ウェブチャプター23E 代謝の化学

ウ ェ ブ チ ャ プ タ ー 23E 代 謝 の 化 学
目 次
23E.1 代謝とエネルギー
23E.2 ATP のエネルギー関係
23E.2.1 ATP の反応エネルギー
23E.2.2 代謝経路と共役反応
23E.3 クエン酸回路 23E.4 酵素による触媒反応 23E.4.1 一般酸塩基触媒
23E.4.2 酵素反応機構
23E.4.3 補因子の作用
a 金属酵素による反応
b 補酵素とビタミン
23E.5 補酵素の反応機構
23E.5.1 ピリジンヌクレオチドとフラビン
23E.5.2 チアミンピロリン酸
23E.5.3 ピリドキサールリン酸
23E.5.4 ビオチン
23E.5.5 テトラヒドロ葉酸
23E.6 代謝経路
23E.6.1 グルコースの代謝
23E.6.2 脂肪酸の代謝
23E.6.3 アミノ酸の代謝
まとめ
生物が生命を維持するために，必要な物質をつくり，エネルギーを得るために行う
反応を，まとめて代 謝 （metabolism）という．そのうち，すべての生物に共通の生命
現象に関係している代謝は一 次 代 謝 （primary metabolism）とよばれ，糖，アミノ酸，
脂肪酸が関係する異 化 （catabolism）と同 化 （anabolism）を含む．異化では，複雑な
分子（栄養素）が単純な分子に分解され，エネルギーを供給し，生体分子の合成原料
を生成する．一方，同化では，単純な分子からエネルギーを使って複雑な生体分子が
合成される． 一次代謝に含まれず生命維持における役割が明確でない物質を産生する反応で，特
定の生物に限定的な代謝を二 次 代 謝（secondary metabolism）という．二次代謝産物は，
アルカロイド，テルペノイド，ホルモン，フェノール類，抗生物質，配糖体など一般
に天然物とよばれているもので，多種多様である．二次代謝産物の多くは顕著な生理
活性を示し，毒物や薬物として分類されるものも多い．
1
このように代謝の化学の領域は非常に幅広く，一つの章ですべてについて述べるこ
とはできない．23A 23D 章では代表的な生体物質の構造について説明し，おもな反
応にも触れた．この章では，まず代謝とエネルギーについて述べ，ATP によるエネル
ギー伝達，そして糖質，脂肪酸，アミノ酸などの生体内燃料分子の酸化の最終経路で
あるクエン酸回路について説明する．ついで，代謝反応の基本となる触媒機構につい
て復習し，酵素反応と補酵素の反応機構について説明する．最後に，糖質，脂肪酸，
アミノ酸，それぞれの代謝について述べる
2 3 E . 1 代 謝 と エ ネ ル ギ ー 代謝は生体内あるいは細胞で起こる化学反応のすべてを包含しており，生体系が活
動に必要なエネルギーを取り入れて利用する全過程を含んでいる．独立栄養生物は光
合成生物ともよばれ，太陽エネルギーを利用してCO2とH2Oから糖とO2をつくる（光
合 成 ，photosynthesis：大気中の窒素を利用して含窒素化合物をつくるシアノバクテリ
アのようなものもある）．従属栄養生物（化学合成生物ともいう）は，他の生物がつく
った糖質などの有機化合物を取り入れ，それを酸化してエネルギーを得る．多細胞動
物やほとんどの微生物は従属栄養生物である．
代謝は，一連の酵素触媒反応によって構成された代 謝 経 路 （metabolic pathway）に
よって起こり，各反応の基質，中間体，生成物を代 謝 物（metabolite）という．生体に
は多数の代謝物があり，多くの代謝経路が複雑に絡み合っているので，それらは代謝
マップで表される．代謝マップは1ページに収まらないほど複雑なので，ここには示さ
ないが，インターネットで見ることができる．たとえば，次のようなサイトがある．
http://www.expathy.org/pathways
http://www.genome.jp/kegg/pathway.html
代謝経路はふつう異化と同化の経路に分けて考える．（1）異化経路は分解経路であ
り，栄養素や生体成分を分解して小さくて単純な最終生成物に変換する．この過程は
発エルゴン反応であり，Gibbsエネルギーが放出される．
（ 2）同化経路は生合成であり，
単純な成分から生体分子をつくる吸エルゴン反応なのでエネルギーを使う．
異 化 経 路 で 放 出 さ れ る エ ネ ル ギ ー の 一 部 は ， ア デ ノ シ ン 二 リ ン 酸 （ adenosine
diphosphate: ADP）とリン酸からアデノシン三リン酸（adenosine triphosphate: ATP）を
合成したり，酸化還元補酵素の NADP+ （NAD+ ）を NADPH（NADH）へ，あるいは
FAD を FADH2 へ還元したりするのに使われる．すなわち，エネルギーの一部は ATP
や還元型電子伝達体のかたちで保存されるが，残りは熱として失われる．このように
してつくられた ATP と NADPH（NADH），FADH2 は生合成（同化）に必要なエネル
ギーを供給する（図 23E.1）．
［酸化還元酵素についてはウェブチャプター23C（23C.1.2
項）で言及した．この章では，通常，高エネルギー化合物の構造を赤で，低エネルギ
ー化合物を緑で表す．］
食物によって燃料を補給し，呼吸によって酸素を供給し，体内で燃料を酸化してエ
ネルギーを取り出す．この過程は，図23E.2に示すように，4段階に分けて考えること
ができる．
2
エネルギーに富む
栄養物質
ポリマー（細胞）
多糖類
タンパク質
脂質
核酸
糖質
脂肪
タンパク質
ADP + HPO42–
NAD+
NADP+
FAD
同
異
化
化
ATP
NADH
NADPH
FADH2
前駆体分子
化学
エネルギー
エネルギーの乏しい
最終生成物
糖
アミノ酸
脂肪酸
含窒素塩基
CO2
H2O
NH3
図23E.1 異化経路と同化経路におけるエネルギー関係
脂肪
糖質
タンパク質
脂肪酸と
グリセリン
グルコース
などの単糖
アミノ酸
消化
アセチルCoAの生成
アセチル CoA
CoA
GTP
クエン酸
回路
2 CO2
還元型補酵素
O2
酸化的リン酸化
H2O
ATP
図 23E.2 異化による生化学的エネルギー生産の概要
3
段階 1 は消化であり，糖質，脂肪，タンパク質が加水分解されて単糖，脂肪酸，ア
ミノ酸になる．段階 2 でこれらの加水分解生成物はクエン酸回路に導入可能なアセチ
ル CoA に変換される．段階 3 はクエン酸回路であり，1 分子のアセチル CoA から 2
分子の CO2 が発生する．この過程で放出されるエネルギーは還元型補酵素（NADH や
FADH2 ）のかたちで保存され，一部はグアノシン三リン酸（guanosine triphosphate, GTP:
容易に ATP に変換される ATP 類似体）の化学結合に蓄えられる．段階 4 では還元型
補酵素から電子が電子伝達系の中で分子から分子に伝わって最後に還元型補酵素から
の H+ とともに酸素と結合して水分子になる．すなわち，還元型補酵素は実質的に空気
中の酸素で酸化され，そのエネルギーを ATP の化学結合に蓄える．
異化と同化は逆過程に対応するが，同じ出発物と最終生成物になる過程でも，通常
の化学反応と違って可逆反応にはならない．異化（分解）と同化（合成）の過程が同
じセットの酵素によって触媒され可逆的であるなら，生体分子の生成量を調節するこ
とができなくなる．異化と同化の経路の中には，必ず異なる酵素を使う反応段階が含
まれる．それによって合成と分解反応を調節し，必要な量の生体分子を確保している．
次節以降で，あらゆる生体分子の代謝に関わる問題として，まず ATP を中心とする
エネルギー関係とクエン酸回路について調べ，ついで代謝経路に見られる反応として，
酵素反応と補酵素の働きを反応機構の面から説明する．最後に単糖，脂肪酸，アミノ
酸の代謝について概略を述べる．
（生体内ではカルボン酸やリン酸はイオン化しているので，構造式はイオン化状態で
示しているが，名称は生化学の習慣に従って解離していない酸名で表している．）
2 3 E . 2 A T P の エ ネ ル ギ ー 関 係 23E.2.1 ATP の 反 応 エ ネ ル ギ ー
異化の過程で ATP がエネルギーを蓄え，そのエネルギーが同化に使われることから，
ATP をエネルギー輸送分子（あるいはエネルギー通貨）ということもある．ATP は三
つの –PO3 – 基をもっており，加水分解されると 1 分子のリン酸を出して ADP になる．
この反応は発エルゴン反応であり，–PO3 – 基がもっていた化学エネルギーを放出する．
その逆反応（ADP → ATP）は，リン酸化とよばれるが，吸エルゴン反応である． アデノシン
三リン酸基
N
O O– O O– O O–
ATP + H2O
ADP + HOPO3
2–
+
H+
–O
P
O
!G = –30.5 kJ mol–1
P
O
P
O
NH2
N
O
N
N
切断されて ADP + HOPO3
2–
+
H+
ATP + H2O
ADP になる !G = +30.5 kJ mol–1
4
OH
OH
アデノシン三リン酸
adenosine triphosphate (ATP)
生物は食物から得られるエネルギーを使って吸エルゴン的に ADP から ATP を合成し，
発エルゴン的な ATP 加水分解で放出されるエネルギーを使って，種々の生合成を行う． 生化学エネルギーの生産，伝達，消費はすべて，ATP の加水分解と ADP のリン酸
化という相互変換に依存している．この反応は，代謝における役割を果たす上で完璧
な特徴をもっている．ATP は安定で，酵素触媒がある場合にのみ加水分解されてエネ
ルギーを出す．また，ATP の加水分解で得られるエネルギーは中程度である（表 23E.1）
ということも重要である．
代謝における ATP の最大の役割はエネルギーを輸送することであるが，そのために
は ATP
ADP の正逆両反応がスムースに進む必要がある．あまりに ATP の加水
分解で得られるエネルギーが大きいと，逆反応の ADP のリン酸化にそれだけ多くのエ
ネルギーを必要とし，そのエネルギーを供給できる反応を見つけることが難しくなる．
ATP は，しばしば 高エネルギー分子 とよばれるが，類似のリン酸化合物に比べて
とくに 高エネルギー を供給できるわけではない．しかし，エネルギーを供給でき
る分子として，この表現が使われる． 表 23E.1 代表的なリン酸化合物の加水分解反応の Gibbs エネルギー
