2009 生体分子構造学テキスト

【１６】水溶性ビタミンの構造，化学的性質および生物学的機能（ビタミン B 1 ，B 2 ）
ビタミン類：微量で動物の栄養を支配し，生体の代謝，生理機能に対して触媒的に作用す
る有機化合物群．補酵素 ＊ やホルモンなど．
１．ビタミン B 1 （チアミン）
日本薬局方には塩酸塩として収載されている．ピリミジン環とチアゾリン環がメチレン
鎖で架橋した基本骨格を持つ．1 級水酸基に加え，塩酸塩は 4 級アンモニウム塩を 2 個持
つため，水に溶けやすく，弱酸性 [pH 2.7-3.4 (1g/100ml)] を示す．保存中に一部分解し，
硫黄成分を生じるため，わずかに特異なにおい（ぬか臭）がある．
4級アンモニウム塩
Cl–
H 3C
N
N+H3
ピリミジン環 N
1級水酸基
OH
S
N+ チアゾリン環
Cl– CH
4級アンモニウム塩
3
＊酵素はタンパク質であり，各種のアミノ酸で構成されている．従って，酵素単独で行え
る反応の種類には限りがある．例えば，酸̶塩基反応，共有結合形成・開裂，電荷間相互
作用などは得意であるが，酸化̶還元反応，転移反応などは苦手である．その場合，補因
子を必要とする．補因子が有機分子である場合にそれを補酵素と呼ぶ．
アポ酵素（不活性型）
+
補因子
講義メモ
1
⇄
ホロ酵素（活性型）
化学的性質：塩基性条件下で酸化剤（K3[Fe(CN)6]または BrCN）で酸化され，蛍光（368 nm）
を発するチオクロムを生じる．（チオクロム反応）
H
H3C
N
N
H
H
N
H
S
N+
Cl-
OH
OH–
H3C
N
N
N
H
S
OH
N
CH3
CH3
K3[Fe(CN)6]
– 2H
H3C
N
N
N
S
N
CH3
チオクロム
講義メモ
2
OH
生体内での機能：生体内では 2 分子のリン酸と結合してチアミンピロリン酸 ( TPP) と
なり，さらに脱炭酸酵素（デカルボキシラーゼ）と結合して活性化し，ピルビン酸 (ア
セチル CoA の生成)，α-ケトグルタル酸 (TCA サイクル)，糖質 (発酵) などの糖質代謝に
おける脱炭酸反応の補酵素（Co-Enzyme）として働く．
アルコール発酵の機構
1 段階目
ピルビン酸デカルボキシラーゼ（
活性型）
H3C
チアミン + ATP + ピルビン酸デカルボキシラーゼ
N
N+H3 H
O
O
O P O P O
– O–
O
S
N+
N
CH3
チアミンピロリン酸
(チアミン二リン酸, TPP)
O
H+
H
S
S
Me
N+
N+
CH3
CH3
(イリド型）
触媒サイクル
ヒドロキシエチル-TPP
O
O
H 3C
H3C
H
アセトアルデヒド
OH
O
H+
ピルビン酸
O H
H+
OH
S
Me
OH
O
CO2
Me
N
S
N+
CH3
CH3
2 段階目
NADH
O
H3C
NAD+
OH
H3C
H
H
H
アルコール（ エタノール）
3
2. ビタミン B 2 （リボフラビン）
テトラオール側鎖を持つため水溶性である．
OH
テトラオール
HO
OH
OH
Me
N
Me
N
N
O
NH
O
酸化性：（ハイドロサルファイトナトリウム：Na2S2O4 = S3ー→S6ー + 3eー：還元剤）
OH
HO
Me
N
Me
N
HO
OH
OH
N
O
NH
H
(O)
Me
N
Me
N
H
O
キノン型（
酸化型）
OH
HO
OH
HO
OH
N
HO
O
NH
O
セミキノン型
OH
H
(O)
Me
N
Me
N
H
H
N
NH
O
ヒドロキノン型（還元型）
蛍光無し
黄緑色蛍光
講義メモ
4
O
蛍光：酢酸酸性下
+
リボフラビン
H
hν
Me
N
Me
N
H
N
O
NH
Me
N
Me
N
ルミクロム（蛍光）
塩基性条件下（速やかにルミフラビンに分解）
Me
リボフラビン
hν
Me
N
Me
N
N
O
NH
O
ルミフラビン（黄緑色蛍光）
講義メモ
5
OH
N
OH
O
OH-
N
細胞内の酸化還元反応において電子の授受を担う補酵素の一つ．天然物中では FMN または
FAD として主にミトコンドリア内電子伝達系やアルカンの脱水素反応におけるフラビン酵
素の補酵素として働く．
OH
HO
H 3C
N
H 3C
N
HO
OH
OH
N
O
リボフラビンキナーゼ
H 3C
N
H 3C
N
NH
ATP
O
リボフラビン
ADP
HO
H 3C
N
H 3C
N
FAD ピロホスホリラーゼ
O
NH
O
flavin mononucleotide (FMN)
ATP
PPi
N
N
N
N
O
HO
OH
N
O
OH
N
NH2
二リン酸
O
O
O P O P O
O–
O–
OH
O
O P O– 一リン酸
O–
OH
フラビン酵素
OH
アデノシン
NH
O
flavin adenine dinucleotid (FAD)
NH2
O
O
O P O P O
O–
O–
OH
HO
N
N
His
N
H3C
OH
N
N
O
N
N
HO
OH
O
N
2e–
R
N
H
N
2H+
NH
N
FAD
N
N
H3C
O
講義メモ
6
N
H
O
FADH2
O
NH
