糖 代 谢

Report
第
四
章
糖 質 代 謝
Metabolism of Carbohydrates
• 糖質の化学
(一)糖質の概念
糖質即ち炭水化物(carbohydrates)はポリ
アルコール基を含むアルデヒド或はケトン及び
それらの誘導体の総称である。
(二)糖質の分類及びその構造
糖質はその分解産物によって以下の四
種類に分けられる。
• 単糖 (monosacchride)
• オリゴ糖 (oligosacchride)
• 多糖 (polysacchride)
• 複合糖質 (glycoconjugate)
1. 単糖
それ以上簡単な分子にならないもの
グルコース(glucose)
アルドヘキソース
H
HO
フルクトース(fructose)
ケトヘキソース
O
OH
OH
O
H
HO
H
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
OH
CH2OH
O
H
H
H
OH
H
OH
HO
H
OH
OH
O
CH2OH
HOH2C
H
H
OH
OH
H
OH
ガラクトース(galactose)
アルドヘキソース
リボース(ribose)
アルドペントース
O
O
H
OH
HO
H
HO
H
H
H
OH
H
OH
H
OH
OH
OH
OH
CH2OH
HO
H
OH
H
H
OH
H
OH
O
HOH2C
OH
H
H
HO
OH
H
H
OH
2. オリゴ糖
いくつかの単糖に分解し,各単糖の間にグリコ
シド結合で結びついている。
よく見られる二糖類:
マルトース (maltose)
グルコース — グルコース
ショ糖(sucrose,スクロース)
グルコース — フルクトース
乳糖 (lactose,ラクト-ス)
グルコース — ガラクトース
3. 多糖
多くの単糖に分解する糖質
よく見られる多糖:
• デンプン (starch)
• グリコーゲン (glycogen)
• セルロース (cellulose)
① デンプン
植物に含まれる糖質の貯蔵様式
デンプン顆粒
② グリコーゲン 動物に含まれるグルコースの貯蔵
様式
③ セルロース
植物の骨格として存在する。
セルロース分子を
連結する水素結合
ミクロ繊維 セルロース繊維
セルロース単体
β-1,4-グリコシド結合
4. 複合糖質
多糖がタンパク質や脂質と共有結合で結び
ついて生成したもの
よく見られる複合糖質
• 糖脂質 (glycolipid):
脂質と結合したもの
• 糖タンパク質 (glycoprotein):
タンパク質と結合したもの。
第一節
概
説
Introduction
一、糖質の生理的機能
•
エネルギー源として
これが糖質の主な機能である。。
• 炭素源として
アミノ酸,脂肪,コレステロール,ヌクレオ
シドなどの合成に用いられる。
• 生体組織,細胞の構成成分として
糖タンパク質 ,プロテオグリカン, 糖脂質
三、糖質代謝の概況
グリコーゲン
グリコーゲン合成
ペントースリン酸
リボース
経路
+
ATP
肝グリコーゲン分解
グルコース
解糖経路
NADPH+H+
酸素あり
ピルビン
酸
酸素なし
消化と吸収
糖新生
デンプン 乳酸,アミノ酸,グリセロール
H2O及CO2
乳酸
第二節
嫌 気 的 解 糖
Glycolysis
一、嫌気的解糖の反応過程
* 定義
嫌気的条件下,即ち酸素の供給が不足ま
たは欠如したとき グルコース(グリコーゲン)
が乳酸に分解する一連の反応を嫌気的解糖
という。
* 反応部位:細胞質ゾル(シトソール)
* 嫌気的解糖は二つの段階にわけられる。
 第一段階
グルコースからピルビン酸(pyruvate)までの
反 応 で , こ れ を 嫌 気 的 解 糖 経 路 (glycolytic
pathway)と呼ぶ。
 第二段階
ピルビン酸が乳酸に転換する。
Glu
ATP
(一)グルコースがピルビン酸に分解
ADP
G-6-P
F-6-P
⑴ グルコースはグルコース6-リン酸
にリン酸化される
ATP
ADP
F-1,6-2P
磷酸二
羟丙酮
3-磷酸
甘油醛
H
HO
NAD+
NADH+H+
1,3-二磷酸甘油酸
ADP
ATP
3-磷酸甘油酸
2-磷酸甘油酸
磷酸烯醇式丙酮酸
ADP
P O CH2
HO CH2
ATP
丙酮酸
O
H
H
OH
H
H
OH
ATP
ADP
H
Mg2+
グルコース
(G )
OH
ヘキソキナーゼ
(hexokinase)
HO
O
H
H
OH
H
H
OH
OH
グルコース6-リン酸
(glucose-6-phosphate,
G-6-P)
哺乳動物体内においては4種のヘキソキ
ナーゼ(HK)群が発見されている。それらはそ
れぞれヘキソキナーゼⅠ~Ⅳと呼ばれる。肝臓
の実質細胞にはⅣ型が存在し,グルコキナー
ゼ(glucokinase,GK)と呼ばれる。
この特徴としては:
• グルコースに対する親和性が低い。
• ホルモンによる調節を受ける。
Glu
ATP
⑵ G-6-Pはフルクトース6-リン酸に転換