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
O
R O
P
O
O–
+ H2O
ROH + HO
O–
P
O–
O–
化合物名
機能
ΔG/kJ mol–1
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
ホスホエノールピルビン酸 解糖の中間体 –61.9
1,3–ビスホスホグリセリン酸 解糖の中間体 –49.4
クレアチンリン酸
筋細胞のエネルギー貯蔵
–43.1
ATP（→ADP）
エネルギー輸送分子
–30.5
グルコース 1–リン酸
炭水化物分解の中間体
−20.9
グルコース 6–リン酸
解糖の最初の中間体
−13.8
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
23E.2.2 代 謝 経 路 と 共 役 反 応
ATP に保存された化学エネルギーは徐々に放出されて，吸エルゴン的な代謝反応を
進めていく．熱力学で学んだように，反応物と生成物のエネルギー差は，反応経路に
かかわらず一定である．生体分子と代謝の最終生成物（おもに CO2 と H2 O）とのエネ
ルギー差に関係なく，ATP のエネルギーを少しずつ使いながら一連の反応を経て代謝
生成物に至ることができる．
エネルギー的に不利な吸エルゴン反応をうまく進めるために，エネルギー的に有利
な発エルゴン反応を共 役 （couple）させることによって，代謝がうまく進むようにな
っている．二つの反応の和としてエネルギー的に有利な反応になるのである．たとえ
5
ば，グルコースとリン酸水素イオンからグルコース 6−リン酸を生成する反応の ΔG は
+13.8 kJ mol–1 である．これはエネルギー的に不利な反応であるが，ATP の加水分解が
共役すると全反応は発エルゴン反応で有利になる．
グルコース + HOPO32–
ATP + H2O
グルコース + ATP
グルコース 6–リン酸 + H2O
!G = +13.8 kJ mol–1 （不利）
ADP + HOPO32– + H+
!G = –30.5 kJ mol–1 （有利）
グルコース 6–リン酸 + ADP
!G = –16.7 kJ mol–1 （有利）
すなわち，グルコースのリン酸化により 16.7 kJ mol–1 の Gibbs エネルギーが放出さ
れる．このような反応の共役によってはじめて，一つの化合物に蓄えられたエネルギ
ーが別の化合物の反応に使われる．余分のエネルギーは熱として体温の維持に使われ
る．
共役する二つの反応は，これまで別々に見てきたが，実際には別々に起こるわけで
はない．全反応で表される反応のように，グルコースと ATP が直接反応して，リン酸
基を転移させる．
ADP から ATP を合成する反応も吸エルゴン的であり，共役する反応がなければ進
まない．この反応の ΔG（+30.5 kJ mol–1 ）以上のエネルギーを放出する反応と共役す
る必要がある．たとえば，ホスホエノールピルビン酸の加水分解が共役すると次のよ
うなエネルギー関係になり，全反応はホスホエノールピルビン酸から ADP へのリン酸
基の転移となる．
O
H2C
C
PO32–
CO2
O
–
+ H2O
CH3
ホスホエノールピルビン酸
ADP + HOPO3
O
H2C
C
2–
+
ピルビン酸
H+
CO2
!G = +30.5 kJ mol–1 （不利）
ATP + H2O
PO32–
–
!G = –61.9 kJ mol–1 （有利）
CO2– + HOPO32–
C
O
+ ADP
CH3
!G = –31.4 kJ mol–1 （有利）
CO2– + ATP
C
共役反応は，一般に曲線の矢印を用いて，次のように表される． O
H2C
C
PO32–
CO2
ATP
ADP
–
O
CH3
C
CO2–
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
問 題 23E.1 光合成植物は次の反応でグルコースを CO2 と H2 O から合成し，グルコー
スは酸化されて CO2 と H2 O にもどる．
光合成
6 CO2 + 6 H2O
酸化
6
C6H12O6 + 6 O2
(a) 両方向の反応のうち，どちらが発エルゴン的で，どちらが吸エルゴン的か．
(b) その吸エルゴン反応のエネルギーはどこからくるのか． 問 題 23E.2 グルコースは体内で酸化されてエネルギーを生産するが，実験室で点火
して燃やすこともできる．どちらがより多くのエネルギーを生産すると思われる
か． –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
2 3 E . 3 ク エ ン 酸 回 路 ク エ ン 酸 回 路（citric acid cycle）は 23E.1 節（図 23E.2）でも述べたように，糖，脂
肪酸，アミノ酸の異化で生成したアセチル CoA のアセチル基を 2 分子の CO2 に酸化し
て代謝するおもな経路であり，トリカルボン酸（TCA）回路あるいは Krebs 回路とも
よばれる．最後の名称は，この経路を 1937 年にはじめて提唱した Sir Adolph Krebs（ク
レブス）にちなむものである．クエン酸回路の概略を図 23E.3 に示すが，ここでは CO2
とともに各種の生合成原料も供給するので，この回路は異化と同化の二面性をもつ両
方向経路である．
糖質
脂質
タンパク質
単糖
脂肪酸
アミノ酸
O
CH3 C S CoA
アセチル CoA
H2O
CoASH
①
オキサロ酢酸
NADH
NAD+
クエン酸
②
⑧
クエン酸
回路
リンゴ酸
⑦
フマル酸
FADH2
⑥
FAD コハク酸
⑤
イソクエン酸
NAD+
③
CO2
NADH
!–ケトグルタル酸
CoASH
NAD+
CO2
④
NADH
スクシニル CoA
GDP +
HOPO32–
GTP +
CoASH
図 23E.3 クエン酸回路 7
この回路では 8 種類の酵素が一連の反応を触媒し，アセチル基は 2CO2 に酸化され，
同時に 3NADH, 1FADH2 , 1GTP（グアノシン三リン酸）が生成する．これらの反応を
順に説明しよう．
段 階 1, 2： 最初の 2 段階はクエン酸の生成と異性化であり，酸化の準備段階であ
る．まず，酵素触媒アルドール反応によりアセチル CoA のアセチル基がオキサロ酢酸
に付加して炭素 6 原子のクエン酸を生成し，回路に入る．
（クエン酸はトリカルボン酸
であり，この回路の別名のもとになっている．） O
CH3
O
C
S
CoA
+ H2O
CO2–
C
クエン酸
シンターゼ
CH2CO2–
HO
アルドール反応
CH2CO2–
CO2–
C
CH2CO2
+ CoA
SH
–
クエン酸
citrate
オキサロ酢酸
oxaloacetate
クエン酸は脱水と水和によりイソクエン酸に異性化する．中間体はアコニット酸と
よばれ，酵素はアコニターゼとよばれる． CH2CO2–
HO
C
CO2
–
脱水
C
CO2
クエン酸
CH2CO2–
アコニターゼ
–
CH CO2
CH2CO2–
H2O
水和
CH2CO2–
アコニターゼ
–
HO
H2O
アコニット酸
aconitate
CH CO2–
CH CO2–
イソクエン酸
isocitrate
段 階 3, 4： この 2 段階は NAD+ による酸化反応である．段階 3 でイソクエン酸の
ヒドロキシ基がカルボニル基に酸化され，脱炭酸を起こす．中間体のオキサロコハク
酸はβ−ケト酸なので容易に脱炭酸される．
CH2CO2–
HO
CH CO2
–
CH CO2
–
イソクエン酸
酸化
イソクエン酸
デヒドロゲーゼ
CH2CO2–
CH CO2
NAD+
NADH
O
C
CO2
脱炭酸
CH2CO2–
–
–
オキサロコハク酸
oxalosuccinate
CH2
H+
CO2
O
C
CO2–
!–ケトグルタル酸
!–ketoglutarate
生成した α–ケトグルタル酸は酸化的脱炭酸を起こすと同時に，CoASH と反応して
スクシニル CoA を生成する．
8
CH2CO2–
CH2
O
C
NAD+
+
CO2
+ CoA SH
!–ケトグルタル酸
デヒドロゲーゼ
複合体
CH2CO2–
CH2
–
O
C
S
+ CO2 + NADH
CoA
スクシニル CoA
succinyl CoA
!–ケトグルタル酸
段 階 5： スクシニル CoA（チオエステル）の発熱的な加水分解が，吸熱反応であ
るグアノシン二リン酸（GDP）のリン酸化と共役して起こる．生成物はコハク酸とグ
アノシン三リン酸（GTP）であるが，GTP は ATP と同じようにエネルギーを蓄えてお
り，リン酸基の転移によりエネルギーを放出できるし，ATP にただちに変換される．
コハク酸は回路の次の段階に入るが，これまで区別してきたアセチル CoA の 2 炭素は，
もはや区別できなくなる． コハク酸
チオキナーゼ
CH2CO2–
+ GDP + HPO42–
CH2
O
C
S
CH2CO2–
CoA
スクシニル CoA
+ GTP + CoA SH
CH2CO2–
加水分解と
GDPのリン酸化
コハク酸
succinate
段 階 6： コハク酸から水素 2 原子が引抜かれフマル酸を生成する．この酸化には
FAD が関与している．
CH2CO2–
CH2CO2–
+ FAD
コハク酸
コハク酸
デヒドロゲナーゼ
脱水素
H
–O
2C
C
C
CO2–
+ FADH2
H
フマル酸
fumarate
段 階 7, 8： フマル酸の酸化でリンゴ酸が生成し，酸化されると段階 1 の反応物で
あるオキサロ酢酸が再生され，回路を完結する．
H
–O
2C
C
C
CO2–
+ H2O
H
フマラーゼ
水和
フマル酸
HO
CH CO2–
CH2CO2–
リンゴ酸
+ NAD+
リンゴ酸
デヒドロゲナーゼ
酸化
クエン酸回路の結果は，次式で表される． 9
CH CO2–
HO
CH2CO2–
リンゴ酸
malate
O
C
CO2–
CH2CO2–
オキサロ酢酸
oxaloacetate
+ NADH + H+
アセチル CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + HPO42– + H2O
CoASH + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + 2 CO2
