クエン酸回路
クエン酸回路（クエンさんかいろ）とは好気的代謝に関する最も重要な生化学反応回路であり、酸素呼吸を行う生物全般に見られる。1937年にドイツの化学者ハンス・クレブスが発見した（この功績により1953年にノーベル生理学・医学賞を受賞）。解糖や脂肪酸のβ酸化によって生成するアセチルCoAがこの回路に組み込まれ、酸化されることによって、ATPや電子伝達系で用いられるNADHなどが生じ、効率の良いエネルギー生産を可能にしている。またアミノ酸などの生合成に係る物質を生産するという役割もある。
クエン酸回路の呼称は高等学校の生物学でよく適用されているが、大学以降ではTCA回路、TCAサイクル (tricarboxylic acid cycle) と呼ばれる場合が多い。一般的には「クエン酸回路」の名称がよく浸透している。その他に、トリカルボン酸回路、クレブス回路 (Krebs cycle) などと呼ばれる場合もある。
反応系
クエン酸回路はアセチルCoAが反応系に組み込まれることで始まる。
それに先立って、解糖系で生成したピルビン酸は以下の式でアセチルCoAとなる。
この反応はピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体によって触媒される。また、脂肪酸のβ酸化でも脂肪酸アシルCoAからアセチルCoAが生じる。
好気条件に発生する酸化的クエン酸回路の反応は以下の通りである。 テンプレート:-
| 段階 | 反応物 | 生成物 | 酵素 | 反応のタイプ |
|---|---|---|---|---|
| 1 | オキサロ酢酸 + アセチルCoA + H2O |
クエン酸 + CoA |
クエン酸シンターゼ（EC 2.3.3.1） | アルドール縮合 |
| 2 | クエン酸 | cis-アコニット酸 + H2O |
アコニット酸ヒドラターゼ（EC 4.2.1.3） | 脱水反応 |
| 3 | cis-アコニット酸 + H2O |
イソクエン酸 | 水和反応 | |
| 4 | イソクエン酸 + NAD+ |
オキサロコハク酸 + NADH + H + |
イソクエン酸デヒドロゲナーゼ (NAD+)（EC 1.1.1.41） イソクエン酸デヒドロゲナーゼ (NADP+)（EC 1.1.1.42） |
酸化反応 |
| 5 | オキサロコハク酸 | α-ケトグルタル酸 + CO2 |
脱炭酸 | |
| 6 | α-ケトグルタル酸 + NAD+ + CoA-SH |
スクシニルCoA + NADH + H+ + CO2 |
オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ (スクシニル基転移)（EC 1.2.4.2） | 酸化 脱炭酸 |
| 7 | スクシニルCoA + GDP + Pi |
コハク酸 + CoA-SH + GTP |
スクシニルCoAシンターゼ（EC 6.2.1.4, EC 6.2.1.5） | リン酸化 |
| 8 | コハク酸 + ユビキノン (Q) |
フマル酸 + ユビキノール (QH2) |
コハク酸デヒドロゲナーゼ (ユビキノン)（EC 1.3.5.1） コハク酸デヒドロゲナーゼ (EC 1.3.99.1) |
酸化 |
| 9 | フマル酸 + H2O |
L-リンゴ酸 | フマラーゼ（EC 4.2.1.2） | 水和 |
| 10 | L-リンゴ酸 + NAD+ |
オキサロ酢酸 + NADH + H+ |
リンゴ酸デヒドロゲナーゼ（EC 1.1.1.37） | 酸化 |
2, 3 の反応は同一の酵素によるものであり、教科書によっては省略されて
- クエン酸 → イソクエン酸
となっている場合も多い。 なお、これらの酵素群はすべて可逆反応を行うことができる。