問題１．ビタミン B1 の慣用名を答え，その代表的な検出方法の名前と反応式を書きなさい．
問題２．
FAD を補酵素としたコハク酸デヒドロゲナーゼの反応によってコハク酸から生
じる物質の名称と構造を答えなさい．また，この時 FAD は酸化または還元のいずれを受け
るか答えなさい．
問題３．リボフラビンがデヒドロゲナーゼの補酵素として働くときの反応機構を電子の動
きを示す矢印で説明しなさい．
R
Me
N
Me
N
R
N
O
NH
O
キノン型（酸化型）
H
(O)
Me
N
Me
N
R
N
O
NH
H
O
セミキノン型
7
H
(O)
Me
N
Me
N
H
N
O
NH
H
O
ヒドロキノン型（還元型）
【1７】水溶性ビタミンの構造，化学的性質および生物学的機能（ビタミン B6，C）
3．ピリドキシン（ビタミン B 6 ）
性状：トリオール構造（水酸基 3 個）を持つため水に溶けやすく，ピリジン環を持つため
弱塩基性を示す．一方，塩酸塩は４級アンモニウム構造を持つため水に溶けやすく，弱酸
性を示す．類縁体としてアルデヒド型のピリドキサールとアミン型のピリドキサミンがあ
るが，生体内ではいずれもビタミン B6 として機能する．
水酸基
OH
フェノール性水酸基
HO
OH
ピリジン環
水酸基
H 3C
N+Cl–
H
4級アンモニウム塩
塩酸ピリドキシン
アミノ基（アミン）
NH2
ホルミル基（アルデヒド）
CHO
HO
OH
H3C
N
HO
H3C
ピリドキサール
8
N
ピリドキサミン
類縁体
講義メモ
OH
生体内での機能：アミノ酸代謝の補酵素（脱アミノ化，脱炭酸）
脱アミノ化反応：ピリドキサル 5 -リン酸となった後，アミノトランスフェラーゼ（ア
ラニン，アスパラギンなど）と共役してアミノ酸の脱アミノ化を行い，オキソ酸を生成
する．
アミノ酸
アミノトランスフェラーゼ
O
H
HN
シッフ塩基（イミニウム）
O
HO
H3C
R
N
H
H N
アミノトランスフェラーゼ
O P OO-
水素結合
H
NH2
ピリドキサルリン酸
O
O
H3C
CO2H
H
O P OO-
N+
H
Lys
アミノトランスフェラーゼ
H
R
H+
H N
H
N
H
O
R
CO2H
H N
CO2H
O
H
O P OO-
N+
H3C
R
O
O P OO-
N+
H
O
O
H3C
H
H
H+
H N
O
H3C
CO2H
N
O P OO-
H
H
R
CO2H
R
H N
H
O
O
H3C
N
O P OO-
O
CO2H
H N
H2O
H
H+
O
H3C
H
H N
O
H
O P OO-
N
O
H3C
N
O
O P OO-
ピリドキサミンリン酸
R
CO2H
O
α-ケト酸 (オキソ酸)
問題４．アスパラギン酸アミノトランスフェラーゼの反応によりα-ケトグルタル酸が生成
する機構を酵素（補酵素）の働きが分かるように電子の動きを示す矢印で説明しなさい．
問題５．アラニンからアミノトランスフェラーゼの反応で生じる化合物の構造と名称を答
えなさい．
9
脱炭酸：デカルボキシラーゼ（グルタミン酸，L-DOPA など）と共役してアミノ酸の
脱炭酸を行う．
HO
CO2H
CO2H
1
NH2
N
H
5-ヒドロキシトリプトファン
NH2
N
H
5
2
トリプトファン
HO
N+
NH2
N
H
H
O3-2PO
セロトニン
CO2H
HO
N+
CH3
H
芳香族 L-アミノ酸デカルボキシラーゼ
N
H
H
H+
O3-2PO
H
HO
H+
NH
N
H
N
N+
H
HO
O
N+
N
H
H
O3-2PO
H 2O
N+
H
H
HO
N+
N
H
H+
HO
N+
N
H
H
H
O3-2PO
O3-2PO
N
CH3
O
NH2
CH3
ピリドキサールリン酸
CH3
N+
H
O
O3-2PO
O H
O3-2PO
NH
N
N
H
CH3
講義メモ
10
CH3
CO2
CH3
H
問題６．グルタミン酸デカルボキシラーゼの反応によりγ-アミノ酪酸（GABA）が生成す
る機構を酵素（補酵素）の働きが分かるように電子の動きを示す矢印で説明しなさい．
問題７．L-DOPA からデカルボキシラーゼの反応で生じる化合物の構造と名称を答えなさ
い．
講義メモ
11
4．アスコルビン酸 (ビタミン C)
性状：水酸基を４個（テトラオール）を持つため，水に溶けやすい．弱酸性 [pH
2.2-2.5(1g/20ml)] を示し，酸味がある（酸の特徴）．抗酸化性（還元性）を持つ．
水酸基 HO
水酸基
HO
H
O
水酸基 HO
O
ジヒドロフラン
OH 水酸基
アスコルビン酸
アスコルビン酸はその構造の中に 1,3-ジケト構造を持っており，下に示すようなケトエノ
ール互変異性を生じるため，Hc,d,e は酸性を示す．
HO
OH
H
Hc O
O
O
OH
酸性プロトン
(エノール型 I)
Hc+
Hd+
HO
OH
H
O
1
Hd+
3
O H
d
O
He+
OH
Hd+
He+
酸性プロトン
1,3-ジケト構造 (ケト型)
問題８．アスコルビン酸が酸性を示す理由を説明しなさい．
講義メモ
12
HO
OH
H
O
O
O
OH