ADP
G-6-P
される。
F-6-P
ATP
ADP
F-1,6-2P
磷酸二
羟丙酮
P O CH2
3-磷酸
甘油醛
H
HO
NAD+
NADH+H+
1,3-二磷酸甘油酸
ADP
ATP
3-磷酸甘油酸
2-磷酸甘油酸
磷酸烯醇式丙酮酸
ADP
ATP
丙酮酸
O
H
H
OH
H
H
OH
G-6-P
OH
ホスホヘキソー
スイソメラーゼ
フルクトース6-リン酸
(fructose-6-phosphate,
F-6-P)
Glu
ATP
⑶ F-6-Pはフルクトース1,6-ビスリン酸
ADP
G-6-P
に転換される。
F-6-P
ATP
ADP
F-1,6-2P
磷酸二
羟丙酮
3-磷酸
甘油醛
ATP
ADP
Mg2+
NAD+
NADH+H+
PFK-1
1,3-二磷酸甘油酸
ADP
ATP
3-磷酸甘油酸
G-6-F
フルクトース1,6-ビス
リン酸(1, 6-fructose-
bisphosphate,
F-1,6-BP)
2-磷酸甘油酸
磷酸烯醇式丙酮酸
ADP
ATP
丙酮酸
PFK-1:ホスホフルクトキナーゼ-1
(6-phosphofructokinase-1)
Glu
ATP
⑷ F-1,6-BPは2分子のホスホトリオース
ADP
G-6-P
に開裂される。
F-6-P
ATP
ADP
F-1,6-2P
磷酸二
羟丙酮
CH2O
3-磷酸
甘油醛
NAD+
NADH+H+
1,3-二磷酸甘油酸
ADP
ATP
3-磷酸甘油酸
2-磷酸甘油酸
磷酸烯醇式丙酮酸
ADP
ATP
丙酮酸
P
P
C
ジヒドロキシ
アセトンリン酸
O
CH2OH
C
O
HO
H
C
C
H
OH アルドラーゼ
H
C
OH (aldolase)
CH2O
CH2 O
P
F-1,6-BP
+
CHO
CH
グリセルアル
OH デヒド3-リン酸
CH2 O
P
Glu
ATP
⑸ ホスホトリオースの異性化
ADP
G-6-P
F-6-P
ATP
ADP
F-1,6-2P
磷酸二
羟丙酮
CH2 O
3-磷酸
甘油醛
C
O
ホスホトリオース
イソメラーゼ
CH2OH
NAD+
NADH+H+
1,3-二磷酸甘油酸
ADP
ATP
CHO
P
ジヒドロキシ
アセトンリン酸
3-磷酸甘油酸
2-磷酸甘油酸
磷酸烯醇式丙酮酸
ADP
ATP
丙酮酸
ホスホトリオースイソメラーゼ
(phosphotriose isomerase)
CH
OH
CH2 O
P
グリセルアルデ
ヒド3-リン酸
Glu
ATP
⑹グリセルアルデヒド3-リン酸は1,3-ビス
ADP
G-6-P
ホスホグリセリン酸 に酸化される。
F-6-P
ATP
ADP
CHO
F-1,6-2P
CH
磷酸二
羟丙酮
3-磷酸
甘油醛
NAD+
NADH+H+
1,3-二磷酸甘油酸
ADP
NADH+H+
C
OH
CH2 O
O=C O
P
グリセルアルデ
ヒド3-リン酸
グリセルアルデヒド
3-リン酸脱水素酵素
P
OH
CH2 O
P
1,3-ビスホスホ
グリセリン酸
ATP
3-磷酸甘油酸
2-磷酸甘油酸
磷酸烯醇式丙酮酸
ADP
Pi、NAD+
ATP
丙酮酸
グリセルアルデヒド3-リン酸脱水素酵素
(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase)
*嫌気的解糖経路における唯一の酸化反応
Glu
G-6-P
⑺ 1,3-ビスホスホグリセリン酸は3-ホスホ
グリセリン酸に転換する。
F-6-P
O=C O
ATP
ADP
ATP
ADP
C
P
ADP
OH
CH2 O
3-磷酸
甘油醛
NAD+
NADH+H+
1,3-二磷酸甘油酸
ADP
ATP
3-磷酸甘油酸
2-磷酸甘油酸
磷酸烯醇式丙酮酸
ADP
ATP
丙酮酸
COOH
C
F-1,6-2P
磷酸二
羟丙酮
ATP
P
ホスホグリセ
リン酸キナーゼ
1,3-ビスホスホ
グリセリン酸
OH
CH2 O
P
3-ホスホ
グリセリン酸
ホスホグリセリン酸キナーゼ
(phosphoglycerate kinase)
*この反応においては,基質に含まれる高
エネルギーリン酸結合が直接にADPに転移し,
ATPを生成する。このような反応が基質レベ
ルのリン酸化反応と呼ばれる。
Glu
ATP
ADP
⑻ 3-ホスホグリセリン酸は2-ホスホグリ
G-6-P
F-6-P
セリン酸に転換する。
ATP
ADP
F-1,6-2P
磷酸二
羟丙酮
3-磷酸
甘油醛
NAD+
NADH+H+
1,3-二磷酸甘油酸
ADP
COOH
C
C O
P
CH2
OH
OH
CH2 O
P
3-ホスホ
グリセリン酸
ホスホグリセリン酸
ムターゼ
2-ホスホ
グリセリン酸
ATP
3-磷酸甘油酸
2-磷酸甘油酸
磷酸烯醇式丙酮酸
ADP
COOH
ATP
丙酮酸
ホスホグリセリン酸ムターゼ
(phosphoglycerate mutase)
Glu
ATP
⑼ 2-ホスホグリセリン酸はホスホエノルピル
ADP
G-6-P
F-6-P
ビン酸に転換する。
ATP
ADP
F-1,6-2P
