【キャラ化】クエン酸回路(TCAサイクル)をわかりやすく解説！
クエン酸回路って、何がどうなっているの？
どうしてクエン酸回路があるの？
答えはここに！
(画像を使って説明するので読み込みに時間がかかる場合があります😮)
このサイトで説明すると、こんな感じになります😊
ここからは、クエン酸回路の中で具体的にどんなことが起こっているのかご紹介していきますね。
「初級編」は、高校生物の授業レベルです。
「中級編」は、専門学生や大学生レベルになります。
簡単に言うと、
・解糖系などの代謝の後、酸素がある時に進むことができるルート
・この回路の中でNADHやFADH2など、エネルギーの素を効率よく作る
それがクエン酸回路です！
「TCAサイクル」、「TCA回路」、「トリカルボン酸回路」、「クレブス回路」とも呼ばれます。
高校の授業ではクエン酸回路という言葉が使われているので、基本事項としてこのページではクエン酸回路で統一していきたいと思います。
クエン酸回路では、酵素のはたらきによっていくつかの物質に変化していきます。
準備：
教科書の、一番最初の部分を説明しますね。
この段階はまだクエン酸回路に入る準備の段階です。
グルコース（ブドウ糖）が分解される「解糖系」では最後、ピルビン酸になりますよね。
その後、ピルビン酸はミトコンドリアのマトリックスへ入っていきます。
そこでは、ピルビン酸は脱水素酵素により水素(H2)を奪われます。
また、脱炭酸酵素により二酸化炭素(CO2)を奪われます。
その後、活性酢酸(アセチルCoA)になります。
水素(H2)はその場にスタンバイしているNAD+にくっつくので、NADH+H+ができます。
「NADH+H+」とは、「NADHとH+」という意味です。
ちなみに教科書の「C3」とか「C2」というのは、炭素の数です。
アセチルCoAの分子式はC23H38N7O17P3Sなので炭素が大量にありますが、ここではCoAのC21H36N7O16P3Sを数に入れていないので、C2になります。詳しくは→【クエン酸回路の反応まとめ】
ここから先がいよいよ「クエン酸回路」がのスタートです！😄
活性酢酸(アセチルCoA)はオキサロ酢酸、水と結合します。
するとクエン酸が出来上がります。
クエン酸はイソクエン酸になります。
梅干しが食べられて種になったイメージです！
「イソ(iso)」は、「同じ」という意味です。クエン酸もイソクエン酸も分子式は(C6H8O7)なので、ほぼ同じようなものです。
※α-ケトグルタル酸は、本によっては「2-オキソグルタル酸」と書かれている場合があります。
この時、水素(H2)が外れ、NADH+H+と二酸化炭素が生まれます。
④コハク酸(C4H6O4)になる
ここの部分、ちょっと難しいですよね。
わかりやすくすると、こんな感じになります🎵
・α-ケトグルタル酸にリン酸がくっつき、二酸化炭素が外れます。
・その後、水素が外れてNAD+にくっつきNADH+H+が生成されます。
・さらにリン酸が外れてGDPにくっつき、GTPが生成されます。
・その後、GTPのリン酸が移動してATPが生成されます。
参考書によってはGTPが省略されて直接ATPを作るように書かれているものもたまに見ますが、クエン酸回路ではGTPが生まれます。→ATPって？
「コハク酸」は、「琥珀」という宝石から見つかったからそう名づけられたらしいですよ。
ということで、コハク酸をイメージした木のイラストの幹をコハク色にしてみました✨
コハク酸はフマル酸に変化します。
この時、FADH2が生まれます。
コハク酸の木に花が咲いたイメージです😊
しかし花が地面に落ちてフマれそうです。
フマル酸は水と結合してリンゴ酸になります。
水をやると、リンゴっぽい実がなりましたね！
リンゴ酸はオキサロ酢酸になります。
この時、水素(H2)が外れてNADH+H+が生成されます。
木になったりんごっぽい実をツボに漬けて置き去りにします。さてどうなる？
梅ツボに入れたリンゴの実は、アセチルCoAと水と結合して見事クエン酸になりました！
そしてこのイラスト、見覚えがありますね？！そうです、最初に戻りました！