(エノール型 II)
He
酸性プロトン
アスコルビン酸は還元性を持つため，酸化防止剤として食品添加物などに汎用される．
HO
OH
H
O
H
O
HO
O
O
O
H
N
O
O
O
デヒドロアスコルビン酸
Cl
O
OH
H
OH
Cl
Cl
HO
2,6-ジクロロインドフェノール
(酸性：赤，
アルカリ性：青)
H
N
OH
Cl
問題９．ビタミン C の酸化型および還元型の慣用名と構造を答えなさい．
講義メモ
13
生体内での機能：ヒト，サル，モルモットに必須（生合成出来ない）．生体内で可逆的に還
元体と酸化体が相互変換する．種々の水酸化の補酵素として働き，コラーゲン代謝，カテ
コラミン生合成，コレステロール異性化代謝，カルニチン生合成などを助ける．
例えば，プロリルヒドロキシラーゼによるコラーゲン前駆体のプロリン残基およびリジン
残基の水酸化の補酵素として働き，コラーゲンを生成する．
NH3+
NH3+
HO
5
O
O
Lys
O
NH
N
O
O
プロリルヒドロキシラーゼ
5-Hyl
NH
アスコルビン酸
N
3
O
Pro
3-Hyp OH
O
O
O
N
4
HO
O
4-Hyp
コラーゲン
欠乏すると壊血病を生じる．出血傾向改善．抗酸化作用による坑貧血作用（Fe3+ → Fe2+ と
し，小腸からの吸収を助ける）．メラニン色素生成抑制．尿路結石（シュウ酸の生成）．
問題１０．ビタミン C の生体内における働きについて列挙し，説明しなさい．
講義メモ
14
【１８】水溶性ビタミンの構造，化学的性質および生物学的機能（ニコチン酸，葉酸，
ビオチン，パントテン酸，シアノコバラミン）
5．ニコチン酸
性状：カルボキシル基または 1 級アミド構造を持つため水に溶け易い．
カルボキシル基
CO2H
ピリジン環
O
ピリジン環
ピロリジン環
1級アミド
N
N
N
ニコチン
ニコチン酸アミド
ニコチン酸
N
Me
NH2
機能：NAD+または NADP+（酸化型）として，あるいは NADH または NADPH（還元型）
として，種々の酸化還元反応に関与する脱水素酵素（デヒドロゲナーゼ）の補酵素として
働く．
H
N+
二リン酸
O
P O
HO
O
OH
O
D-リボース
-O
H−
O
-O
NH2
P O
O
P O
HO
N
OH
NH2
P O
O
N
O
HO
O
-O
N
N
CONH2
N
O
-O
H
H
CONH2
N
N
N
O
アデノシン
O R
HO
N
O R
R = H: Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD+)
R = H: NADH
R = PO32–: Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate (NADP+)
R = PO32–: NADPH
酸化型
還元型
講義メモ
15
例として，TCA サイクルにおいてイソクエン酸をオキサロコハク酸に酸化する際のイソク
エン酸デヒドロゲナーゼの補酵素として働く．
オキサロコハク酸
イソクエン酸
H
O
HO2C
CO2H
H CO H
2
HO2C
酸化
CO2H
CO2H
R
NAD+
H
N
R
NADH
H
O
CO2H
O
CO2
Mg2+
H
N+
O
Mg2+
H
H
Mg2+
O
H+
O
O H
脱炭酸
O
O
CO2H
O
マグネシウムエノレート
H+
O
HO2C
CO2H
2-ケトグルタル酸
問題１１．解答系においてグリセルアルデヒドはアルコールデヒドロゲナーゼによりグリ
セロールに還元される．この時必要とされる補酵素名を答え，その反応機構を説明しなさ
い．
問題１２．解答系においてグリセロール 3-リン酸はグリセロール 3-リン酸デヒドロゲナ
ーゼにより酸化され，ジヒドロキシアセトンリン酸を生じる．この時必要とされる補酵素
名を答え，その反応機構を説明しなさい．
問題１３．解答系において NAD+が関与する段階を列挙し，原料名，生成物名，酵素名，
補因子名を答えなさい．
講義メモ
16
6．葉酸
ほとんどの溶媒（水，メタノール，エタノール，ピリジン，ジエチルエーテル）に溶けな
いが，塩酸，硫酸（酸性水溶液），希水酸化ナトリウム試液または炭酸ナトリウム溶液（塩
基性水溶液）には溶ける．
（親水性，水溶性，両性化合物）これは，分子内にカルボキシル
基（酸性官能基），アミノ基（塩基性官能基）が同時に存在するためである．
O H
OH
プテリジン環
H2N
N
H
N
N
N
グルタミン酸
p-アミノ安息香酸
N
[ 塩基性溶液中 ]
OH
OH
H2N
N
N
CO2H
N
H
[ 酸性水溶液中 ]
N
カルボキシル基
CO2H
H+
H3N+
N
CO2H
N
N
N
OH-
CO2–
CO2–
CO2H
N
カルボキシレート
アンモニウム
( 可溶 )
( 可溶 )
生体内における機能：
（１）生体内酸化還元反応の補酵素として働く．プテリジン環部分が
リボフラビンのフラビン骨格とよく似ており，キノン型（酸化型）とジヒドロキノン型（還
元型）の変換過程で酸化還元反応が起こる．
プテリジン環
N
H 2N
cf.