磷酸二
羟丙酮
3-磷酸
甘油醛
NAD+
NADH+H+
1,3-二磷酸甘油酸
ADP
ATP
3-磷酸甘油酸
2-磷酸甘油酸
磷酸烯醇式丙酮酸
ADP
COOH
COOH
ATP
丙酮酸
C O
P
CH2
OH
2-ホスホ
グリセリン酸
C O
エノラーゼ
(enolase)
P +
H 2O
CH2
ホスホエノルピルビン酸
(phosphoenolpyruvate,
PEP)
Glu
ATP
⑽ ホスホエノルピルビン酸はピルビン酸
に転換する。
ADP
G-6-P
F-6-P
ATP
ADP
F-1,6-2P
磷酸二
羟丙酮
3-磷酸
甘油醛
NAD+
NADH+H+
1,3-二磷酸甘油酸
ADP
ATP
3-磷酸甘油酸
2-磷酸甘油酸
磷酸烯醇式丙酮酸
ADP
ATP
丙酮酸
COOH
C O
CH2
PEP
ADP
P
K+
Mg2+
ATP
ピルビン酸キナーゼ
(pyruvate kinase)
(基質レベルのリン酸化反応)
COOH
C=O
CH3
ピルビン酸
(二) ピルビン酸は乳酸に還元される。
COOH
NADH + H+
NAD+
CHOH
C=O
CH3
COOH
乳酸脱水酵素
(LDH)
ピルビン酸
CH3
乳酸
反応中のNADH+H+ は上述した唯一の酸
化反応(第6ステップ,グリセルアルデヒド3-リ
ン酸の脱水反応)に由来する。
Glu
E1
G-6-P
E2 F-1, 6-BP
ATP ADP
F-6-P
ATP ADP
E1: HK
嫌
気
的
解
糖
経
路
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
NAD+
NADH+H+
E2: PFK-1
1,3-ビスホスホグリセリン酸
E3: ピルビン酸キナーゼ
ADP
ATP
乳酸
3-ホスホグリセリン酸
NAD+
NADH+H+
2-ホスホグリセリン酸
ATP ADP
ピルビン酸
ホスホエノルピルビン酸
E3
嫌気的解糖のまと
め:
⑴ 反応部位:細胞質ゾル
⑵
⑶
酸素を必要としないでエネルギーを産生する。
全過程には三つの不可逆反応がある。
ATP
G
ADP
G-6-P
HK
ATP
F-6-P
ADP
F-1,6-2P
PFK-1
ADP
ATP
ピルビン酸
PEP
ピルビン酸キナーゼ
⑷ エネルギー産生の様式と数量
様式:基質レベルでのリン酸化
ATP正味の生成:Gから
2×2-2= 2ATP
Gnから 2×2-1= 3ATP
⑸ 終産物である乳酸の行方
血中に放出され,肝臓に入って代謝される。
分解,利用される
乳酸回路(糖新生)
二、嫌気的解糖の制御
① ヘキソキナーゼ (HK)
鍵酵素
② ホスホフルクトキナーゼ-1 (PFK-1)
③ ピルビンキナーゼ (PK)
① アロステリック調節
制御様式
② 共有結合性修飾による調節
(一)ホスホフルクトキナーゼ-1 (PFK-1)
*アロステリック調節
活性化剤:AMP; ADP; F-1,6-BP; F-2,6-2P
阻害剤: クエン酸, ATP(高濃度)
• F-1,6-BP 正のフィードバック制御
• 酵素には二つのATP結合部位がある。
① 活性中心内にある結合部位(低濃度の時)
②活性中心外にある調節部位(高濃度の時)
クエン酸
AMP
グルカゴン
–
+
PFK-2
(活性あり)
ATP
cAMP
PFK-2
活性化
ATP
F-6-P
ATP
PKA
–/+
ADP
PFK-1
+ +
F-1,6-BP
AMP
リンタンパク質
ホスファターゼ
フルクトースビス
ホスファターゼ-2
P
P
PFK-2
FBP-2
(活性なし)
(活性あり)
ADP
+
FBP-2
(活性なし)
Pi
+
–
クエン酸
F-2,6-BP
Pi
三、嫌気的解糖の生理的意味
1. 酸素が不足した時生体がエネルギーを獲得
する様式
2. 正常状態でもいくつかの細胞にとってはエネ
ルギーを供給する重要な経路である。
① ミトコンドリアのない細胞:赤血球
② 代謝の活躍した細胞: 白血球,骨髄細胞など
第 三 節
糖質の好気的酸化
Aerobic Oxidation of Carbohydrate
*概念
生体内ではグルコース(グリコーゲン)は
好気的条件下でH2OとCO2 に完全に酸化さ
れ,エネルギーを放出する過程を糖質の好
気的酸化と呼ばれる。
これは生体のエネルギー産生の主な様式
である。
*部位:細胞質ゾル, ミトコンドリア
一、好気的酸化の反応過程
第一段階:嫌気的解糖経路
G(Gn)
細胞質ゾル
ピルビン酸
第二段階:ピルビン酸の酸化的脱炭酸
アセチルCoA
第三段階:クエン酸回路
糸粒体
第四段階:酸化的リン酸化
H2O
TAC回路
[O]
ATP
ADP
NADH+H+
FADH2
CO2
(一)ピルビン酸の酸化的脱炭酸
ピルビン酸はミトコンドリア内に運ばれ,酸化的
脱炭酸されて,アセチルCoA (acetyl CoA)となる。
総反応式:
NAD+ , HSCoA
CO2 , NADH + H+
ピルビン酸
アセチルCoA
ピルビン酸脱水素