炭素の収支の観点から見るとアセチルCoAとオキサロ酢酸を入力すると、2分子の二酸化炭素とオキサロ酢酸が出力されてくることになる。オキサロ酢酸が入力出力両方に現れることが、回路と呼ばれる由縁だが、入力されたオキサロ酢酸と同一のものが出力される訳ではない。入力されたアセチルCoA由来の炭素は出力されるオキサロ酢酸に組み込まれ、出力される二酸化炭素は入力されたオキサロ酢酸に由来する。
嫌気条件になると電子伝達系でNADHの消費が停止し、解糖系の乳酸発酵にてNAD+に還元される。
役割
クエン酸回路は異化反応回路と、同化反応回路としての二重の性質を持つ。
異化反応
クエン酸回路が1回転するとアセチルCoA1分子あたり3分子のNADH、1分子のFADH2、1分子のGTP（これは動物のみ、植物や原核生物はATP）、2分子の二酸化炭素が放出される。エネルギー通貨の発生および電子伝達系で酸化的リン酸化を行うためのNADHの生産に寄与している。
同化反応
また、クエン酸回路に生じるいくつかの物質はアミノ酸やポルフィリンといった生体分子の生合成に寄与しており、特にアセチルCoAは生物体内で発生している数多くの反応によって触媒される。オキサロ酢酸はホスホエノールピルビン酸となって解糖系の逆の反応系である糖新生に関与している。この同化反応としての性質をクエン酸回路が有するため、回路を構成する化合物が不足することがある。これらの物質を補充するための反応をアナプレロティック反応という。最も代表的なものはピルビン酸がオキサロ酢酸となる反応で、この反応を触媒する酵素はピルビン酸カルボキシラーゼである。本酵素はクエン酸回路を構成する化合物が不足することによって蓄積するアセチルCoAにより活性化される。
所在
クエン酸回路の反応をになう酵素群は、真核生物の場合ミトコンドリアの基質に存在している。解糖系によってえられたピルビン酸は同様にミトコンドリア内でアセチルCoAとなる。
好気性原核生物の場合は細胞膜付近にこれらの酵素群が存在する。これはえられたNADHが細胞膜中に存在する電子伝達系に容易に運搬されるようにされるためだと考えられている。
還元的クエン酸回路
真核生物や好気性の微生物中には酸化的クエン酸回路が存在するのに対し、一部の生物は好気呼吸を行わないにもかかわらずクエン酸回路の酵素群を所持している。これらの生物は還元的クエン酸回路といって、上記に述べた反応と全く逆の反応を起こしている。
還元的クエン酸回路では、酸化的クエン酸回路とは逆にエネルギー輸送体の消費が行われると同時に、そのエネルギーを用いて二酸化炭素が固定する炭酸固定反応を起こしている。即ちスクシニルCoAからイソクエン酸までの反応系でTCA回路1回転辺り2分子の二酸化炭素が生体分子になっている。
還元的クエン酸回路を持っている生物としては、もっとも有名なものに水素細菌という水素をエネルギー源として生活している細菌群の存在があげられる。水素細菌の多くは成長因子としてエネルギー源の水素および二酸化炭素を要求するが、この要求性は還元的クエン酸回路に由来する。炭酸固定された二酸化炭素は生物体の構築に向けて生体反応に組み込まれる。
また、2003年には本来植物と一部の細菌のみが行うと思われていた炭酸固定が、カイコによって行われていることが明らかになった。カイコの炭素摂食量の1000分の1と言うわずかな量ではあるが、カイコの体内に空気由来の炭素の存在が安定同位体比によってあきらかになった。カイコは以下の反応式で炭酸固定を行っている。
- ピルビン酸 + ATP + CO2 → オキサロ酢酸 + ADP + Pi
エネルギーを用いる系ではあるが、ピルビン酸を直接オキサロ酢酸にすることによって炭酸固定が行われている。この反応はリンゴ酸デヒドロゲナーゼ (EC1.1.1.38) という酵素が担っており、この酵素を持つ生物がほかにもいることがゲノムプロジェクトから明らかになりつつある。