OH
OH
N
N
N
N
HO
O
N
N
N
N
HN
O
N
N
H
フラビン骨格（イソアロキサジン）
講義メモ
17
（２）ホルミル基，ヒドロキシメチル基など C1 単位の転移反応の補酵素として働く．核
酸塩基 (プリン塩基，ピリミジン塩基) の生合成に関与する．
O H
OH
H2N
N
OH
N
H
N
N
CO2H
ジヒドロ葉酸還元酵素
CO2H
N
H
NADP+
NADPH
H2N
N
N
N
H
H
N
H
ジヒドロ葉酸 (FAH2)
NH2
OH
ジヒドロ葉酸還元酵素
N
H2N
NADP+
NADPH
N
N
N
HO
H H
N
セリン
N
H
N
H
NH2
OO2H
or
N
N
5
グリシン合成酵素 or グリシンヒドロキシメチル転移酵素
H
H2N
テトラヒドロ葉酸 (FAH4, THF)
N
N
H
5,10-メチレンテトラヒドロ葉酸
CO2H
N
N10
OH
OO2H
グリシン
NAD+
NAD+
NH NH2
還元酵素
ヒスチジン
還元酵素
NADPH+
CO2H
NADPH+
NH2 NH2
NH
OH
グルタミン酸
N
N
H2N
N
シクロデアミナーゼ
N
H
N+
N
N
H
H2N
OH
N
OH
N
H2N
N
H
5
N
N
H
5-メチル -FAH4
5,10-メテニル -FAH4
5-ホルムイミノ-FAH4
N
N
N
H
CH3
シクロヒドロラーゼ
OH
OH
N
N
H2N
CHO
N
イソメラーゼ
N
H
5
N
N
H
H2N
5-ホルミル -FAH4
H
N
N 10
HCO2H
(ギ酸）
テトラヒドロ葉酸 (FAH4)
N
H
10-ホルミル -FAH4
NH2
N
N
O
OH
N
N
N
H
OH
NH2
核酸の生合成
N
N
HO
N
OHC
N
N
HO
N
O
N
N
ピリミジン核
プリン核
OH
アデノシン
OH
シチジン
18
O
問題１４．核酸の生合成の過程において，テトラヒドロ葉酸は何を何に変換する酵素の補
酵素か答えなさい．
問題１５．5,10-メテニル FAH4 から 10-ホルミル FAH4 が生成する過程の反応機構を電子の
動きを示す矢印で説明しなさい．
講義メモ
19
７．ビオチン
尿素（ウレア）構造，カルボキシル基の存在により水溶性を示す．
O
尿素
NH
HN
カルボキシル基
CO2H
S
ビオチン
炭酸固定酵素（カルボキシラーゼ）の補酵素として働く．その機構は Claisen 縮合に類似
している．
O
HO
O
H
OH
炭酸
NH
N
H
N
S
NH2
O
ビオチン
プロピオニル-CoA カルボキシラーゼ
HO
CoA
CoA
プロピオニル-CoA
NH
N
ADP + H3PO4
N
N
O
P O
OH
N
O
N
O
O
O
O
P O
OH
OH
O
アデノシン三リン酸
HO P O
(ATP)
OH
H
O
O
HO P O
OH
O
O
CoA
S
HO2C
CoA
スクシニル-CoA
O
OH
(S)-メチルマロニル-CoA
＊Claisen（クライゼン） 縮合
O
O
B
EtO
H
O
O
OEt
EtO
EtO
エノレート
EtO
20
O
TCA cycle
８．パントテン酸カルシウム（ビタミン B 群，CoA 構成成分）
カルボン酸のカルシウム塩と 2 つの水酸基が存在するため水に可溶である．また，カルボ
ン酸のカルシウム塩であるため，弱塩基性（pH 7-9）を示す．
O
HO
OH
N
H
O
Ca2+
COOH
HO
O
N
H
OH
O
O
Ca
O
O
OH
N
H
OH
カルボン酸カルシウム塩
パントテン酸
生体内での機能：CoA となり，TCA サイクル，脂肪酸代謝，アミノ酸代謝などのアシル
基転移反応における補酵素として働く．
アセチル CoA の生合成
O
OH
＊チアミン（ビタミン B1）参照
S
OH
チアミンピロリン酸ピルビン酸デカルボキシラーゼ
O
ピルビン酸
OH
S
N
N
CH3
CH3
S
S
NH2
ADP
O
–O P O
O
–O P O
N
O
R
N
H
パントテン酸
CoA
SH
N
OH
O
–O P O
O–
O
OH
H+
CH3
N
N
O
リポアミド
S
N
O
H O
SH
S
S
R
R
S
N
CH3
O
N
H
SH
2-メルカプトエチルアミン
"アセチル転移"
O
O
S-CoA
アセチルCoA
21
CoA
9．シアノコバラミン（ビタミン B12）
性状：水にやや溶けにくく，ジエチルエーテルにほとんど溶けない．
生体内での機能：（１）カルボキシル基や水素原子の分子内転移 → 5 -デオキシアデノシ
ルコバラミン
（２）分子間におけるメチル基の転移反応に関する補酵素 （メチルコバラミン）
例 ホモシステイン→メチオニン
CONH2
CN
CONH2
CH3 メチル
H2NOC
Co2+
H
H2NOC
CONH2
N
N
N
Co2+