酵素複合体
HSCoA
ピルビン酸脱水素酵素
複合体の組成
NAD+
酵素
E1:ピルビン酸脱水素酵素
E2:ジヒロドリポアミドアセチル
トランスフィラーゼ
補酵素
TPP
リポ酸 ( L
HSCoA
E3:ジヒドロリポアミド脱水素 FAD, NAD+
酵素
S
)
S
1. -ヒドロキシエチル-TPPの生成
CO2
2.アセチルリポ
アミドの生成
NADH+H+
5. NADH+H+
の生成
NAD+
CoASH
3.アセチルCoA
の生成
4. リポアミドの生成
(二)トリカルボン酸回路
*概述
トリカルボン酸回路はクエン酸回路
(Tricarboxylic acid Cycle, TAC) あるいはKrebs
回路ともいう。これはミトコンドリアの中で水素当
量を放出してアセチル基の異化を行う一連の反応
である。
*反応部位
あらゆる反応はミトコンドリアの中で行われる。
H2O
H2O
②
①
NADH+H+
H2O
CoASH
②
NAD+
①クエン酸シンターゼ
②アコニターゼ
③イソクエン酸脱水素酵素
④α-ケトグルタル酸脱水素酵素複合体
+
NAD
GTP
GDP ⑤スクシニルCoA合成酵素
NDPキナーゼ
⑥コハク酸脱水素酵素
NADH+H+
⑦
⑦フマラーゼ
③
⑧リンゴ酸脱水素酵素
HO
FADH
+
⑧
ADP2
⑥
NAD
2
ATP
FAD
GDP+Pi
GTP
NADH+H+
④
⑤
CoASH
CO2
CoASH
CO2
まとめ
① クエン酸回路の概況:アセチルCoAをオキサ
ロ酢酸と縮合させてトリカルボン酸であるクエ
ン酸を生成し,一連の脱水素反応や脱炭酸
反応によって分解され,還元当量とCO2 を放
出し,オキサロ酢酸を再生する。
② 反応部位:ミトコンドリア
③ クエン酸回路の要点
クエン酸回路を1回転する場合

1分子のアセチルCoAガ消費される。

4回脱水素,2回酸化的脱炭酸,
1回基質レベルリン酸化反応が行われる。

1分子FADH2,3分子NADH+H+,2分子CO2,
1分子GTPは生成される。

鍵酵素:クエン酸シンターゼ
α-ケトグルタル酸脱水素酵素複合体
イソクエン酸脱水素酵素
④ 全体としては不可逆反応である。
⑤ クエン酸回路の中間産物
触媒剤として働き,クエン酸回路自身によっ
て正味の生成や正味の分解をすることができ
ない。
しかし
Ⅰクエン酸回路の中間代謝物は他の物質に転
換し,あるいは他の物質の合成に用いられる。
例えば
オキサロ酢酸
α- ケトグルタル酸
クエン酸
スクシニルCoA
アスパラギン酸
グルタミン酸
脂肪酸
ヘム
Ⅱ 生体内では糖質の供給が不足した時,クエン
酸回路の障害を引き起こし,リンゴ酸、オキサ
ロ酢酸は脱炭酸され,ピルビン酸に転換し,さ
らにアセチルCoAとなってクエン酸回路に入る。
NAD+
NADH + H+ CO2
リンゴ酸
ピルビン酸
リンゴ酸酵素
CO2
ピルビン酸
オキサロ酢酸
オキサロ酢酸脱炭酸酵素
* オキサロ酢酸 はたえず補充しなけらばなら
ない。
由来:
クエン酸
クエン酸
リアーぜ
アセチルCoA
ピルビン酸
CO2
ピルビン酸
カルボキシラーゼ
オ
キ
サ
ロ
酢
酸
リンゴ酸
脱水素酵素
NADH+H+
Glu
リンゴ酸
NAD+
α-ケトグルタル酸
GOT
Asp
2. クエン酸回路の生理的意義
三大栄養素の共通な最終的な酸化経路,
三大栄養物質の代謝を連結する中枢,
その他の物質代謝に小分子の前駆体を提供する
呼吸鎖にH+ と電子を提供する。
二、糖質の好気的酸化によって生成されるATP
H+ + e は呼吸鎖に入り,H2Oに酸化された同
時に ADPのリン酸化と共役し,ATPを産生する。
NADH+H+
FADH2
[O]
[O]
H2O,3ATP
H2O,2ATP
葡萄糖有氧氧化生成的ATP
反
第
一
阶
段
葡萄糖 → 6-磷酸葡萄糖
6-磷酸果糖 → 1,6-双磷酸果糖
2×3-磷酸甘油醛→ 2×1,3-二磷酸甘油酸
2×1,3-二磷酸甘油酸→ 2×3-磷酸甘油酸
第二阶段
第
三
阶
段
应
辅 酶
ATP
-1
-1
NAD+
2 ×磷酸烯醇式丙酮酸 → 2×丙酮酸
2× 3或2 × 2*
2×1
2×1
2 ×丙酮酸→ 2 × 乙酰CoA
NAD+
2×3
2×异柠檬酸 → 2 × α
-酮戊二酸
NAD+
2 ×3
2×α
-酮戊二酸 → 2 × 琥珀酰CoA
NAD+
2×3
2×琥珀酰CoA → 2 × 琥珀酸
2×1
2×琥珀酸 → 2 × 延胡索酸
FAD
2×2
2×苹果酸 → 2 × 草酰乙酸
NAD+
2×3
净生成
此表按传统方式计算ATP。目前有新的理论,在此不作详述
38(或36)ATP
糖質の好気的酸化の生理的意義
生体のエネルギー産生の主な経路である。こ
れはエネルギー産生の能率が高いばかりで
なく,産生したエネルギーがしだいに放出さ
れ,その一部分がATPを形成する。だから
エネルギーの利用率も高い。
三、糖質の好気的酸化の調節
① 嫌気的解糖経路:ヘキソキナーゼ
ホスホフルクトキナーゼ‐1
鍵
酵