一周してまたクエン酸になったので、同じルートでループ🌀します。
ただし全く同じものが永遠に回り続けるわけではなく、分解された材料が使われていっているので、新しく入ってきた物質を交えながら回っています。
クエン酸回路のゴールは「一周回ってクエン酸になること」ではなく、「エネルギーを作ること」です。なので、この後はNADHやFADH2が次のルートへ進むことになります。
次のルートは「電子伝達系」です。
C3H4O3+2H2O+ADP+H3PO4+4NAD++FAD→3CO2+ATP+4NADH+4H++FADH2
「解糖系で1つのグルコースから
2C3H4O3+4H2O+2ADP+2H3PO4+8NAD++2FAD→6CO2+2ATP+8NADH+8H++2FADH2
「カラー図解生化学ノート」P82より引用しますね。
クエン酸（クエン酸）
急いで（イソクエン酸）
蹴飛ばし（α-ケトグルタル酸）
怖くなり（コハク酸）
踏まれた（フマル酸）
リンゴを（リンゴ酸）
置き去りに（オキサロ酢酸）
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クエン酸回路が
ミトコンドリアのマトリックスの中で行われます。
上の図のピンク色の部分です。ミトコンドリアの中の中です。落花生で例えると、ナッツの部分です。
そもそも、
最初にも少し述べましたが、ATPになるNADHやFADH2、GTPを効率よく作るためです。少ない材料を使って、できるだけ多くのエネルギーを作ろうとしています。
また、「解糖系の次の経路」として存在するだけではなく、脂肪やタンパク質が分解した後、それをエネルギーにするための経路になったり、次の場所へ運んだりする役割があるので、ロータリーのような存在でもあります。
尚(先にも述べたかもしれませんが)、クエン酸回路では直接ATPをつくることはありません。
確認クイズ！
ここまでが基本事項なので、身に付いたかどうかの確認です😀
1️⃣ クエン酸回路で生成される、ATPの素になるものは、主に「NADH+H」と「GTP」と何？→答え
2️⃣クエン酸回路で、フマル酸の次になる物質は？→答え
3️⃣クエン酸が生成される時は、アセチルCoAとオキサロ酢酸と何が結合した？ →答え
4️⃣クエン酸回路でピルビン酸1分子が分解される時、CO2は何分子放出される？→答え
5️⃣ クエン酸回路はどこで起こる？→答え
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ちなみに
よく、「運動した後や疲れた時に梅干しやレモンを食べたら元気になる」と言いますよね。
これはクエン酸の効果に期待しているからです。
クエン酸とは、酸味のある有機化合物で、薬局などでも買うことができます。
ただし、クエン酸が疲労を回復するという科学的根拠はありません。
高校を卒業すると、呼ばれ方がいきなり「TCAサイクル」になるパターンが多くなります。
なぜでしょうね？専門家っぽいから？
具体的に
構造式と、使われる酵素名、物質の動きをまとめてみました😉
高校の授業には出てこなかった「シス-アコニット酸」、「オキサロコハク酸」、「スクシニルCoA」が出てきましたね。
シス-アコニット酸のイメージは「梅干しを食べているシスター」、オキサロコハク酸のイメージは「置き去りにされた琥珀と梅干しの種」、スクシニルCoAは、「スクスク育つ梅干しの芽」です😆
前半と後半で、
ピルビン酸からα-ケトグルタル酸までの反応と、α-ケトグルタル酸からオキサロ酢酸までの反応が似ていることに、気が付きましたか？
不思議ですよね。
・ピルビン酸デヒドロゲナーゼ
・クエン酸シンターゼ
・イソクエン酸デヒドロゲナーゼ
・α-ケト酸デヒドロゲナーゼ
の反応が不可逆反応を示します。
ただし、オキサロコハク酸からイソクエン酸になる時もイソクエン酸デヒドロゲナーゼを使っていますが、この場合は戻ることができます。
NADH+HからNAD+に
不可逆反応によってNADH+HからNAD+に戻れない場所は、「ピルビン酸-アセチルCoAの間」と「スクシニルCoA-αケトグルタル酸の間」になります。