・還元型補酵素 4 分子（3 NADH + 1 FADH2 ）生成 ・アセチル基から CO2 2 分子生成 ・高エネルギー分子（GTP → ATP）の生成 クエン酸回路の中間体は正味の反応式には現れてこない．全体の結果は，アセチル
CoA のアセチル基の 2 炭素が酸化されて CO2 2 分子を生成している（CO2 も実際には
別の炭素から生成していることに注意）ことと，還元型補酵素と GTP の生成によって
エネルギーを蓄えることである． –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
問 題 23E.3 次の反応はクエン酸回路のどの段階に含まれているか． (a) 付加反応 (b) 脱離反応 (c) 置換反応 (d) C–C 結合生成 (e) C−C 結合切断 (f) NAD+ による酸化 (g) FAD による酸化 (h) 脱炭酸 (i) 新しいキラル中心の生成
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
2 3 E . 4 酵 素 に よ る 触 媒 反 応 代謝経路を構成するほとんどの反応は，球状タンパク質である酵 素（enzyme）によ
って触媒される．酵素タンパク質のアミノ酸残基の側鎖官能基が酸あるいは塩基とし
て作用する．さらに補酵素によってその触媒機能が多様になっている．
酸塩基触媒によって促進される有機反応の例は，カルボニル化合物やアルコール，
アルケンなどの多くの反応でみてきたし，有機合成にも触媒が重要であることを述べ
た．生体反応の多くが酸塩基触媒作用を受けることは，炭水化物がカルボニル化合物
の誘導体とみなせ，タンパク質がカルボン酸誘導体であることを考えれば納得できる
だろう．ここでは，まず，酸塩基触媒の作用機構をまとめておこう．
23E.4.1 一 般 酸 塩 基 触 媒
8 章や 9 章でみた酸触媒反応においては，カルボニル酸素のプロトン化により平衡
的にプロトン化カルボニル中間体が生成し，そこから反応が進む．この機構では，酸
触媒となる分子（おもに H3 O+ ）は律速段階には関与していない．しかし，アルケンの
水和反応では炭素プロトン化が律速にかかわっており，酸分子そのものが反応速度に
関係しているはずである．ただし，15 章では酸の種類をとくに区別することなく，H3 O+
による触媒反応として二つの反応機構の違いに注目することはなかった．前者のよう
に 平 衡 的 に プ ロ ト ン 移 動 が 関 与 す る 反 応 は 特 異 酸 触 媒 反 応 （ specific acid-catalyzed
10
reaction）とよばれ，後者のように律速段階でプロトン移動が起こる反応は一般酸触媒
反応（general acid-catalyzed reaction）とよばれる．
アルデヒドの酸触媒水和（特異酸触媒反応の例）：
H
O
+
R
H3O+
H
+
O
R
+
律速
OH2
HO OH2
R
H
HO OH
– H+
H
R
プロトン化カルボニル
中間体
H
水和物
アルケンの酸触媒水和（一般酸触媒反応の例）：
CH2
R
+
プロトン化
H
+
CH3
H OH2 律速
R
CH3 OH
CH3 OH2
OH2
+
H
R
– H+
H
R
H
水和物
（アルコール）
カルボカチオン
中間体
特異酸触媒反応の速度は溶液の pH（H3 O+ 濃度）のみに依存するが，一般酸触媒反
応の速度は pH だけでなく他の弱酸の濃度にも依存する．もちろん，酸の強さにも依
存し，pKa が小さいほど触媒効果は大きい（速度定数が大きい）．塩基触媒反応にも類
似の 2 種類の反応機構がある．特異塩基触媒反応と一般塩基触媒反応である．さらに，
塩基種は求核種としても作用できるので求核触媒作用（nucleophilic catalysis）による
反応もある．この反応は，一般塩基触媒反応と同じ反応速度則に従って進むので，二
つの反応機構を判別するには難しい点もある．酵素反応は中性の pH で起こるので
H3 O+ や HO– による触媒作用はあまり重要ではなく，タンパク質のアミノ酸残基側鎖の
酸あるいは塩基部位による一般酸・塩基触媒と求核触媒作用が重要になる．
これまでみることがなかったので，ここで求核触媒反応の例を一つあげておこう．
中性 pH におけるエステル加水分解は，イミダゾールの触媒作用によって促進される．
イミダゾールを触媒とするエステル加水分解（求核触媒反応の例）：
O
N
+
Me
OPh
N
H
–
+
O
NH
O
N
+
Me
Me
+ PhO–
N
OPh
NH
アシルイミダゾール
イミダゾール
+H
O
H2O
Me
N
O–
+ PhOH
+
N
H
イミダゾールが求核種としても脱離基としても効率よく反応し，典型的な求核触媒反
応として進む．中間体としてアシルイミダゾールが生成する．このように共有結合を
つくって比較的安定な中間体を生成するのが，この触媒機構の特徴であり，この触媒
作用を共有結合触媒（covalent catalysis）ということもある．22 章（22.5 節）でみた有
11
機分子触媒も求核触媒の例である．
23E.4.2 酵 素 反 応 機 構
酵 素 反 応 の 反 応 物 は と く に 基 質 （ substrate） と よ ば れ る ． 基 質 は 酵 素 の 活 性 部 位
（active site）とよばれる領域に特異的に取り込まれ（酵素は特定の基質に特異性をも
ち，高い触媒活性を示す），酵素−基質錯体（enzyme-substrate complex）を形成し，そ
こで反応を起こす．生成した酵素−生成物錯体（enzyme–product complex）から生成物
が放出されて反応が完結する．
E
S
E– S
E– P
E
基質
酵素­基質錯体
酵素­生成物錯体
酵素
+
酵素
+
P
生成物
活性部位には酸塩基（または求核）触媒作用を示すアミノ酸側鎖の酸・塩基が配置さ
れており，反応を促進する．このように触媒基と基質が近接して配置されて効率よく
作用する効果は，近 接 効 果 （proximity effect）とよばれる．
活性部位には金属イオンがあって触媒に関与することも多いし，補酵素 (coenzyme)
とよばれる別の有機分子を必要とする場合もある．このような金属イオンと補酵素は，
合わせて補因子（cofactor）とよばれる．補因子については次項で説明する．まず補因
子を必要としない単純な酵素反応の例を二つ示す．
・リゾチームの反応機構
リゾチーム（lysozyme）は細胞壁を構成する多糖を加水分解する酵素であり，溶菌
酵素ともよばれる．細菌の細胞壁は，アミノ糖の N–アセチルムラミン酸（NAM）と
N–アセチルグルコサミン（NAG）が交互につながってできており，リゾチームは NAM
と NAG の結合を切断する．
MeC
OH
O
HO
O
R O
O
MeC
OH
O
NAM
R=
NAG
MeC
リゾチーム
O
H
HO2C
C
MeC
OH
O
HO
H2O
O
NH
OH
Me
O
O
HO
O
NH
NAG
O
NH
O
R O
O
NH
MeC
O
OH
NH
OH
O
OH
O
+
HO
HO
O
O
NH
MeC
O
リゾチームはヒトの涙や鼻汁にも含まれているが，卵白から抽出されたリゾチームが
食品や医薬に使われている．
12
卵白のリゾチームの活性部位には，多くのアミノ酸残基の側鎖官能基が関与して反
応を促進しているが，加水分解に直接関与しているのは Glu–35 と Asp–52 である．こ
の酵素触媒加水分解は立体保持で進むことがわかっており，多くの研究から二つの連
続した SN 2 反応で進行していることが明らかにされている．
ASp52
O
–
C
O
MeC
NAM
O
OH
MeC
OH
NH
R O
O
O
HO
O
C
R O
O
O
NAG
O
NH
MeC
C
O
O
OH
O
O
HO
HO
O
H
–
O
O
NH
H
O
C
O
MeC
O
Glu35
Glu35
ASp52
O
–
MeC
O
C
O
NH
SN2
OH
NH
SN2
O
H
ASp52
O
O
R O
O
OH
O
OH
OH
O
+ HOHO
O
NH
HO
C
O
MeC
O
Glu35
図 23E.4 リゾチームの反応機構
第一段階で Asp–52 のカルボン酸イオンが求核触媒としてはたらいて NAM 残基の
C1 を攻撃し，脱離基となる NAG 残基と置き換わる（SN 2）．このとき，Glu–35 のカル
ボン酸が一般酸触媒として脱離を助けている．第二段階では，Glu–35 のカルボン酸イ
オンが一般塩基触媒として，水分子の攻撃（SN 2）を助け，反応を完結する．結果的
に C1 の立体配置は保持される．
反 応 の 速 度 を 反 応 溶 液 の pH に 対 し て プ ロ ッ ト し た も の を pH−反 応 速 度 関 係 図
（pH–rate profile）という．リゾチーム触媒反応の pH−反応速度関係は図 23E.5 に示す
ようになり，pH 5.3 に最高速度をもつベル形の曲線になる．高 pH では酸が解離して
酸触媒が機能しなくなり，低 pH では塩基がプロトン化されて機能しなくなるので，
二つの pKa の中間に酵素活性（速度）の最高値が現れる．
13
酵素活性
pH 5.3
3.8
pH
6.7
図 23E.5 リゾチーム酵素活性の pH 依存性
図 23E.5 の曲線で酵素活性が，最高値の 1/2 になるのは pH 3.8 と pH 6.7 である．こ
れら二つの pH 値は，一般に酵素の活性部位の二つの酸塩基触媒基の pKa に相当する．
低 pH 側の pKa は塩基として作用する基の共役酸の pKa，高 pH 側の pKa は一般酸とし
て作用する基の pKa に相当すると考えられる．上に示した反応機構で第一段階が律速
であるとすれば，リゾチームの Asp–52 のカルボン酸の pKa が 3.8 で，Glu–35 のカル
ボン酸の pKa が 6.7 であると推定できる．本書の表 23.2 によれば，アスパラギン酸側
鎖の pKa は 3.86，グルタミン酸の pKa は 4.25 となっているので，Asp–52 の pKa 3.8 は
妥当であるが，Glu–35 の pKa 6.7 は高すぎるように思われる．表 23.2 のアミノ酸の pKa
値は極性の高い水溶液中で測定されたものであるが，酵素の活性部位は水が排除され
ているので，その環境は単純ではない．Asp–52 は極性基に囲まれているので，極性の
高い水中の値に近いのに対して，Glu–35 は無極性の局所環境におかれている．その結