素
ピルビン酸キナーゼ
② ピルビン酸の酸化的脱炭酸:
ピルビン酸脱水素酵素複合体
③ クエン酸回路:クエン酸シンターゼ
α-ケトグルタル酸脱水素酵素複合体
イソクエン酸脱水素酵素
1. ピルビン酸脱水素酵素複合体
⑴ アロステリック調節
アロステリック阻害剤:アセチルCoA; NADH; ATP
アロステリック活性化剤:AMP; ADP; NAD+
* アセチルCoA/HSCoA或は NADH/NAD+時,
この活性も阻害される。
⑵共有結合修飾
による調節
NADH+H+
アセチルCoA
ピルビン酸
プロテインキナーゼ
ホスファターゼ
活性のあるピルビン酸
脱水素酵素複合体
アセチルCoA
活性のないピルビン酸
脱水素酵素複合体
インスリン
Ca2+
目录
2. クエン酸回路の調節
アセチルCoA
– ATP クエン酸
+ ADP
① ATP、ADPの影響
クエン酸シンターゼ
オキサロ酢酸
NADH スクシニル
CoA
クエン酸
② 産物の蓄積で
阻害される。
イソクエン酸
リンゴ酸
NADH
FADH2
③ 後の反応産物が
前の反応の酵素をア
ロステリック阻害する。
④ その他,Ca2+が
いくつかの酵素を
活性化する。
– ATP
+ ADP
Ca2+
α-ケトグルタル酸
α-ケトグルタル酸
脱水素酵素複合体
スクシニルCoA
GTP
イソクエン酸
脱水素酵素
ATP
–
+
Ca2+
スクシニルCoA
NADH
糖質の好気的酸化調節の特徴
⑴ 鍵酵素の調節を通じて実現する。
⑵ ATP/ADP或はATP/AMPは全過程を制御する。
この値が高くなればあらゆる酵素は阻害される。
⑶ 酸化的リン酸化の速度はクエン酸回路の回転
に影響する。前者が低くなると,後者も緩くなる。
⑷ クエン酸回路は解糖経路と互いに協調する。ク
エン酸回路に必要なアセチルCoAは解糖経路
を通じてピルビン酸から生成される。
* その外に
ATP/ADP或はATP/AMPは糖質の好気的酸
化に影響する。とくにATP/AMPによる調節の
効果はもっと著しい。
アデニル酸キナーゼ
2ADP
ATP+AMP
生体内ではATPの濃度がAMPの濃度の50
倍である。それでATP/AMPの変動はATPより大
きく,信号を拡大する作用をもっている。
四、パスツール効果(Pastuer effect)
*概念
糖質の好気的酸化が嫌気的解糖を強く阻害
する現象である。
*機構
好気的条件下では,NADH+H+ とピルビン酸
はミトコンドリア内に入り,酸化され,乳酸を生成
しない
第 四 節
ペントースリン酸経路
Pentose Phosphate Pathway
*概念
グルコース6-リン酸はペントースリン酸と
NADPHを生成し,前者がさらにグリセルアル
デヒド3-リン酸とフルクトース6-リン酸に転換
する過程をいう。
グルコースを代謝する別の経路である。
一、ペントースリン酸経路の反応過程
* 細胞部位:細胞質ゾル
* 反応過程:二つの段階に分けられる。
 第一段階: 酸化反応
ペントースリン酸,NADPH及びCO2を
生成する。
 第二段階: 非酸化反応
一連の転移反応を含む。
1. ペントースリン酸の生成
G- 6- P脱水素酵素 C=O
H C OH
NADP+
H C OH
H C OH
HO
C H
HO
O
H C OH
NADPH+H+
⑴
H C
CH2O
CO
COO—
P
G- 6- P
6-ホスホグルコン酸
脱水素酵素
NADP+
CO2
NADPH+H+
⑵
C H
H 2O
O
H C OH
H
HO
C H
H C OH
H C OH
H C
H C OH
P
6-ホスホグルコノラクドン
CH2O
CH2O
P
6-ホスホグルコン酸
CH2OH
C=O
C
O
H C OH
H C OH
P
リブロース5-リン酸
CH2O
リボース5-リン酸
NADP+
NADPH+H+
NADP+
NADPH+H+
リボース5-リン酸
G-6-P
CO2
グルコース6-リン酸脱水素酵素はペントースリン酸経
路の鍵酵素である。
二回の脱水素反応ではいずれもNADP+を水素受容
体としてNADPH を生ずる。
生成されたリボース5-リン酸は非常に重要な中間産
物である。
2. 転移反応
3分子のグルコース6-リン酸は同時に反応に
参加し,3C、4C、6C、7Cなどの相互変換
を通じて最終グリセルアルデヒド3-リン酸とフ
ルクトース6-リン酸を生成する。
グリセルアルデヒド3-リン酸とフルクトース
6-リン酸は解糖経路に入る。
リブロース5-リン酸(C5) ×3
キシルロース5-リン酸
リボスー 5-リン酸
C5
C5
セドヘブツロース7-リン酸
C7
エリトロース4-リン酸
C4
グリセルアル
デヒド3-リン酸
C3
フルクトース6-リン酸
C6
キシルロース5-リン酸
C5
グリセルアルデヒド
3-リン酸 C3
フルクトース6-リン酸
C6
ペ
ン
ト
ー
ス
リ
ン
酸
経
路
グルコース6-リン酸(C6)×3
3NADP+
3NADP+3H+
グルコース6-リン酸脱水素酵素