コリン環（ポルフィリン環）
N
メチルコバラミン
HO OH
O
CONH2
NH
5'-デオキシアデニン
N
O
O
P
O OH
-O
N
N
N
N
O
N
NH2
O
Co2+
HO
5'-デオキシアデノシルコバラミン
シアノコバラミン
講義メモ
22
問題１６．以下のビタミンの名称[A 群]̶慣用名[B 群]̶生物学的作用[C 群]を正しく組み
合わせなさい．
[A 群]
ビタミン B1
[B 群]
アスコルビン酸
[C 群]
ヒドロキシラーゼの補酵素
（コラーゲンの生合成）
ビタミン B2
リボフラビン
炭酸固定酵素の補酵素
（アシル CoAα位のカルボキシル化）
ビタミン B6
ピリドキシン
トランスアミナーゼの補酵素
（アミノ酸の代謝）
ビタミン B12
チアミン
C1 単位の転移反応の補酵素（核酸の生合成）
ビタミン C
シアノコバラミン
メチル基の転移（メチオニンの生合成）
ニコチン酸
デヒドロゲナーゼの補酵素
（脂肪酸をα,β-不飽和脂肪酸に変える）
葉酸
脂肪酸を活性化し，アシル基転移などに関与
ビオチン
デヒドロゲナーゼの補酵素
（アルコールをケトンに酸化）
パントテン酸
ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体の補酵素
（アセチル CoA の生合成）
23
【１９】β酸化，TCA サイクル
1. 脂質のβ-酸化
脂肪酸は CoA と縮合し，アシル CoA（チオエステル）を形成した後，α位とβ位の水素が
脱水素化（アシル CoA デヒドロゲナーゼ，FAD）され，α,β-不飽和チオエステルへと変
換される．次にエノイル CoA ヒドラターゼにより水の 1,4-付加（水和）が起こり，β-ヒ
ドロキシアシル CoA が生成し，さらに，β-ヒドロキシアシル CoA デヒドロゲナーゼ（補
酵素；NAD+）によって酸化され，β-ケトアシル CoA（β-オキソアシル CoA，1,3-ジケト
構造）を生じる．さらに，CoA 存在下アセチル CoA アシルトランスフェラーゼにより，レ
トロ-クライゼン縮合を起こし，最初のアシル CoA より二炭素短いアシル CoA とアセチル
CoA に分解する．ここで生じたアシル CoA は再び同様な経路で繰り返しβ酸化̶分解を受
け，最終的にアセチル CoA またはプロピオニル CoA に変換される．生じたアセチル CoA
は直接，プロピオニル CoA はスクシニル CoA に変換されて TCA サイクルに導入される．
H
O
O
CoA
OH
n
脂肪酸
アシル CoA デヒドロゲナーゼ
S-CoA
n
H
n α
FAD
FADH2
S-CoA
アセチル CoA
O
エノイル CoA
ヒドラターゼ
n
β-ヒドロキシアシル CoA
デヒドロゲナーゼ
O
S-CoA
OH
n
NADH
β-ケトアシル CoA
講義メモ
24
NAD+
S-CoA
α,β-不飽和アシル CoA
（エノイル CoA）
アシル CoA
アセチル CoA アシルトランスフェラーゼ
HS-CoA
O
O
β
H 2O
O
S-CoA
β-ヒドロキシアシル CoA
2．クエン酸回路（クレブス回路，トリカルボン酸回路，TCA cycle）
食物中の脂質，炭水化物，タンパク質から代謝されて生じるアセチル-CoA を酸化的に分解
し，二酸化炭素を生じる過程で ADP を ATP に代え，エネルギーの産生を行う（異化作用）．
クエン酸回路は閉じた連続代謝経路であり，最終生成物が次のサイクルの原料となってい
る．（循環型代謝経路）
脂質
炭水化物
アセチル CoA
エネルギー (ATP)
TCA cycle
CO2
25
タンパク質 (アミノ酸)
TCA サイクルの各段階における反応の概要を以下に示す．一連の反応は 8 種の酵素に触媒
される反応を経て一周する．この時，アセチル CoA 一分子当たり，2 分子の CO2，3 分子
の NADH，1 分子の FADH2，1 分子の GTP（後に 1 分子の ATP に換えられる）が生成する．
NADH および FADH2 は電子伝達系で酸化を受け，9ATP を産生する．（NADH = 2.5ATP,
FADH2 = 1.5ATP）
O
O
H
O
S-CoA
アセチル CoA
O
OH
CO2H
CoA-S
CO2H
H2O
S-CoA
OH
HO
H
CO2H
CO2H
クエン酸
O
O
CO2H
HO2C
OH
CO2H
CO2H
HO
オキサロ酢酸
NADH +H+
O
NAD+
HO2C
CO2H
OH
cis-アコニット酸
CO2H
HO2C
H2O
L-(S)-リンゴ酸
H2O
O
フマル酸
FADH2
NAD+
FAD
HO2C
O
H
HO2C
CO2H
H
H
OH
O
H イソクエン酸
CO2H
HO2C
OH
NADH +H+
CO2H
コハク酸
ATP
GTP
O
HO3PO
N
N
HO2C
ADP
