ピルビン酸をアセチルCoAへ変える移行段階がある。続いて回路が始まる。この縮合段階では、二炭素のアセチル基が四炭素のオキサロ酢酸と結び付き、六炭素のクエン酸になる。CoAにはスルフヒドリル基(-SH)が結合し、拡散して離れ、やがて別のアセチル基と結合する。この段階は強い発エルゴン反応なので不可逆的である。反応速度は負のフィードバックと、利用できるATPの量によって制御される。ATPが増えると速度は低下し、不足すると速度は増す。
Step 2. In step two, citrate loses one water molecule and gains another as citrate is converted into its isomer, isocitrate.
第2段階。クエン酸が水1分子を失い、別の水1分子を得ることで、異性体のイソクエン酸へ変わる。
Step 3. In step three, isocitrate is oxidized, producing a five-carbon molecule, α-ketoglutarate, along with a molecule of CO2 and two electrons, which reduce NAD+ to NADH. This step is also regulated by negative feedback from ATP and NADH and a positive effect of ADP.
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第3段階。イソクエン酸が酸化され、五炭素のα-ケトグルタル酸、CO21分子、電子2個ができる。電子はNAD+をNADHへ還元する。この段階も、ATPとNADHによる負のフィードバック、およびADPによる促進作用で調節される。
Step 4. Steps three and four are both oxidation and decarboxylation steps, which as we have seen, release electrons that reduce NAD+ to NADH and release carboxyl groups that form CO2 molecules. Alpha-ketoglutarate is the product of step three, and a succinyl group is the product of step four. CoA binds with the succinyl group to form succinyl CoA. The enzyme that catalyzes step four is regulated by feedback inhibition of ATP, succinyl CoA, and NADH.
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第4段階。第3・第4段階は、いずれも酸化と脱炭酸の段階である。すでに見たように、NAD+ をNADHへ還元する電子と、CO2になるカルボキシ基を放出する。第3段階の生成物はα-ケトグルタル酸、第4段階の生成物はスクシニル基である。CoAがスクシニル基と結び付き、スクシニルCoAをつくる。この段階を触媒する酵素は、ATP、スクシニルCoA、NADHのフィードバック阻害によって調節される。
Step 5. In step five, a carboxyl group is substituted for coenzyme A, and a high-energy bond is formed. This energy is used in substrate-level phosphorylation (during the conversion of the succinyl group to succinate) to form either guanosine triphosphate (GTP) or ATP. There are two forms of the enzyme, called isoenzymes, for this step, depending upon the type of animal tissue in which they are found. One form is found in tissues that use large amounts of ATP, such as heart and skeletal muscle. This form produces ATP. The second form of the enzyme is found in tissues that have a high number of anabolic pathways, such as liver. This form produces GTP. GTP is energetically equivalent to ATP; however, its use is more restricted. In particular, protein synthesis primarily uses GTP.
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第5段階。補酵素Aがカルボキシ基に置き換わり、高エネルギー結合が形成される。このエネルギーは、スクシニル基がコハク酸へ変わる際の基質レベルのリン酸化に使われ、グアノシン三リン酸(GTP)またはATPをつくる。この段階の酵素には、存在する動物組織の種類によって、アイソザイムと呼ばれる二つの型がある。一つは、心筋や骨格筋などATPを大量に使う組織にあり、ATPを生産する。もう一つは、肝臓など同化経路の多い組織にあり、GTPを生産する。GTPはエネルギー的にはATPと同等であるが、用途がより限られている。特にタンパク質合成では、主にGTPが使われる。
Step 6. Step six is a dehydrogenation process that converts succinate into fumarate. Two hydrogen atoms are transferred to FAD, reducing it to FADH2. (Note: the energy contained in the electrons of these hydrogens is insufficient to reduce NAD+ but adequate to reduce FAD.) Unlike NADH, this carrier remains attached to the enzyme and transfers the electrons to the electron transport chain directly. This process is made possible by the localization of the enzyme catalyzing this step inside the inner membrane of the mitochondrion.
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第6段階。コハク酸をフマル酸へ変える脱水素反応である。水素原子2個がFADへ移り、FADH2へ還元する。この水素の電子がもつエネルギーは、NAD+を還元するには不足するが、FADを還元するには十分である。NADHとは異なり、この運搬体は酵素に付着したまま、電子伝達系へ直接電子を渡す。この段階を触媒する酵素がミトコンドリア内膜内に位置するため、それが可能になる。
Step 7. Water is added by hydration to fumarate during step seven, and malate is produced. The last step in the citric acid cycle regenerates oxaloacetate by oxidizing malate. Another molecule of NADH is then produced in the process.
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第7段階。フマル酸へ水和によって水が加わり、リンゴ酸がつくられる。クエン酸回路の最後の段階では、リンゴ酸を酸化してオキサロ酢酸を再生する。この過程で、さらにNADHが1分子つくられる。

Products of the Citric Acid Cycleクエン酸回路の生成物

Two carbon atoms come into the citric acid cycle from each acetyl group, representing four out of the six carbons of one glucose molecule. Two carbon dioxide molecules are released on each turn of the cycle; however, these do not necessarily contain the most recently added carbon atoms. The two acetyl carbon atoms will eventually be released on later turns of the cycle; thus, all six carbon atoms from the original glucose molecule are eventually incorporated into carbon dioxide. Each turn of the cycle forms three NADH molecules and one FADH2 molecule. These carriers will connect with the last portion of aerobic respiration, the electron transport chain, to produce ATP molecules. One GTP or ATP is also made in each cycle. Several of the intermediate compounds in the citric acid cycle can be used in synthesizing nonessential amino acids; therefore, the cycle is amphibolic (both catabolic and anabolic).
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各アセチル基から炭素原子2個がクエン酸回路へ入り、合わせてグルコース1分子の炭素6個のうち4個に相当する。回路が1周するたびに二酸化炭素2分子が放出されるが、それらが直前に加わった炭素原子を含むとは限らない。アセチル基の炭素2個も、後の周回でいずれ放出されるので、元のグルコースの炭素6個は最終的にすべて二酸化炭素に組み込まれる。回路1周当たりNADH3分子とFADH21分子ができる。これらの運搬体は、好気呼吸の最後の部分である電子伝達系へつながり、ATPを生み出す。また、1周ごとにGTPまたはATPが1分子できる。クエン酸回路の中間化合物のいくつかは、非必須アミノ酸の合成にも使えるため、この回路は両用代謝性、つまり異化と同化の両方の働きをもつ。