6-ホスホグルコノラクドン(C6)×3
6-ホスホグルコン酸(C6)×3
3NADP+
3NADP+3H+
キシルロース
5-リン酸 C5
6-ホスホグルコン酸脱水素酵素
CO2
リブロース5-リン酸 (C5) ×3
リボース5-リン酸
C5
セドヘブツロース
7-リン酸 C7
グリセルア
ルデヒド3リン酸 C3
第一段階
エリトロース
4-リン酸 C4
キシルロース5-リン酸
C5
第
グリセルアルデヒド 二
3-リン酸 C3
段
フルクトース6-リン酸 階
フルクトース6-リン酸
C6
C6
総反応式
3×グルコース6-リン酸 + 6 NADP+
2×フルクトース6-リン酸
+
グリセルアルデヒド3-リン酸
+
6 NADPH+H+ + 3 CO2
ペントースリン酸経路の特徴
⑴ 脱水 素反応で は NADP+ を水 素受 容体とし て,
NADPHを生ずる。
⑵ ケトースとアルドース間の転移反応を通じて,3,4、
5,6,7炭素糖が相互変換できる。
⑶ 重要な代謝中間産物であるリボース5-リン酸を生
成する。
⑷ 1分子G-6-Pあたり1回の脱炭酸と2回脱水素反応
が起こり,1分子CO2と2分子NADPHを生ずる。
二、ペントースリン酸経路の調節
*
グルコース6-リン酸脱水素酵素
鍵酵素であり,この酵素の活性はペントー
スリン酸経路に入ったグルコース6-リン酸の流
量を決める。
この酵素の活性は主にNADPH/NADP+ に
制御される。その比が高くなれば酵素が阻害
される。その外にNADPHはこの酵素を強く阻
害する。
三、ペントースリン酸経路の生理的意義
(一)ヌクレオチドの合成にリボースを
提供する。
(二)NADPHを提供する。 NADPHは水
素供与体として多くの代謝反応に関
与する。
1. NADPHは生体内における多くの合成反応の
水素供与体である。
2. NADPHは生体内における水酸化反応に関与
し,生合成或は生物転化に関連する。
3. NADPHはGSHの還元性を維持する。
A
2G-SH
AH2
G-S-S-G
NADP+
NADPH+H+
第 五 節
グリコーゲンの合成と分解
Glycogenesis and Glycogenolysis
グリコーゲン (glycogen)
動物体内における糖質の貯蔵形であり,迅速
に利用できるエネルギーの貯蔵である。
グリコーゲンを貯蔵する主な器官及び生理的意義
筋肉:筋肉グリコーゲン,180 ~ 300g,
主に 筋肉収縮に必要なエネルギーを供
給する。
肝臓:肝臓グリコーゲン,70 ~ 100g,
正常な血糖濃度を維持する。
グリコーゲンの構造特徴及び意義
1. グルコース残基がα-1,4-グ
リコシド結合で鎖状に連ねて
いる。
2. 分枝点ではα-1,6-グリコシ
ド結合である。(溶解度増加)
3. 沢山の非還元末端をもって
いる。これがグリコーゲンの
合成と分解に役立つ。
一、グリコーゲンの合成代謝
(一)定義
グルコースからグリコーゲンを合成する過
程をグリコーゲン合成(glycogenesis)と呼ぶ。
(二)合成部位
組織定位:主に肝臓,筋肉
細胞定位:細胞質ゾル
(三)グリコーゲン合成経路
1. グルコースはグルコース6-リン酸にリン酸化さ
れる。
ATP
G
ADP
HK;GK(肝)
G-6-P
2. グルコース6-リン酸はグルコース1-リン酸に
転換される。
G-6-P
G-1-P
ホスホグルコムターゼ
リン酸基転移の意義:グルコース分子のC-1ヘミア
セタール水酸基が活性化され,元のグリコーゲン分子
の末端グルコース残基のC-4水酸基と縮合する。
ヘミアセタール水酸基とリン酸基の間に形成されたOP結合は割合高いエネルギーをもっている。
3. グルコース1- リン酸はウリジン二リン酸グルコース
に転換される。
CH2OH
H
HO
P
O H
H
OH H
H
O
P
+
ウリジン
UTP
P
OH
CH2OH
G-1-P
H
UDPGピロホスホリラーゼ
HO
O H
H
OH H
H
PPi
2Pi +
エネルギー
P
O
P
P
ウリジン
尿苷
OH
ウリジン二リン酸グルコース
( uridine diphosphate glucose , UDPG )
“グルコースの活性型”
4. α-1,4-グリコシド結合の形成
Gn + UDPG
Gn+1 + UDP
グリコーゲンシンターゼ
( glycogen synthase )
UDP
ATP
ヌクレオシド
UTP
二リン酸キナーゼ
ADP
Gn + UDPG
Gn+1 + UDP
グリコーゲンシンターゼ
( glycogen synthase )
* Gnは細胞内にあらかじめ存在する小さなグリ
コーゲン分子であり ,グリコーゲンプライマー
(primer)と呼ばれ,UDPGからのグルコース残
基を受け取る。
(四)グリコーゲン分枝の形成
分枝酵素
(branching enzyme)
α-1,4-結合
α-1,6-結合
グリコーゲン合成においてはプライマーとして
の最初のグリコーゲン分子はどのように作られる
か?