果，無極性溶媒中におけるのと同じように Glu–35 の pKa は高くなるものと解釈されて
いる．
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
問 題 23E.4 リゾチームによる加水分解を， 18 O を含む水中で行うと， 18 O は NAM と
NGM のどちらに含まれるか．
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
・トリプシンの反応機構
トリプシン（trypsin）はペプチドの加水分解を触媒するセリンプロテアーゼとよば
れる消化酵素の一つである．トリプシンはアルギニンとリシン残基のペプチド結合の
みを特異的に切断する．この二つのアミノ酸の側鎖は，α炭素から 5 番目の原子の N
上に正電荷をもつという共通の構造的特徴をもつ（表 23.2）ので，同じ活性部位に適
合することも説明できる． この活性部位の空孔には，疎水性部分が並んでおり，底の
部分にアスパラギン酸側鎖のカルボン酸イオン（ペプチドのアルギニンまたはリシン
残基の正電荷を安定化する）がある（図 23E.6）．疎水性相互作用と静電引力を含む van
der Waals 相互作用と水素結合によって酵素−基質錯体が形成される．
14
酵
素
骨
格
Ser195
Ser195
CH2
HN
N
His57
CH2
H
O
N
O
H
HN
C
PepC
酵素活性部位
+
HN
C
CH
CH2
N
H
O
O
HN
His57
PepN
CH
PepC
CH2
N
C
–
C
O
CH2
O
PepN
CH2
CH2
CH2
NH
NH
H2N + NH2
H2N + NH2
静電引力
O – O
O
酵素­基質錯体
H
O – O
O
四面体中間体
Asp189
Asp189
Ser195
Ser195
CH2
HN
H
O
N
CH
NH2
CH2
O
H
H
水分子の取込み
HN
アシル酵素
の生成
CH
O
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
NH
NH
アシル酵素
への水の攻撃
O – O
O
O – O
O
HN
N
H
Ser195
Ser195
CH2
O
O
HO
CH
CH2
四面体中間体
N
C
–
C
His57
Asp189
CH2
H
PepN
H2N + NH2
Asp189
+
C
O
H
H2N + NH2
N
O
C
H
His57
PepN
H
O
N
O
PepC
C 末端ペプチドの放出
C
O
C
His57
CH2
N
HN
H
O
His57
PepN
H
O
H
C
O
C
CH
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
NH
NH
H2N + NH2
酵素­生成物錯体
O – O
O
Asp189
N
O O
N
PepN
H2N + NH2
O – O
O
Asp189
図 23E.6 トリプシンの作用機構
15
図 23E.6 には，アルギニン残基の C 末端側ペプチド結合の加水分解機構を示してい
る．活性部位の空孔の入り口付近にあるセリン（Ser–195）とヒスチジン（His–57）残
基が，触媒作用に重要な役割を演じている．カルボニル基への Ser−OH の求核攻撃を，
His のイミダゾールが塩基として助け，C 末端側のペプチド鎖を切り出すと同時に N
末端側のペプチド鎖はアシル酵素を形成する．すなわち，Ser 残基は求核触媒，His 残
基は一般塩基触媒として作用している．ついで，アシル酵素が水分子によって切断さ
れるが，この過程では His–57 のイミダゾールが水分子の求核攻撃を一般塩基として助
けている．最終生成物として C 末端にアスパラギン酸をもつペプチドを与えるととも
に酵素が再生される．
セリンプロテアーゼとよばれる酵素には，トリプシンのほかにキモトリプシンとエ
ラスターゼがあり，いずれも活性部位にセリンをもっており他の官能基もよく似てい
る．しかし，キモトリプシンは，空孔が狭くて無極性アミノ酸が並んでいるので，平
らで無極性の側鎖をもつアミノ酸（Phe, Tyr, Trp）の炭素側のペプチド結合を選択的に
切断する．エラスターゼは，活性部位にかさ高いアミノ酸の Val と Thr があるので，
小さなアミノ酸側鎖しか適合できない．そのため，エラスターゼは Gly と Ala の炭素
側ペプチド結合を加水分解する．
［ 前項の反応例ではイミダゾールが求核触媒になる反
応を示したが，最近の研究によれば，トリプシンやキモトリプシンのヒスチジン残基
のイミダゾール基は一般酸塩基として作用している．］
酵素の触媒作用の効率は，酵素基質錯体の活性部位においてすべての反応基（上の
例では基質カルボニル，求核触媒 Ser–OH，酸塩基触媒 His–イミダゾール）が分子内
にあるように近接して都合よく配置されていることによる．この近 接 効 果 と特異的な
活性部位への取込み（分子認識 molecular recognition ともいう）が，酵素の触媒として
の特異性と高効率性に寄与している．
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
問 題 23E.5 ヒト免疫不全ウィルスがもつ HIV プロテアーゼは二つのアスパラギン酸
残基のカルボン酸によって免疫細胞を破壊し，AIDS の原因にもなる．次に示すの
はその最初の段階である．この反応によるペプチド結合切断の機構を書け．
O
H
H
N
O
Asp
R
N
H
R
Asp
O
O
O
O
–
H
H
O
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
また，酵素反応は立体選択的であり，キラルな化合物は純粋なエナンチオマーとし
て生成する．その理由は，酵素が L –α–アミノ酸から生成したポリマーであり，純粋な
16
エナンチオマーだからである．したがって，キラルな基質のエナンチオマーから生成
した酵素−基質錯体はジアステレオマーになっている．
23E.4.3 補 因 子 の 作 用
a 金 属 酵 素 に よ る 反 応 酵素反応には補因子として金属イオンを必要とするも
のがあり，活性部位に強く結合した金属イオン（Fe2+ , Co2+ , Cu2+ , Zn2+ , Mo2+ ）をもつ
酵素は金属酵素（metalloenzyme）とよばれる．その一例として，タンパク質（または
ペプチド）の C 末端のペプチド結合を切断するもう一つの加水分解酵素，カルボキシ
ペプチダーゼ A があり，Zn2+ を必要とする．図 23E.7 に，その反応機構を模式的に示
す．
Arg145
C
!+
H2N
!+
H2N
!–
O
OH
NH2
O
OH
Tyr248
!–
CHCH2
NH
Glu270
O
–
!+
O
O
O
N
HN
O !–
Glu72
!+
N
O !–
His69
C
Glu72
OH
Tyr248
C
!+
H2N
O
O–
Glu270
O
OH
Tyr248
O
O
!+
N
Zn
!+
His69
Glu72
O
C
O
–
!+
HO
H2N
C
O
!+
!+
N
Zn
NH
!+
N
HN
O !–
His196
His69
Glu72
O
C Arg127
H2N
!+
!+
O !–
O
C Arg127
H2N
N
HN
Glu270
H2N
!+
NH2
!–
NH2
O
C
!+
CHCH2
NH3
!+
–O
C
!–
CHCH2
+
His196
O
!–
O
NH
Arg145
!+
NH2
!–
C Arg127
!+
H2N
HN
NH
!+
H2N
Zn
Arg145
!+
H2N
–
O
N
His196
O
HO
!+
!+
N
C
!+
H2N
Zn
H
C Arg127
!+
!+
His69
Glu270
H2N
H
!+
NH
O
C
H
O
C
CHCH2
O
!+
!–
O
C
C
!+
NH2
!–
Tyr248
Arg145
疎水性ポケット
NH
His196
図 23E.7 ペプチドの加水分解におけるカルボキシペプチダーゼ A の作用機構
17
図 23E.7 は，カルボキシペプチダーゼ A が C 末端のフェニルアラニンを切り出す反
応の機構を示している．
O
C
O
NHCHCO–
カルボキシ
ペプチダーゼ A
O
O
CO–
+
+
H3NCHCO–
CH2Ph
CH2Ph
カルボキシペプチダーゼ A では，Glu–72, His–196, His–69 に Zn2+ と水分子が結合して
活性部位を形成している（図 23E.7 では，ウシの膵臓からとった酵素を示しているが，
酵素の起源が違っても活性部位はほとんど同じである）．
この反応において基質を適当な位置に固定するために，Arg–145 のグアニジン部位
と Tyr–248 のフェノール部位が，C 末端のカルボキシラート基と三つの水素結合をつ
くっている．C 末端アミノ酸の側鎖は，酵素の疎水性ポケットに位置してペプチドと
活性部位に固定している．そのためこの酵素は，ペプチドの C 末端アミノ酸が（アル
ギニンやリシンのように）極性側鎖をもつ場合には不活性である（23B.6.1 項参照）．
活性部位に結合した基質のアミドカルボニル基に Zn2+ が配位して活性化し，生成し
てくる四面体中間体を安定化する．また，Arg–127 も水素結合でカルボニル基の求電
子性を高め，生成してくる負電荷の安定化に寄与している．Zn2+ は水分子にも配位し
て求核性を高める．Glu–270 のカルボン酸イオンが一般塩基触媒として水の求核攻撃
を助けている．
第二段階では，Glu–270 のカルボン酸部位が一般酸触媒としてアミノ基の脱離を助
ける．反応が完結すると，生成物のアミノ酸と短縮されたペプチドが酵素からはなれ，
次のペプチドと入れ替わる． –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
問 題 23E.6 カルボキシペプチダーゼ A により C 末端ペプチド結合を効率よく切断さ
れるのは，次の C 末端ペプチド鎖のうちどちらか．
Ser–Ala–Phe と Ser–Ala–Asp
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
b 補 酵 素 と ビ タ ミ ン 補酵素については，すでにピリドキサールリン酸（ノート
8.3），NAD+（ノート 10.2）や補酵素 A（ノート 17.3，23.5）について簡単に述べたが，