GDP
O
H
CO2H
O
オキサロコハク酸
O
HO P O
O
H N
N
CO2H
O
HO2C
O
HO P OH
O
CoA-S
OH
CoA
CO2
HO2C
CO2H
O
スクシニルCoA
CO2H
CO2H
O
+
NADH +H
26
NAD
+
α−ケトグルタル酸
CO2
1）アセチル CoA とオキサロ酢酸がアルドール反応によりカップリングした後，チオエス
テル部分が加水分解を受けてクエン酸を生じる．（クエン酸シンターゼ）
水素結合
クエン酸シンターゼ
O
N
SCoA
（アセチルCoA)
(His 274)
N
H
H
N
(His 320)
N
O
H
H
触媒活性部位
N
H
O
CO2H
O
HO2C
δ+
エノール化
H
SCoA
CO2H
H
酢酸 オキサリル基
(オキサロ酢酸)
O
(His 274)
N
H
H
δ+
HO2C
N
(His 320)
N
O
(Asp 375)
O
(Asp 375)
O
(His 320)
N
(His 320)
N
N
N
H
H
O
HO2C
H
O
CO2H
(His 274)
N
H
N
H
ケトンへの付加
HO2C
HO2C
SCoA
(His 274)
N
H N
O O
H
δ+
加水分解
H
SCoA
H O
H
(His 274)
N
H N
H
HO2C
HO2C
N
(His 320)
N
O O
HO
H
N
H
HO2C
HO2C
OH O
(His 274)
N
N
H
H
H
SCoA
H
(His 320)
N
H
クエン酸シンターゼ再生
OH
(クエン酸)
O
O
(Asp 375)
(Asp 375)
O
HS-CoA
(補酵素A)
講義メモ
27
O
2）クエン酸の 3 級水酸基が脱離してα,β-不飽和カルボン酸が生じ，次いで，水の 1,4-付
加が起こり水酸基の位置異性体であるイソクエン酸を生じる．（アコニターゼ）
3）イソクエン酸の 2 級水酸基が NAD+によってケトンに酸化され，オキサロコハク酸を生
じる．（NAD+依存性イソクエン酸デヒドロゲナーゼ）
4）オキサロコハク酸（1,3-ジケト構造）の 1 位カルボキシル基が脱炭酸してα-ケトグル
タル酸（オキソ酸）が生じる．
5）α-ケトグルタル酸が NAD+によって酸化的脱炭酸を受けた後，CoA が脱水縮合してス
クシニル CoA（チオエステル）が生じる．（2-オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ複合体）
6）スクシニル CoA の CoA 部分がリン酸で置換され，リン酸無水物となった後，加水分解
を受けてコハク酸が生じる．(スクシニル CoA シンテターゼ=可逆的にコハク酸と CoA か
らスクシニル CoA を合成する酵素でもある)
7）コハク酸が脱水素化を受けてフマル酸を生じる．
（コハク酸デヒドロゲナーゼ）さらに，
フマル酸（α,β-不飽和カルボン酸）に水が 1,4-付加し，L-リンゴ酸が生じる．（フマラー
ゼ）
8）L-リンゴ酸の 2 級水酸基がケトンに酸化され，オキサロ酢酸が生じる．（リンゴ酸デヒ
ドロゲナーゼ）
1）へ戻る．
講義メモ
28
問題１７．β酸化の一連の変換を示し，各段階における酵素名および補酵素の働きを説明
しなさい．
問題１８．TCA サイクルに関する以下の問いに答えなさい．
１．アセチル CoA 一分子から何分子の二酸化炭素が生じますか．
２．アセチル CoA 一分子から何分子の NADH が生じますか．
３．アセチル CoA 一分子から何分子の FADH2 が生じますか．
４．アセチル CoA 一分子から何分子の ATP が生じますか．
電子伝達系を含めるとアセチル CoA 一分子から何分子の ATP が生じますか．
問題１９．TCA サイクルの各中間体の名称と構造を示し，各段階における酵素名および補
酵素名を答えなさい．
問題２０．アセチル CoA とオキサロ酢酸からクエン酸を生成する酵素名を答え，その反応
機構を説明しなさい．
問題２１．フマル酸から L-リンゴ酸を生成する酵素名を答え，その反応機構を説明しなさ
い．
問題２２．スクシニル CoA からコハク酸を生成する酵素名を答え，その反応機構を説明し
なさい．
29
問題２３．脂肪酸のβ-酸化に関する以下の問に答えなさい．
生体内における脂肪酸のβ-酸化は脂質からエネルギーを得るために重要な代謝経路の
一つである．その過程は，脂肪酸が CoA-SH と縮合し，アシル CoA（A）となり，次いで
脱水素化を受けてα,β-不飽和アシル CoA＝エノイル CoA（B）となる．B は水の 1,4-付加
によりβ-ヒドロキシアシル CoA（C）となった後，酸化されてβ-ケトアシル CoA（D）
となり，更に CoA-SH を伴った逆-クライゼン縮合型の反応により 2 炭素減じたアシル CoA
（E）とアセチル CoA（F）に分解される．