近来,グリコーゲン分子の中心にグリコゲニ
ン(glycogenin)というタンパク質は発見された。
グリコゲニンはUDPGによって特異的なチロシン
残基がグルコシル化される。さらにグルコース残
基がα-1,4-グルコシド結合で結合し,短い鎖をつ
くり,プライマーとなる。
グルコシル基
転移酵素
グリコーゲンシンターゼ
グリコーゲン
シンターゼ
グリコーゲンシンターゼ
分枝酵素
グリコーゲン顆粒
二、グリコーゲンの分解代謝
*定義
肝グリコーゲンはグルコースに分解される過
程をグリコーゲン分解(glycogenolysis )と呼ぶ。
* 細胞定位:細胞質ゾル
*肝グリコーゲン分解
1. グリコーゲンの加リン酸分解
Gn+1
ホスホリラーゼ
Gn + G-1-P
2. 脱分枝酵素の作用
①グルコース残基を転移する
②-1,6-グリコシド結合を分解
脱分枝酵素
(debranching enzyme)
ホスホリラーゼ
転移酵素活性
α-1,6グルコ
シダーゼ
3. グルコース1-リン酸はグルコース6-リン酸に
転換される。
G-1-P
ホスホグルコ
ムターゼ
G-6-P
4.グルコース6-リン酸はグルコースに分解される。
G-6-P
G
グルコース-6-ホスファターゼ
(肝,腎)
*筋肉グリコーゲンの分解
前の三つの反応が肝臓グリコーゲン分解と同じ
であるが,筋肉組織にはグルコース-6-ホスファ
ターゼが存在しないので,グルコース6-リン酸は
グルコースに分解されない。 ただ 解糖経路だ
けに入って代謝される。
筋肉グリコーゲン代謝は乳酸回路と関係がある。
まとめ
⑴
反応部位:細胞質ゾル
⑵
G-6-Pの代謝行方
6-ホスホグルコノ
ラクドン
G(血糖の補充)
G-6-P
(ペントースリン酸経路)
F-6-P
(解糖経路)
G-1-P
UDPG
グルクロン酸
(グルクロン酸経路)
Gn(グリコーゲン
の合成)
3.グリコーゲンの合成と分解の経路のまとめ
Gn+1
UDP
Pi
グリコーゲンシンターゼ
Gn
Gn
UDPG
PPi
ホスホリラーゼ
UDPGピロホスホリラーゼ
UTP
G-1-P
ホスホクルコムターゼ
グルコース-6-ホスファターゼ(肝)
G-6-P
HK(GK )
G
三、グリコーゲンの合成と分解の調節
① 合成:グリコーゲンシンターゼ
鍵酵素
② 分解:ホスホリラーゼ
重要な特徴:
* 速い調節には共有結合による修飾調節とア
ロステリック調節が2種類ある。
* 酵素には(高)活性や不(低)活性型がある。
それら二種類の酵素は相互変換できる。
1.共有結合による修飾の調節
① これら二つの酵素はリン酸化或は脱リン酸化さ
れたあと,活性の変化が反対である。
② 酵素触媒反応であり,その速度が速い。;
③ カスケード的増幅があり,効率が高い。;
④ ホルモンによる調節を受けている。
ホルモン(グルカゴン,エピネフリン)+ 受容体
AC
(不活性型)
アデニル酸シクラーゼ(AC,活性型)
ATP
cAMP
PKA
PKA
(不活性型)
(活性型)
Pi
ホスホリラーゼb
キナーゼ
プロテイン
ホスファターゼ-1
ホスホリラーゼb
キナーゼ-P
–
グリコーゲン
シンターゼ
Pi
グリコーゲン ホスホリラーゼb
シンターゼ-P
プロテインホスファターゼ-1
–
Pi
ホスホリラーゼa-P
プロテインホスファターゼ-1
–
PKA(活性型)
プロテインホスファター
ゼ阻害剤-P
プロテインホスファ
ターゼ阻害剤
2.アロステリック調節
*グルコースはホスホリラーゼのアロステリッ
ク阻害剤である。
グルコース
ホスホリラーゼ a (R)
ホスホリラーゼ a (T)
[分散型]
[緊密型]
ホスホリラーゼには2種類の立体配置がある。
即ち緊密型(T)と分散型(R)である。T型ではSer-
14が暴露され,共有結合による修飾調節を受け
るのに都合がよい。
調節についてのまとめ
① 鍵酵素には活性型,不(低)活性型という2種類
の様式がある。それらはリン酸化或は脱リン酸
化を通じて,相互変換できる。
② バランスで調節されている:cAMP濃度が増
加し,ホスホリラーゼが活性化されると同時に
グリコーゲンシンターゼが不活性型に変化する。
③ 二重調節:共有結合による修飾の調節
アロステリック調節
④ ホルモンによる調節にはカスケード的増幅
がある。
⑤ 肝臓グリコーゲン代謝と筋肉グリコーゲン代謝
は自分の調節特徴をもっている。
例えば 前者では主なホルモンはグルカゴンで,
後者ではエピネフリンである。
第 六 節
糖 新 生
Gluconeogenesis
*概念
糖でない物質がグルコースやグルコーゲ
ン に 変 換 さ れ る 過 程 を 糖 新 生
(gluconeogenesis)という。
*部位
主に肝細胞,腎細胞の細胞質ゾルとミト
コンドリア
* 前駆体
主に乳酸,グリセロール,糖源性アミノ酸
Glu
ATP
一、糖新生経路 (gluconeogenic pathway)
ADP
G-6-P
F-6-P
*定義
ピルビン酸がグルコースを生じる反応過
ATP
ADP
程を糖新生経路と呼ぶ。
F-1,6-2P
磷酸二
羟丙酮
3-磷酸
甘油醛
NAD+
NADH+H+
1,3-二磷酸甘油酸
ADP
ATP
3-磷酸甘油酸
2-磷酸甘油酸
磷酸烯醇式丙酮酸
ADP
ATP
丙酮酸
*過程
 多くの反応は解糖経路と同じ,可逆
的である。
 解糖経路における三つの鍵酵素によ
る反応が不可逆的で,特別な反応に
よって迂回されている。
1. ピルビン酸がホスホエノールピルビン酸(PEP)に
変換される
ATP
ADP+Pi
ピルビン酸
CO2
GTP
GDP
オキサロ酢酸
①
PEP
② CO2
① ピ ル ビ ン 酸 カ ル ボ キ シ ラ ー ゼ (pyruvate
carboxylase)で,ビオチンを必要とし,ミトコン
ドリアにある。
② ホスホエノールピルビン酸カルボキシキナー
ゼで,ミトコンドリアと細胞質ゾルにある。
細