ほとんどの水溶性ビタミンは補酵素である．それらを表 23E.2 にまとめておく．ビタ
ミン C は例外で，抗酸化剤として水溶液中で発生したラジカルを捕捉する．脂溶性の
ビタミン E も抗酸化剤となるが，これは非極性環境下で発生したラジカルを捕捉する．
脂溶性ビタミン（23D.5.2 項）のうちビタミン K はカルボキシ化反応の補酵素とし
て作用する．脂溶性ビタミンには他にビタミン A（レチノール）とビタミン D がある．
18
補酵素の反応の詳細については節を改めて説明する．
表 23E.2 水溶性ビタミン a) と補酵素機能
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
ビタミン
補酵素
触媒反応
ヒトの欠乏症
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
ナイアシン（B3 ）
NAD+ , NADP+
酸化
神経系症状，
（ニコチン酸）
NADH, NADPH
還元
ペラグラ
リボフラビン（B2 ） FAD, FMN
酸化
皮膚炎
FADH2 , FMNH2
還元
チアミン（B1 ）
チアミンピロリン酸
二炭素移動
筋力低下，脚気
（TPP）
パントテン酸（B5 ） 補酵素 A
アシル基転移
高血圧
b)
ピリドキシン（B6 ） ピリドキサールリン酸 アミノ酸の反応
うつ病，貧血
（PLP）
コバラミン（B12 ） 補酵素 B12
異性化
悪性貧血
ビオチン（B7 ）
ビオチン
カルボキシ基転移 筋肉痛，疲労感
葉酸（B9 ）
テトラヒドロ葉酸
一炭素移動
貧血，消化管異常
アスコルビン酸（C）
壊血病
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
a) ビタミンは微量ながら生存に必要な栄養素のうち体内で合成できないもの
を指す．ヒトのビタミンとして現在認められているものは 13 種類であり，かつて
ビタミンとされたものには誤りもあった．ビタミン B 群は発見の順に番号がつけ
られたが，ビタミン B の名称は使われなくなっているものが多い．
b) 脱炭酸，アミノ基転移，ラセミ化，Cα −Cβ 開裂，β–脱離，β–置換などの反応．
2 3 E . 5 補 酵 素 の 反 応 機 構 23E.5.1 ピ リ ジ ン ヌ ク レ オ チ ド と フ ラ ビ ン
最も広く酸化・還元（脱水素・水素化）に使われる補酵素はニコチンアミドアデニ
ンジヌクレオチド（NAD+ ）とフラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）であり，その
還元型は NADH と FADH2 である（NAD+ /NADH についてはノート 10.2 で生体内のヒ
ドリド還元の例として簡単に述べた）．これらの酸化還元補酵素は電子伝達体（electron
carrier）ともよばれる（酸化還元は電子の授受に相当する）．FAD 類似の FMN（フラ
ビンモノヌクレオチド）が電子伝達体をしてかかわる反応もある．これらはまたヌク
レオチドの例でありウェブチャプター23C（23C.1.2 項）でも言及した．
19
O
N
NH
O
O
O
O
+
ニコチンアミド
（NAD+の反応中心）
N
O
P
–O
FMN
NH2
リボース
NH2
O
OH
OH
N
P
–O
O
二リン酸エステル
N
O
OH
O
H
NH2
N
P
N
N
O
N
アデノシン
NAD+ (Y = H)
還元型基質
H
O
OH
OH
リビトール
O
二リン酸エステル
N
NADP+ (Y = PO32–)
ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド
nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+)
(H–)
P
N
O
フラビン
（FADの反応中心）
–O
アデノシン
OY
O
O
–O
N
N
OH
OH
OH
フラビンアデニンジヌクレオチド
flavin adenine dinucleotide (FAD)
(H–)
還元型基質
O
H
N
NH2
N
N
R
R
NADH または NADPH
O
NH
N
H
O
FADH2 または FMNH2
図 23E.8 酸化還元補酵素
FAD からアデノシン一リン酸部分を除いたものが
FMN（flavin mononucleotide）である．
・ ピ リ ジ ン ヌ ク レ オ チ ド ： NAD+ のアデノシン部分の 2’位にリン酸基が結合した
ものはニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸であり，NADP+ と表され，同じ
ような機能をもっている．一般に NAD+ /NADH は異化反応に使われ，NADP+ /NADPH
は同化反応に使われる．
ピリジンヌクレオチドの反応中心になるのはピリジン環であり，NAD(P)+ は 4 位に
ヒドリドイオン（H– ）を受け入れる．ここに一例として，解糖系の一反応であるグリ
セルアルデヒド 3–リン酸を 1,3–ビスホスホグリセリン酸にする酵素反応の機構を見
てみよう．この反応はグリセルアルデヒド 3–リン酸デヒドロゲナーゼと NAD+ によっ
て酸化されると同時に，カルボン酸はリン酸との混合酸無水物のかたちになる．
H
H
C
O
グリセルアルデヒド–3–リン酸
OH
CH2OPO3
+ NAD+ + HOPO32–
デヒドロゲナーゼ
2–
O
H
C
OPO32–
OH
CH2OPO3
D–グリセルアルデヒド–3–リン酸
D–glyceraaldehyde–3–phosphate
+ NADH + H+
2–
D–1,3–ビスホスホグリセリン酸
D–1,3–bisphosphoglycerate
20
このデヒドロゲナーゼの活性部位には，NAD+ に加えて SH 基をもつシステイン残基
とイミダゾール環をもつヒスチジン残基が存在する．グリセルアルデヒド 3–リン酸デ
ヒドロゲナーゼの反応機構の概略を図 23E.9 に示す．
H
O
H
N
H
N
グリセルアルデヒド
3–リン酸
NAD+
ヘミチオアセタール
H
O
N
O
O
H2N
H
+
S
N
H2N
R
H
H
C
+
N
H
R
S
N
R'
R'
酸化
O
NAD+
O
–O
H
P
H
N
– OH
O
+
NADH
O H
+
HN
HOPO32–
R
O
H2N
リン酸化
+
N
R
O
NAD+
S
R'
H
N
1,3–ビスホスホ
グリセリン酸
+
2–O
–
H2N
チオエステル HN+
中間体
N
NADH
R'
H
H
H2N
S
N
O
H
N
3P
O
N
C
H
O
H
O
O
H2N
R
2–O
3PO
+
S
N
R
SH
N
R'
H
N
R'
図 23E.9 グリセルアルデヒド 3–リン酸デヒドロゲナーゼの反応機構
・フ ラ ビ ン ア デ ニ ン ジ ヌ ク レ オ チ ド： クエン酸回路の中で，CH–OH と C=O の相
互変換には NAD+ /NADH を使っているが，コハク酸からフマル酸を生成する脱水素は
FAD を使っている．このように NAD+ はおもにカルボニル基への酸化にかかわってい
るが，FAD は別のタイプの酸化，C＝C，S−S，C＝N 結合を生成する酸化などに関与
している．また，FMN は NADH を NAD+ に酸化する．
CH2CO2–
CH2CO2–
+ FAD
コハク酸
デヒドロゲナーゼ
H
CO2–
コハク酸
C
C
CO2–
+ FADH2
H
フマル酸
21
HS
HS
H
N
E
ジヒドロリポアミド S
デヒドゲナーゼ
+ FAD
S
H
N
+ FADH2
E
H
H
O
ジヒドロリポアミド
リポアミド
アミノ酸
オキシダーゼ
CO2–
R
NH3+
C
H
+ FAD
O
CO2–
R
NH2+ + FADH2
C
イミノ酸
!–アミノ酸
図 23E.10 に示すように，FAD によるジヒドロリポアミドの酸化反応においては，
チオラートイオンがフラビン環の C4a 位を攻撃することから始まるが，アミノ酸の酸
化ではカルボアニオンが N5 位を攻撃することによって反応する．反応機構に示す一
般酸塩基は，それぞれの酵素のアミノ酸残基の側鎖官能基である．
(a) ジヒドロリポアミドデヒドロゲナーゼの反応機構
FAD
R
N
N
O
O
H
H
N
NH
N
B
H
R
–
B
S
N
S
H
R
FADH2
B
R
S
O
NH
N
H
O
B
H
N
N
O
NH
N
H
–
B
O
H
S
S
R
S
R
リポアミド
ジヒドロリポアミド
(b) アミノ酸オキシダーゼの反応機構
FAD
H
R
N
B
–
R
C
CO2–
NH2
O
B
C
–
O
NH
N
–
R
H
N
N
NH
H
H
B
R
N
N
B
B
O
H
R
CO2–
C
CO2–
NH2
NH2
R
C
CO2–
BH
NH
!–アミノ酸
R
N
N
H
FADH2
B
H
N
O
NH
O
–
+
R
C
+
NH2
イミノ酸
図 23E.10 FAD による酸化反応の反応機構
(a) ジヒドロリポアミドと (b) アミノ酸の酸化
22
CO2–
B
–
–
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
問 題 23E.7 FADH2 によるリポ酸の還元反応の機構を書け．
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
23E.5.2 チ ア ミ ン ピ ロ リ ン 酸
チアミンはビタミン B1 として知られているが，その補酵素体がチアミンピロリン酸
（TPP：チアミン二リン酸ともいう）である．TPP はある分子から別の分子への二炭
素移動を触媒する．その中でも重要な反応は糖類代謝の最終生成物のピルビン酸をア
セチル CoA へ変換する反応であり，これによってクエン酸回路に入ることができる．
［酸素が乏しい嫌気的条件（たとえば，激しい運動中の筋肉）では，ピルビン酸は NADH
によって乳酸に還元される．］
NH2
+
N
N
S
O
N
CH3
CH3
P
CH2CH2O
O
O–
チアミンピロリン酸
thiamine pyrophosphate (TPP)
O–
P
O
O–
最初にピルビン酸の脱炭酸が TPP の関与によってどう起こるか見ておこう．
・ ピ ル ビ ン 酸 の 脱 炭 酸 その代表的な例がピルビン酸デカルボキシラーゼによる
ピルビン酸の脱炭酸における TPP の働きである．この反応により，ピルビン酸はエタ