O
O
HS-CoA
OH
n
FAD
ATP
B
CoA
n
アシル CoA デヒドロゲナーゼ
A
AMP
FADH2
H 2O
エノイル CoA ヒドラターゼ
繰り返し
O
CoA
n-2
E
チオラーゼ
O
HS-CoA
n
3-ヒドロキシアシル CoA
デヒドロゲナーゼ
O
CoA
NADPH
D
NAD+
OH
O
CoA
n
C
F
１）化合物 B および F の構造を答えなさい．
２）C→D の反応機構を電子の動きを示す矢印で説明しなさい．ただし，酵素の働きは考慮
に入れなくて良いものとし，更に，NAD+ の構造は以下のように略して良い．
CONH2
NAD+
=
N
３）β̶酸化において，n が偶数である場合，脂肪酸は全てアセチル CoA に分解され，TCA
サイクルに組み込まれる．一方，n が奇数である場合，最終的にプロピオニル CoA が余る
こととなる．この余ったプロピオニル CoA は，どの様な変換を受けて TCA サイクルに組
み込まれるのか説明しなさい．
30
【２０】脂溶性ビタミン類（ビタミン A，D，E，K）の構造と生物学的機能
脂溶性ビタミンはすべてイソプレノイド（テルペン）である．
１．ビタミン E（トコフェロール）
芳香環（ヒドロキノン）とイソプレン 4 単位からなる側鎖およびテトラヒドロピラン環
を持つ．疎水性が高く，細胞膜や貯蔵脂質，血中リポタンパク質に取り込まれやすい．生
体内では抗酸化剤として働き，最も活性の高い酸素ラジカルを初めとした種々のフリーラ
ジカルと反応し，酸化を防いでいる．これは分子内にヒドロキノン構造を持つため容易に
酸化されてキノン型に変化するためである．卵や植物中の油中に含まれるが，特に小麦の
胚に多い．欠乏すると，赤血球が破壊されやすくなり，末梢循環障害が生じる．過剰症は
知られていない．
テトラヒドロピラン環
CH3
CH3
O
H3C
O
*
O
H3C
O
HO
CH3
CH3
（キノン型）
(ヒドロキノン型）
トコフェロール
イソプレン（C5単位）
講義メモ
31
２．ビタミン K（フィロキノン，メナキノン）
プロトロンビン前駆体のグルタミン酸残基のα位にカルボキシル基が導入され，プロト
ロンビンを生成する反応のグルタミン酸残基をエノール化させる段階においてビタミン K
依存性カルボキシラーゼの補酵素として働き，その生合成を促進する．プロトロンビンは
血液タンパクフィブリノーゲンのペプチド結合を切断するタンパク質分解酵素である．こ
のため，ビタミン K が欠乏すると血液の凝固が遅くなる．ビタミン K は血液凝固因子の一
つである．明確な反応機構は解明されていないものの，グルタミン酸残基のα-水素を引き
抜き，カルボキシレートを発生させるものと考えられている．
プロトロンビン
プロトロンビン前駆体
HN
HN
HN
CO2
O
O
O
HO2C
グルタミン酸 (Glu)
O
-
OH
O
OH
O
OH
γ-カルボキシグルタミン酸（Gla)
O
OH
CH3
O2
CH3
H2O
O
R
R
ビタミン K ヒドロキノン
O
OH
O
S S
SH SH
CH3
SH SH
R
S S
O
ビタミン K
講義メモ
32
ビタミン K 2,3-エポキシド
３．ビタミン A（レチノール，レチナール，レチノイン酸）
ビタミン A とはニンジンをはじめとする緑黄色野菜に多く含まれる赤色色素，β-カロテン
（プロビタミン A，テトラテルペノイド）から動物の体内（小腸吸収上皮細胞，肝臓，腎
臓）で分解されて生じるジテルペノイド（レチノール，レチナール，レチノイン酸）の総
称である．β-ヨノン環とイソプレノイド鎖が連結した構造を持つ．生成したレチノールは
脂肪酸エステルとして肝臓に貯蔵される． β-カロテンは必要に応じて分解され，ビタミ
ン A に変換されるため，過剰摂取しても問題ないが，ビタミン A そのものを過剰摂取する
と頭蓋内圧亢進症や催奇形性などを引き起こす．このため，妊娠中は魚や動物の肝臓の食
べ過ぎに注意が必要である．
β-カロテン
CO2H
CHO
OH
イソプレノイド鎖
β-ヨノン環
レチノール
レチナール
講義メモ
33
レチノイン酸
生体内での機能
１）目の感光機能に関与．暗所における光の識別をおこなう．（レチナール）
２）遺伝子転写の制御（レチノイン酸）
１）
目の感光機構
レチノールは all-trans 型のレチナールに酸化された後，11-cis 型に変換されオプシンのリ
シン残基と結合して光受容体であるロドプシンとなる．ロドプシンに光が当たると
11-trans 型であるメタロドプシン II に変化し，これが引き金となって視神経が刺激される．
NH2
H
N
Lys 216
O
N
H
オプシン
11
CHO
1
レチノール
all-trans-レチナール
11-cis-レチナール
hν
CHO
15
O
N
NH
HN
メタロドプシン II