胞
質
ゾ
ル
PEP
GDP + CO2
PEPカルボキシキナーゼ
GTP
OAA
Aps
Aps
リンゴ酸
NAD+
α-KG
OAA
Glu
糸
粒
体
リンゴ酸
ADP + Pi
NADH + H+
ピルビン酸カル
ボキシラーゼ
ピルビン酸
ATP + CO2
ピルビン酸
糖新生に必要なNADH由来
糖新生経路においては,グリセルアルデヒド
3-リン酸脱水素酵素による反応はNADHを必要
とする。
① 乳酸を糖新生原料とする時 NADHが以下の
反応によって提供される。
乳酸
LDH
NAD+
ピルビン酸
NADH+H+
② アミノ酸を糖新生原料とする時, NADHがミトコン
ドリアにより提供される。それらが脂肪酸β-酸化或
はクエン酸回路に由来し,オキサロ酢酸とリンゴ酸
の相互変換を通じて輸送される。
オキサロ
酢酸
NADH+H+
リンゴ酸
NAD+
ミトコンドリア
リンゴ酸
NAD+
オキサロ
酢酸
NADH+H+
細胞質ゾル
2. フルクトース1,6-ビスリン酸がフルクトース
6-リン酸に転換される。
Pi
F-1,6-BP
F-6-P
フルクトース-1,6ビスホスファターゼ
3. グルコース6-リン酸がグルコースになる。
Pi
G-6-P
グルコース-6ホスファターゼ
G
糖でない物質の糖新生に入る経路
⑴ 糖新生の前駆体が糖質代謝の中間産物に
変換される。
糖源性アミノ酸
-NH2
グリセ
ロール
グリセロール
3-リン酸
乳酸
2H
α-ケト酸
ジヒドロキシ
アセトンリン酸
ピルビン酸
⑵ 上述した糖質代謝の中間産物がグルコース
やグリコーゲンに変換される。
G-6-Pase
二、糖新生の調節
Pi
G-6-P
前の三つの反応
ADP
においては,基質
の相互変換は異
なった酵素によって
基質回路
ATP
HK
F-1,6-BPase-1
F-1,6-BP
ADP
触媒される。こうし
た相互変換回路を
G
ピルビン酸カル
ボキシラーゼ
CO2+ATP
F-6-P
PFK-1
ADP+Pi
ATP
GTP
OAA
PEPカルボ
キシキナーゼ
GDP+Pi
PEP +CO2
ピルビン酸
キナーゼ
ATP
ピルビン酸
(substrate cycle)。
ADP
Pi
生合成に作用する酵素と,分解に作用する
酵素とが同時に存在し無用の回路なしている。
この回路は結局ATPを分解してADPとPiを作る
以外何ももたらさない無益な過程である。した
がってこれを無益回路(futile cycle)ともいう。
実際の生体内ではこの回路が調節されてい
て,二つの酵素のうち一方のみが活性をもって
いる。
1. フルクトース6-リン酸とフルクトース1,6-ビスリン酸
Pi
F-6-P
F-2,6-BP
F-1,6-BPase-1
ATP
PFK-1
AMP
F-1,6-BP
ADP
2.
PEPとピルビン酸
PEP
ADP
F-1,6-BP
オキサロ酢酸
Ala
ピルビン酸
アセチル CoA
ピルビン酸
キナーゼ
ATP
三、糖新生の生理的意義
(一)血糖濃度の定常を維持する。
(二)肝臓グリコーゲンを補充する。
三炭素経路:摂食した後,大部分のグルコー
スが肝外細胞で乳酸やピルビン酸などの三炭
素化合物に分解される。そしてこれらの三炭
素化合物は肝細胞でグリコーゲンを合成する。
( 三 ) 酸 塩 基 平 衡 を 調 節 す る 。
(乳酸がグルコースに変換される。)
四、乳酸回路( lactose cycle,Cori 回路)
⑴
回路過程
グルコース
グルコース
糖
新
生
経
路
解
糖
経
路
ピルビン酸
ピルビン酸
【
グルコース
NADH
NADH
NAD+
NAD+
乳酸
乳酸
乳酸
肝臓
G-6-Paseがある。
血液
筋肉
】 【 G-6-Pase がない。 】
⑵
乳酸回路はエネルギーを消費する過程で
ある。
2分子の乳酸が1分子のグルコースに転
換される場合 6分子のATPが消費される。
⑶ 生理的意義
① 乳酸を再利用し,その損失を妨げる。
② 乳酸の蓄積によるアシドーシスを防止する。
第 七 節
血糖及びその調節
Blood Glucose and The Regulation of
Blood Glucose Concentration
血糖及び血糖レベルの概念
*血糖: 血中グルコースのこと
*血糖レベル:即ち血中のグルコース濃度
正常な血糖レベル:3.89~6.11mmol/L
血糖レベル定常の生理的意義
重要な組織器官(とくにグルコースによるエネ
ルギー供給に依頼する組織器官)のエネルギー
供給を保証する。
 脳組織は脂肪酸を利用することができない。
 成熟赤血球にはミトコンドリアがない。
 骨髄と神経組織では代謝が活躍である。
一、血糖の由来と行方
食物の糖質消化,
吸収
肝臓 Gn
分解
糖新生
非糖質
血
糖
好気
酸化
CO2 + H2O
Gn合成
肝臓(筋肉)Gn
ペントースリン酸経路など
その他の糖
脂質,アミノ酸の合成代謝
脂肪,アミノ酸
二、血糖レベルの調節
*主にホルモンによる調節を受けている。
血糖を低下させるもの:
主要な
ホルモン
インスリン(insulin)
血糖を上昇させるもの:
グルカゴン(glucagon)
グルココルチコイド
エピネフリン
(一) インスリン
—— 生体内における唯一の血糖レベルを
低下させるホルモン
作用機構:
① Gの肝外細胞への輸送を促進する。
② Gn合成を促進し, Gn分解を阻害する。
③ 糖質の好気的酸化を速める。
④ 肝内における糖新生を阻害する。
⑤ 脂肪動員を減らす。
(二)グルカルゴン
—— 生体内における血糖を上昇させ
る主なホルモン
作用機構:
① Gn分解を促進し,Gn合成を阻害する。
② 解糖経路を阻害し,糖新生を促進する。
③ 脂肪動員を促進する。
* エピネフリンは主に応急の場合では役割を果た
す。

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