ナールになる．［エタナールはアルコールデヒドロゲナーゼと NADH でエタノールに
還元される（アルコール発酵）．］
O
CH3
C
CO2
–
+
H+
ピルビン酸
pyruvic acid
ピルビン酸
デカルボキシラーゼ
O
CH3
TPP
C
H + CO2
チアミンの特徴はチアゾリウム環部分の酸性が比較的強く，カルボアニオンを生成
しやすいことである．生成したカルボアニオンは隣接の正電荷によって安定になった
イリド構造をもっている．
H
+
N
–
S
pKa 12.7
+
N
S
+ H+
イリドカルボアニオン
チアゾリウム環
23
このカルボアニオンが，求核種として求電子性の高いピルビン酸のカルボニル基を攻
撃することにより，酵素反応が始まる（図 23E.11）．生成した中間体のチアゾリウム
環はイミニウム形の N に正電荷をもち，電子を受け入れやすいので脱炭酸を起こしや
すい．［脱炭酸を起こしやすい例として 17 章（17.6.2 項）でみた β–ケト酸よりも脱炭
酸しやすい．］CO2 が外れてできるカルボアニオンは共鳴安定化されている．共鳴安定
化カルボアニオンのプロトン化とチアゾリウム（TPP）の脱離が起こるとエタナール
が生成し，TPP が再生する． H B
O O
CH3
C
OH O
O–
C
CH3
–
+
+
N
N
S
C
C
O
OH
–
CH3
S
OH
C
CH3
N
C
–
H
B
+
S
N
S
CO2
(TPP)
O
–
+
N
CH3
O
S
+ CH
3
C
図 23E.11 –
B
H
+
H
N
H
(TPP)
C
H
S
B
TPP による脱炭酸
・ ピ ル ビ ン 酸 の ア セ チ ル CoA へ の 変 換 ピルビン酸は糖類の代謝の最終生成物
であり，これをクエン酸回路に導入するためにはアセチル CoA に変換する必要がある．
そのためには 3 種類の酵素からなるピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体と 5 種類の補
酵素が必要である．そのうち，TPP，リポ酸，FAD は触媒作用をもつ補因子としては
たらくが， CoA と NAD+ は基質になっているので化学量論式に現れている．
O
CH3
C
CO2
–
+ CoA–SH
ピルビン酸
デヒドロゲナーゼ複合体
O
CH3
ピルビン酸
C
SCoA + CO2
NAD+ NADH + H+
反応は 3 段階からなり，脱炭酸，酸化，アセチル基の CoA への転移の順に起こる．
CO2
2 e–
O
CH3
C
O
CO2–
ピルビン酸
脱炭酸
CH3
C
O
–
酸化
CH3
C
CoASH
+
O
CH3
CoAへの転移
C
SCoA
アセチル CoA
1. 脱炭酸： 最初の反応は TPP が関与する脱炭酸であり，上でみた脱炭酸と同じよ
24
うに起こるが，酵素複合体のピルビン酸デヒドロゲナーゼ成分によって触媒され，生
成物はヒドロキシエチル TPP（図 23E.11 の反応機構で共鳴安定化カルボアニオンがプ
ロトン化されたかたち）である． OH
–
+
N
S
2
O
+ CH3
H
C
+
CO2–
C
CH3
H+
N
ピルビン酸
デヒドロゲナーゼ
(TPP)
S
+ CO2
2. 酸化： 二つ目の酸化反応はリポ酸が補酵素となる．リポ酸は酵素のリシン残基
の側鎖アミノ基とアミド結合してリポアミドのかたちになっており，TPP に結合した
ヒドロキシエチル基がこのリポアミドへ転移すると同時に酸化されてアセチル基とな
る．リポアミドのジスルフィド基が酸化剤となっており，ジチオールになりモノチオ
エステルを生成する．生成物はアセチルリポアミド（acetyllipoamide）である．
S
S
S
S
OH
リポ酸
lipoic acid
リポアミド
OH
OH
CH3
H
C
–
N
N
S
B
S
リポアミド
S
+
+
酵素のリシン残基側鎖
O
O
H
C
E
H
H
CH3
H
N
S
H
N
E
H
O
H+
–
B
H
CH3
+
N
HS
O
C
HS
CH3
S
H
N
E
C
O
S H
+
N
H
N
E
H
アセチルリポアミド
–
O
S
O
S
TPP のカルボアニオン
図 23E.12 ヒドロキシエチル TPP のリポアミドによる酸化
3. アセチル CoA の生成： アセチルリポアミドからアセチル基を CoA に移し，アセ
チル CoA を生成する反応であり，ジヒドロリポアミド S–アセチルトランスフェラー
ゼがこの反応を触媒する．
25
HS
CH3
CoA
C
SH +
O
O
S
H
N
E
CoA
H
アセチルリポアミド
O
HS
H
N
C
CH3
アセチル CoA
S
S
S
+
HS
E
H
FAD
O
H
N
E
H
O
ジヒドロリポアミド
+ FADH2
NAD+
FAD + NADH + H+
図 23E.13 アセチルリポアミドからアセチル CoA への転移
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
問 題 23E.8 嫌気的条件では，ピルビン酸は NADH によって乳酸に還元される（乳酸
発酵）．この反応の機構を書け．解糖に続いて乳酸発酵が起こると，血液の pH が
下がるのはなぜか． O
CH3CCO2
OH
NADH
–
乳酸デヒドロゲナーゼ
ピルビン酸
CH3CHCO2–
乳酸
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
23E.5.3 ピ リ ド キ サ ー ル リ ン 酸
ピリドキサールリン酸（PLP）はアミノ酸の種々の変換反応を触媒する酵素の補酵
素であり，ビタミン B6 と総称されるピリドキサール，ピリドキシン，ピリドキサミン
から容易に得られる．ノート 8.3（8 章）で簡単に説明したアミノ基転移のほか，脱炭
酸，ラセミ化，Cα –Cβ 結合開裂などの反応も触媒する．
H
2–O
H
O
OH
3PO
N
Me
ピリドキサール 5'–リン酸
pyridoxal 5'–phosphate (PLP)
O
OH
HO
N
NH2
OH
Me
ピリドキサール
pyridoxal
OH
HO
N
Me
ピリドキシン
pyridoxine
OH
HO
N
Me
ピリドキサミン
pyridoxamine
PLP は酵素のリシン残基の側鎖アミノ基とイミンを形成している．PLP 依存の酵素
反応はすべて，アミノ酸とのイ ミ ノ 基 転 移 （transimination）反応からスタートする．
すなわち，PLP と酵素のイミンは PLP と基質のアミノ酸のイミンに変換される．アミ
ノ酸の反応は PLP にイミノ結合したところから進行する．
26
O
O
RCHCO–
NH2
2–O
(CH2)4 E
H
N
C
H
O
3PO
2–O
3PO
RCHCO–
(CH2)4 E
NH
NH
H
C
H
O
+
O
RCHCO–
H
2–O
Me
N
H
H
O
3PO
+
N
H
N
C
+
Me
N
H
E
H2N(CH2)4
酵素結合型 PLP
Me
アミノ酸結合型 PLP
中性の pH では，PLP のピリジン窒素がプロトン化されており，そのピリジニウム
環が電子を受け入れやすいということがアミノ酸部位での反応に重要である［ピリジ
ニウム環を 電子溜め（electron sink） ということがある］．その結果，アミノ酸部位
のα水素の酸性度が高くなっており，α位の結合が切れることによって，それぞれの
反応が起こる．
脱炭酸
アミノ基転移，
H O
ラセミ化
R
C
C
N
C α −C β 結合開裂 H C
H
2–O
O–
O
3PO
+
電子溜め
electron sink
N
H
Me
アミノ酸の反応における結合切断の位置
・脱炭酸の反応機構： この反応ではアミノ酸のα炭素からカルボキシ基が外れる． H O
R
H
2–O
C
C
O
R
–
N
C
H
O
3PO
H
脱炭酸
2–O
C
H
H
B
–
N
C
3PO
H
H
O
2–O
N
C
H
O
3PO
+
N
H
B
RCH2
+
Me
CO2
N
H
アミノ酸結合型 PLP
Me
N
H
H2N(CH2)4
Me
E
イミノ基転移
RCH2NH2
(CH2)4 E
H
全反応：
RCHCO2H
NH2
PLP
アミノ酸
デカルボキシラーゼ
RCH2NH2 + CO2
2–O
N
C
H
O
3PO
+
酵素結合型 PLP
27
N
H
Me
アミノ酸脱炭酸の特に重要な例は，ヒスチジンからヒスタミンが生成する反応であ
る．ヒスタミンはアレルギーや炎症の原因になる． H
N
PLP
H
N
ヒスチジン
デカルボキシラーゼ
N
CO2H
NH2
N
NH2
+ CO2
ヒスタミン
ヒスチジン
histamine
histidine
・ラ セ ミ 化 と ア ミ ノ 基 転 移： この二つの反応はアミノ酸結合型 PLP のα水素が引
抜かれることから始まる．この過程が可逆的に起こればラセミ化となる．脱プロトン
によってイミノ結合が移動しているので，この中間体が加水分解されれば，アミノ基
転移が起こったことになる．生成物はα−ケト酸とピリドキサミンであり，アミノ基は
補酵素へ移動している．アミノ基転移の結果はアミノ酸のα−ケト酸への変換である．
–
B
H O
R
H
2–O
C
C
B
O–
N
C
R
H
H
H
O
3PO
+
N
H
Me
2–O
C
CO2–
H2
N
N
C
H
加水分解
H2O
O
3PO
ラセミ化
H2C
2–O
H
O
3PO
+
N
H
N
H
Me
R
C
CO2–
Me
ピリドキサミン
リン酸
O
α­ケト酸
しかし，アミノ基転移はここで終わらないで，ピリドキサミンにとられたアミノ基は
α−ケトグルタル酸とイミンを形成し，酵素のリシン残基とのイミノ基転移により最終
的にグルタミン酸のアミノ基として納まる．その結果，酵素結合型 PLP が再生される． α­ケトグルタル酸
–O
2C
O
CO2–
H2
N
H2C
2–O
CO2–
2C
H
H
O
3PO
–O
イミン生成
2–O
N
C
+
N
H
Me
N
H
ピリドキサミン
リン酸
E
H
H
O
3PO
(CH2)4 E
H2N(CH2)4
イミノ基
転移
2–O
–O
2C
H
O
3PO
+
+
NH3
Me
N
C
CO2–
N
H
Me
酵素結合型 PLP
グルタミン酸
アミノ基転移の全反応は次のように表される．α−ケトグルタル酸が介在して，ある
28
アミノ酸から別のアミノ酸にアミノ基が転移することになる．これらの反応はアミノ