N
H
N
ロドプシン
O
N
H
講義メモ
34
眼球の構造と光の進路
瞳孔括約筋
（
交感神経支配，
収縮）
入光量調節
xx
x xx x
xx x
x xx
xx
xx x
光
瞳孔括約筋
網膜
シュレム管
水 晶 体
硝子体
視神経
x xx
x
x xx
x xxxx
x xx
x x
瞳孔散大筋
（
副交感神経支配，
収縮）
入光量調節
毛様体筋
（
副交感神経支配，
収縮）
焦点調節
杆状体 （
明るい時に光を感じる）
錐状体
瞳孔散大筋
（
暗い時に光を感じる）
杆状体細胞における光シグナル伝達機構
杆状体細胞膜に存在するロドプシン（光受容体）に光が当たるとレチナールの 11 位 cis 二
重結合が trans へと異性化する．これが引き金となり，サブユニットである G-タンパク質，
Gt1 が脱離し，GDP が GTP に置換された後，ホスホエステラーゼに結合して活性化する．
活性化されたホスホジエステラーゼは Na+チャネル（開口型）に結合している cGMP を切
断しながら GMP に変える．cGMP が脱離した Na+チャネルはコンホーメーション変化をき
たし，チャネルを閉じて Na+の細胞内流入を抑制する．これにより杆状体細胞は過分極状
態となり，これが刺激となって視神経にシグナルが送られる．
35
２）
遺伝子転写の制御
レチノイン酸は核内受容体に結合し，遺伝子の転写を制御することで上皮細胞の機能維持
などの生理作用を発揮する．
講義メモ
36
４．
ビタミン D（カルシフェロール，エルゴカルシフェロール，コレカルシフ
ェロール）
ビタミン D はビタミン D2 群とビタミン D3 群に分けられる．ビタミン D2（エルゴカルシフ
ェロール，プロビタミン D2）は植物性でエルゴステロールから，ビタミン D3（コレカルシ
フェロール，プロビタミン D3）は動物性で 7-デヒドロコレステロールから紫外線の作用に
よって生合成される．ビタミン D3 は肝臓の P450（NADPH,O2）によって水酸化され，25ヒドロキシビタミン D3 となった後，腎臓の P450（NADPH,O2）によってさらに水酸化を受
け，活性型の 1α,25-ジヒドロキシビタミン D3 となる． プロビタミン D2 は椎茸に，ビタ
ミン D3 は魚類（シラス，シャケ，サンマ，サバなど）の肝臓に多く含まれる．欠乏症とし
ては骨軟化症（小児ではくる病）が知られる．過剰に摂取すると高カルシウム血症が引き
起こされる．
25
H
H
22
21
18
11
19
13
1
9
10
3
20
H
H
hν
14
OH
25
26
17
H
OH
27
H
H
P450, NADPH, O2
P450, NADPH, O2
8
H
腎臓
肝臓
動物中（皮膚）
H
7
HO
3
HO
HO
HO
7-デヒドロコレステロール
OH
1α,25-ジヒドロキシビタミン D3
25-ヒドロキシビタミン D3
ビタミン D3
1
25
H
H
H
OH
H
H
hν
H
H
植物中
H
P450, NADPH, O2
H
P450, NADPH, O2
腎臓
肝臓
HO
3
エルゴステロール
OH
HO
HO
25-ヒドロキシビタミン D2
ビタミン D2
講義メモ
37
HO
1
OH
1α,25-ジヒドロキシビタミン D2
生体内での機能
１）核内受容体に結合し，転写を促進し，小腸粘膜におけるカルシウム結合タンパク質の
生合成を促進することにより，Ca2+の吸収を促進する．
２）骨からの Ca2+の遊離（骨吸収）を促進し，血中 Ca2+濃度を上昇させる．
３）リン酸の吸収や代謝を調節する．
なお，これらの作用に関してはビタミン D2，D3 ともに同じとされている．
講義メモ
38
問題２４．脂溶性ビタミンに関する以下の表を作成しなさい．
ビタミン A
ビタミン D
ビタミン E
ビタミン K
慣用名
構造式
生体内での役割
欠乏症
過剰症
慣用名
構造式
生体内での役割
欠乏症
過剰症
39
問題２５．β-カロテンから生じるビタミン類の名称と構造をすべて示しなさい．
問題２６．ビタミン D3 とビタミン D3 の違いについて説明しなさい．
問題２７．ビタミン E の慣用名と構造を示しなさい．
問題２８．ビタミン K のうちのいずれか一つの慣用名と構造を示しなさい．
問題２９．ビタミン A の摂取に関し，注意すべき点を説明しなさい．
問題３０．ビタミン D の摂取に関し，注意すべき点を説明しなさい．
問題３１．ビタミン K の摂取に関し，注意すべき点を説明しなさい．
問題３２．レチナールの感光機能に関する機構を説明しなさい．
問題３３．ビタミン D3 の活性化の流れについて説明しなさい．
問題３４．コレカルシフェロールがビタミン D3 に変換される課程の反応機構を説明しな
さい．
問題３５．ビタミン D3 の Ca2+吸収促進に関する機構について説明しなさい．
40