トラスフェラーゼと PLP によって触媒される．
+
+
NH3
CO2–
R
–O
CO2–
2C
CO2–
R'
NH2
O
–O
CO2–
R
NH3
O
O
CO2–
2C
CO2–
R'
アミノ酸代謝において余分のアミノ基窒素はグルタミン酸に集められ，尿素回路に送
られていく．
・ Cα − Cβ 結 合 開 裂 ： この反応は，β位に脱離可能な OH 基をもつセリンとトレオ
ニンの二つのアミノ酸だけが基質になる．生成物はアルデヒドとグリシンである．
–
B
H
R
H
2–O
O
B
H
C
C
H
H
H
CO2–
N
H
C
H
O
3PO
2–O
+
N
H
R
C
CO2–
N
C
H
イミノ基
転移
H2N(CH2)4 E
O
3PO
O
Me
C
N
H
Me
(CH2)4 E
H
2–O
N
C
H
O
3PO
+
+
N
H
H3NCH2CO2–
Me
グリシン
H
アルデヒド
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
問 題 23E.9 γ–アミノ酪酸（γ–aminobutyric acid，GABA： 4–aminobutanoic acid）は
抑制性の神経伝達物質として知られ中枢神経系の興奮を抑える作用をもつ．
GABA は L –グルタミン酸からデカルボキシラーゼにより合成され，中枢神経系で
はたらいたあとには，アミノトランスフェラーゼにより 4–オキソブタン酸に変換
され分解されていく．この二つの酵素反応にはいずれも PLP が補酵素としてはた
らいている．これらの反応の機構を書け．
–O
CO2–
2C
+
L–Glu
NH3
PLP
–O
PLP
2C
グルタミン酸
デカルボキシラーゼ
+
GABA アミノ
NH3 トランスフェラーゼ
–O
H
2C
O
GABA
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
29
23E.5.4 ビ オ チ ン
ビオチン（biotin）はビタミン B7（またはビタミン H）ともいわれるが，腸管に生息
するバクテリアによって生産されるので，食物として摂取する必要はない．ビオチン
は酵素のリシン残基の側鎖アミノ基で結合し，ビオチン酵素として補酵素機能を発現
する．
O
O
HN
HN
NH
NH
H
N
S
CO2H
ビオチン
biotin
E
S
酵素結合型ビオチン
O
ビオチン酵素はカルボニル基のα炭素でカルボキシ化を起こす．例えば，ピルビン
酸カルボキシラーゼは解糖系の最終生成物であるピルビン酸を，クエン酸回路の中間
体であるオキサロ酢酸に変換する．また，アセチル CoA カルボキシラーゼはアセチル
CoA をマロニル CoA に変換し，脂肪酸の生合成（同化）過程の一反応を提供している．
カルボキシ化の原料となるのは炭酸水素イオン（HCO3 – ）である．
CH3
O
O
C
C
ピルビン酸
カルボキシラーゼ
O– + HCO3– + ATP
Mg2+, ビオチン
ピルビン酸
アセチル CoA
カルボキシラーゼ
O
CH3
C
SCoA + HCO3
–
+ ATP
Mg2+, ビオチン
アセチル CoA
O
–O
C
CH2
O
O
C
C
O– + ADP + HOPO32–
オキサロ酢酸
O
–O
C
O
CH2
2–
SCoA + ADP + HOPO3
C
マロニル CoA
この反応には，ビオチンに加えて ATP と Mg2+ も必要であり，炭酸水素イオンは ATP
によってリン酸化され，混合酸無水物のかたちで活性化される．このとき Mg2+ は負電
荷をもつリン酸部位の O に結合して負電荷を緩和して ATP へ求核種が近づくのを助
けている．
Mg2+
O
HO
C
O O– O O– O O–
O–
炭酸水素イオン
+
–O
P
O
P
O
P
–O
Ad
O
O O–
C
P
O
Mg2+
O–
活性化炭酸水素イオン
ATP
30
+ ADP
O
–
HN
N
–O
O
O O–
C
P
O
O
Mg2+
O–
O
HN
N
O
–
C
OPO32– Mg2+
HN
O
N
C
O–
O–
R
S
PO43– Mg2+
R
S
R
S
カルボキシビオチン
酵素結合型ビオチン
の エノラート形
O
C
CoAS
O
– H+
CH3
CoAS
アセチル CoA
O–
HN
O
N
+
–O
R
S
O
O
C
C
CH2
HN
–O
N
O
C
–
CH2
C
–
CH2
エノラート形
O
C
SCoA
SCoA
マロニル CoA
S
R
この活性化炭酸水素イオンに対してビオチンの エノラート形 が求核種となって
置換を起こし，カルボキシビオチンが生成する．そのカルボキシラート部位でアセチ
ル CoA エノラート形による求核置換でマロニル CoA が生成する．この最終段階はカ
ルボキシビオチンから基質へのカルボキシ基転移であり，ビオチン酵素に共通の形式
である．ここで注意したいのは，負電荷をもつカルボキシラート基は通常は求核攻撃
を受けない（9 章参照）が，酵素反応ではそれが可能になっていることである．
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
問 題 23E.10 TPP はケトン転移反応の補酵素としてもはたらく．すなわち，ケトース
の二炭素単位をアルドースに移動させる．この反応の機構を推定せよ．
CH2OH
C
HO
H
H
O
CH2OH
H
OH
CHO
+
OH
H
OH
CH2OPO32–
トランスケトラーゼ
CH2OPO32–
D–フルクトース
6–リン酸
C
CHO
TPP
H
OH
H
OH
CH2OPO3
+
H
2–
D–エリトロース
D–グリセルアルデヒド
4–リン酸
3–リン酸
HO
O
H
OH
CH2OPO32–
D–キシルロース
5–リン酸
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
23E.5.5 テ ト ラ ヒ ド ロ 葉 酸
テトラヒドロ葉酸（tetrahydrofolate, FH4 ）は，炭素原子 1 個からなる基を運ぶ補酵
素であり，葉酸（ビタミン B9 ）のテトラヒドロ体である．プテリジン環，p−アミノ安
息香酸，一つ以上のグルタミン酸の三つの構成要素からなり，この補酵素が運ぶ一炭
素単位には，メチル（CH3 ），メチレン（CH2 ），ホルミル（CH=O），ホルムイミノ（CH=NH）
とメテニル（CH＝）基がある（最も酸化度の高い CO2 はビオチンが運ぶ）．
31
プテリジン
H2N
H2N 2
H
N
N
H
5
HN
N
H
O
1
8
N
N
6
HN
3
4
O
HN
10
–O
n
テトラヒドロ葉酸 O
tetrahydrofolate (FH4)
9
N
5
p–アミノ安息香酸
HN
グルタミン酸
10
O
H
N
7
H
2C
CO2–
N
H
CO2–
H
N
CO2–
O
葉酸
folate (folic acid)
(n = 0 ~ 4)
CO2–
一炭素単位が結合した FH4 補酵素のおもな構造は次のようなものであり，一炭素単
位は N5 と N10 に結合している．これらは酵素反応によって相互変換されるが，この
ような一炭素単位運搬体が生成しやすいことは FH4 とメタナールの反応を考えてみれ
ばわかりやすいだろう．
H2N
H
N
N
HN
H2N
HN
N
O
O
HN
H2N
HC
NR
O NHR
5–ホルミル FH4
10–ホルミル FH4
NR
CH
5,10–メテニル FH4
H2N
H
N
N
HN
N
H
O
+
N
O
H
N
HN
N
O
HN
CH2
N
H
N
N
5,10–メチレン FH4
H
N
N
H2N
N
NHR
CH3
5–メチル FH4
H2N
H
N
N
NR
HC
N
O
O
NH NHR
HC
5–ホルムイミノ FH4
メタナールと FH4 の反応：
H2N
H
N
N
HN
FH4
H2N
HN
N
H
O
H
NHR
H
O
H
N
N
N
O
H
– HO–
OH
H
H2N
NHR
H
N
N
HN
H2N
HN
+
H
H
NHR
H
N
N
– H+
N
O
N
O
CH2
NR
5,10–メチレン FH4
生体内でのメチル化が S−アデノシルメチオニン（SAM）によって行われることを
12 章（ノート 12.1）で説明したが，生成したホモシステインは 5–メチル FH4 を使っ
32
てメチル化され，SAM が再生される．
Ad
R OH
S
CH3
+
CO2–
+
SAM
CH3
CO2–
S
+
NH3
SAM によるメチル化
NH3
FH4
5–メチル FH4
によるメチル化
5–メチル FH4
Ad
+
R O
CH3
H
+
+
NH3
S–アデノシルホモシステイン
R O
CO2–
HS
CO2–
S
NH3
ホモシステイン
CH3
もう一つの非常に重要な FH4 誘導体を用いるメチル化は，核酸塩基のウラシルから
チミンを合成する反応である．ウラシルは RNA に含まれ，チミンは DNA に含まれる
こと（23 章）を思い出そう．
H2N
N
HN
O
H
N
N
H
L–Ser
Gly
H2N
N
HN
CH2
N
NADP+
NADPH
HN
NR
O
CH3
HN
N
O
デオキシリボース
5'–リン酸
チミン
H
N
ジヒドロ葉酸
N
O
5,10–メチレン FH4
H2N
O
HN
N
O
NHR
FH4
ウラシル
H
N
O
NHR
N
デオキシリボース
5'–リン酸
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
問 題 23E.11 葉酸の構成要素であるプテリジン環の互変異性構造を書け．
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
2 3 E . 6 代 謝 経 路 23E.6.1 グ ル コ ー ス の 代 謝
解糖は，炭水化物の消化（加水分解）で得られたグルコースをピルビン酸 2 分子に
変換し，ATP を 2 分子合成する過程であり，この代謝経路の概要は図 23E.14 のように
表せる．10 種類の酵素を使って 10 段階でグルコースはピルビン酸に変換される．
33
①
ヘキソキナーゼ
(Mg2+)
OH
O
HO
HO
OPO32–
O
HO
HO
OH
OH
ATP
グルコース
OH
OH
ADP
グルコース
6–リン酸 (G6P)
グルコース 6–リン酸
イソメラーゼ
2–O
3PO
2–O PO
③
3
ホスホフルクトキナーゼ
(Mg2+)
OH
O
H
OH
OH
ATP
ADP
H
フルクトース
1,6–ビスリン酸 (FBP)
④
3POCH2
OH
OH
H
OH
フルクトース
6–リン酸 (F6P)
アルドラーゼ
O
2–O
OH
O
H
H
OPO32–
H
②
OH O
C
+
CH2OH
ジヒドロキシアセトンリン酸
(DHAP)
2–O
3POCH2
CH C H
グリセルアルデヒド 3–リン酸
(GAP)
⑤
トリオースリン酸イソメラーゼ
NAD+
+ HOPO32–
グリセルアルデヒド 3–リン酸
デヒドロゲナーゼ
⑥
NADH/H+
OH O
2–O
CH C OPO32–
3POCH2
1,3–ビスホスホグリセリン酸
(1,3-BPG)
ADP
ホスホグリセリン酸キナーゼ
(Mg2+)
ATP
⑦
OH O
2–O
CH C O–
3POCH2
3–ホスホグリセリン酸 (3PG)
⑧
2–O
3P
HOCH2
ホスホグリセリン酸ムターゼ
O
O
CH C O–
2–ホスホグリセリン酸 (2PG)
H2O
2–O
3P
CH2
エノラーゼ ⑨
(Mg2+)
C C
⑩
ピルビン酸キナーゼ
(Mg2+, K+)
O O
O–
ホスホエノールピルビン酸
(PEP)
ADP
ATP
CH3
O
O
C
C
O–
ピルビン酸
図 23E.14 グルコースをピルビン酸に変換する代謝経路
代謝経路の 10 の反応をまとめると，解糖の正味の反応は次のように表すことができ，
ATP と NADH のかたちでエネルギーを獲得していることがわかる．
34
O
解糖
C6H12O6 + 2
NAD+
グルコース
+ 2 ADP + 2 HPO4
2 CH3CCO2– + 2 H+ + 2 NADH + 2 ATP
2–
ピルビン酸
23E.6.2 脂 肪 酸 の 代 謝
脂肪酸はまずアシル CoA に変換され活性化される．ついで，β –酸 化 を繰り返しな
がらアセチル CoA に分解され，同時に還元型補酵素を生成する．還元型補酵素は ATP
の生成に使われエネルギーを供給する．β炭素がカルボニルにまで酸化され，段階 4
で逆 Claisen 型の開裂によってアセチル CoA とアシル CoA を生成する（図 23E.15）．
2n（偶数）個の炭素原子をもつ脂肪酸は β–酸化を繰り返して n 分子のアセチル CoA
を生成し，クエン酸回路に基質を供給する．
O
RCH2CH2
O– + CoASH
C
脂肪酸
ATP
AMP + P2O74–
R
O
CH3 C SCoA
アセチルCoA
CoASH
O
④
H
H O
C
H
C
H
O
C
FAD
アシルCoA
O
H
さらに酸化
C
C
R
R C CH2 C SCoA
HO
R
NAD+
!–ヒドロキシアシルCoA
デヒドロゲナーゼ
SCoA
C
H
②
③
NADH/H+
アシルCoAデヒドロゲナーゼ
①
R C SCoA
アシルCoA
チオラーゼ
O
FADH2
SCoA
H2O
エノイルCoAヒドラターゼ
O
C CH2 C SCoA
H
図 23E.15 脂肪酸の β–酸化
たとえば，炭素数 16 のパルミチン酸の β–酸化の結果は次のようになる．
CH3(CH2)14CO2– + 8 CoASH + 7 NAD+ + 7 FAD + ATP
パルミチン酸
β­酸化
O
8 CH3CSCoA + 7 NADH + 7 FADH2 + AMP + P2O74–
アセチル CoA
23E.6.3 ア ミ ノ 酸 の 代 謝
食物として摂取したタンパク質は消化（加水分解）されアミノ酸プールとして集積
される．アミノ酸プールには体内で不要になったタンパク質も分解されて集積されて
35
いる．20 種類のアミノ酸は独自の機構で代謝されていくが，一般的な機構は同じであ
る．アミノ酸は新しい窒素化合物の合成にも使われるが，多くは脱アミノ（deamination）
によりアミノ基をアンモニアまたはアスパラギン酸のアミノ基に変換し，尿素回路へ
輸送していく．脱アミノで生じた α–ケト酸の炭素骨格は共通の代謝中間体に変えられ
分解されるか，糖新生（合成）に使われる．
脱アミノは，アミノトランスフェラーゼ（トランスアミナーゼとよばれていた）を
触媒とする α–ケト酸（おもに 2–オキソグルタル酸）へのアミノ基転移によって達成
される（図 23E.16）．この反応には補酵素として PLP が必要であり，その機構は 23E.5.3
項で説明した．アミノ基転移で生成したグルタミン酸は酸化的脱アミノ反応でアンモ
ニア（アンモニウムイオン）を生成し，アンモニアは尿素回路（urea cycle）で尿素に
変換され排泄される．
NH3+
O
RCH CO2
–
C CO2–
R
!–ケト酸
!–アミノ酸
アミノ基転移
アミノトランスフェラーゼ
NH3+
O
CO2– CH2CH2 C CO2–
CO2– CH2CH2 CH CO2–
!–ケトグルタル酸
L–グルタミン酸
酸化的脱アミノ
グルタミン酸
デヒドロゲナーゼ
NAD(P)+
+
H2O
NAD(P)H
+
NH4+
CO2
尿素
回路
O
H2N
C
尿素
NH2
図 23E.16 アミノ基転移から尿素回路への経路
アンモニアは生物にとって有毒であり，適切なかたちで排泄しなければならない．
魚類はえらからアンモニアを直接水中に排泄できるが，哺乳類は尿としてアンモニア
を排泄するには限度がある．哺乳類は，アンモニア（アンモニウムイオン）を尿素回
路で無毒な尿素にしてから排泄する．
アンモニウムイオンは，クエン酸回路で生成した CO2（HCO3 – ）および ATP と反応
してカルバモイルリン酸になり，尿素回路に入っていく．尿素回路は図 23E.17 のよう
に表される．
36
O
H2N C
CH2NH3+
O
H2N
尿素
H2O
NH2
O
P
O–
HOPO32–
O
CH2
H
⑤
C
NH3+
CO2–
オルニチン
+
②
CH2NH C
オルニチン
カルバモイル
トランスフェラーゼ
CH2
CH2
NH2
H
CH2
③
C
+
アルギニノコハク酸
H2N
リアーゼ
NH3+
CH2NH C
–
CO2
④
アルギニン
CH2
CH2
H
–O
2C
C
C
H
H
フマル酸
C
NH3+
CO2–
アスパラギン酸
CH2
CO2–
C
アルギニノコハク酸 シトルリン
シンターゼ ATP
–
AMP +
CO2
H2O + P2O74–
H
CO2–
N CH
+H N CH
3
CH2NH3+
CH2NH3+
CH2
H
NH2
CH2
H2N
CH2
NH4+ + CO2
①
カルバモイルリン酸
シンターゼ
O–
CH2
アルギナーゼ
CH2NH C
2 ATP
カルバモイルリン酸
CH2
C
2 ADP
O
NH3+
CO2–
アルギニノコハク酸
図 23E.17 尿素回路
尿素回路の結果は次のようになる．
NH3+
NH4+ + CO2 + 3 ATP +
–O
2CCH2CHCO2
–
アスパラギン酸
+ 2 H2O
O
H2N
C
尿素
NH2 + 2 ADP + AMP + 4 HOPO32– +
–O
CHCO2–
フマル酸
2CCH
すなわち，CO2 の炭素，NH4 + の窒素，アスパラギン酸の窒素から尿素をつくり，尿と
して排泄するのである．
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
問 題 23E.12 次の代謝経路の中で分子状の酸素が酸化剤として用いられることがあ
るか．あるとすれば，どの段階か．
(a) クエン酸回路 (b) 解糖 (c) β酸化
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
37
まとめ ・代 謝 は，生物が生命を維持するために必要な物質をつくり，エネルギーを得るため
に行うすべての反応である．
・代謝には異 化（分解）と同 化（合成）があり，異化は発エルゴン反応で，同化は吸
エルゴン反応である．
・異化で獲得したエネルギーは A T P （アデノシン三リン酸）あるいは還元型補酵素
NADH（ニコチンアミドアデニンヌクレオチド：酸化型 NAD+ ）または FADH2（フ
ラビンアデニンジヌクレオチド：酸化型 FAD）のかたちで保存され輸送される．
・吸エルゴン的な代謝反応は，ATP の加水分解のような発エルゴン反応と共 役 して進
行する．
・ク エ ン 酸 回 路 は，糖，脂肪酸，アミノ酸の異化で生成したアセチル CoA を 2CO2
に酸化し，高エネルギー分子として還元型補酵素 4 分子と GTP1 分子を生成する 8
段階の反応経路であり，サイクルをなしている．
・ほとんどの代謝反応は酵 素 反 応 であり，補 因 子 （金属イオンと補 酵 素 ）を使うも
のが多い，
・酵素反応の基質は酵素の活 性 部 位 に特異的に取り込まれ，酵 素 − 基 質 錯 体 を形成し，
アミノ酸残基の側鎖官能基が協同的に作用して，高い触媒活性を示す．
・酵素触媒作用は一般酸・塩基触媒と求核触媒として理解されるが，補 酵 素 は触媒機
能に酸化・還元，グループ転移，一または二炭素単位の移動などの多様性を加える．
・水溶性ビタミンのほとんどは補酵素になる．
・酵素反応の例として，リゾチームによる細胞壁の多糖の加水分解，およびトリプシ
ンとカルボキシペプチダーゼ A によるペプチドの加水分解の反応機構を説明した．
・補酵素のかかわる反応機構について，次の補酵素を取り上げて説明した．
ピリジンヌクレオチド（NAD+ /NADH），フラビン補酵素（FAD/FADH2 ），リポ酸
（以上の 3 種類が酸化還元補酵素である）．
チアミンピロリン酸（TPP），ピリドキサールリン酸（PLP），ビオチン，テトラヒ
ドロ葉酸（FH4 ）．
・糖類，脂肪，タンパク質の消化（加水分解）によるおもな生成物はグルコース，脂
肪酸，アミノ酸である．これらの代謝経路について説明した．
・グルコースの代謝（解 糖 ）の最終生成物はピ ル ビ ン 酸 であり，ATP と NADH のか
たちでエネルギーを獲得する．ピルビン酸は NAD+ とリポ酸，TPP を使う酸化的脱
炭酸によりアセチル CoA に変換される．アセチル CoA はクエン酸回路の基質とな
る．
・脂肪酸はβ − 酸 化 を繰り返してアセチル CoA に変換され，還元型補酵素（NADH と
FADH2 ）のかたちでエネルギーを保存する．
・アミノ酸は脱 ア ミ ノ により窒素成分は尿 素 回 路 で尿素に変換して排泄される．炭
素成分はα−ケト酸となり，共通の代謝中間体として代謝される．
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