いかがでしたでしょうか。
ストーリーとキャラクターを見ながら一つひとつ見ていくと、なんとなくイメージとして記憶に残りやすくなると思います😋
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関連記事はコチラ
➜ サイトのもくじ【ATP関連】
どうしてクエン酸回路があるの？
答えはここに！
(画像を使って説明するので読み込みに時間がかかる場合があります😮)
🔶クエン酸回路
テキストの図
【初級】高校生物より
【中級】生化学より
このサイトで説明すると、こんな感じになります😊
ここからは、クエン酸回路の中で具体的にどんなことが起こっているのかご紹介していきますね。
「初級編」は、高校生物の授業レベルです。
「中級編」は、専門学生や大学生レベルになります。
もくじ
⭐初級編
クエン酸回路とは？
クエン酸回路の循環
まとめの図
反応式
クエン酸の覚え方(ゴロ)
クエン酸回路が行われる場所は？
そもそも、なぜクエン酸回路が存在するの？
確認クイズ
⭐中級編
酵素・分子式・構造式
前半と後半で、物質の動きがそっくり！
不可逆反応を示す酵素
⭐初級編
クエン酸回路とは？
クエン酸回路の循環
まとめの図
反応式
クエン酸の覚え方(ゴロ)
クエン酸回路が行われる場所は？
そもそも、なぜクエン酸回路が存在するの？
確認クイズ
⭐中級編
酵素・分子式・構造式
前半と後半で、物質の動きがそっくり！
不可逆反応を示す酵素
⭐初級編
クエン酸回路とは？
簡単に言うと、
・解糖系などの代謝の後、酸素がある時に進むことができるルート
・この回路の中でNADHやFADH2など、エネルギーの素を効率よく作る
それがクエン酸回路です！
「TCAサイクル」、「TCA回路」、「トリカルボン酸回路」、「クレブス回路」とも呼ばれます。
高校の授業ではクエン酸回路という言葉が使われているので、基本事項としてこのページではクエン酸回路で統一していきたいと思います。
クエン酸回路の循環
クエン酸回路では、酵素のはたらきによっていくつかの物質に変化していきます。
準備：
ピルビン酸(C3H4O3)が
アセチルCoA(C23H38N7O17P3S)に
なる
教科書の、一番最初の部分を説明しますね。この段階はまだクエン酸回路に入る準備の段階です。
グルコース（ブドウ糖）が分解される「解糖系」では最後、ピルビン酸になりますよね。
その後、ピルビン酸はミトコンドリアのマトリックスへ入っていきます。
そこでは、ピルビン酸は脱水素酵素により水素(H2)を奪われます。
また、脱炭酸酵素により二酸化炭素(CO2)を奪われます。
その後、活性酢酸(アセチルCoA)になります。
汗散るイケメンは俺のこと！
水素(H2)はその場にスタンバイしているNAD+にくっつくので、NADH+H+ができます。
「NADH+H+」とは、「NADHとH+」という意味です。
ちなみに教科書の「C3」とか「C2」というのは、炭素の数です。
アセチルCoAの分子式はC23H38N7O17P3Sなので炭素が大量にありますが、ここではCoAのC21H36N7O16P3Sを数に入れていないので、C2になります。詳しくは→【クエン酸回路の反応まとめ】
ここから先がいよいよ「クエン酸回路」がのスタートです！😄
①クエン酸(C6H8O7)になる
活性酢酸(アセチルCoA)はオキサロ酢酸、水と結合します。
するとクエン酸が出来上がります。
なんで俺がシワシワの梅干しの姿に?!
②イソクエン酸(C6H8O7)になる
クエン酸はイソクエン酸になります。
梅干しが食べられて種になったイメージです！
「イソ(iso)」は、「同じ」という意味です。クエン酸もイソクエン酸も分子式は(C6H8O7)なので、ほぼ同じようなものです。
イッソ、こっちの種がクエン酸なのでは？(違う)
③α-ケトグルタル酸(C5H6O5)になる
※α-ケトグルタル酸は、本によっては「2-オキソグルタル酸」と書かれている場合があります。
この時、水素(H2)が外れ、NADH+H+と二酸化炭素が生まれます。
種を植えたら、芽が生える夢を見た！夢だケド、夢じゃなかった！
喜びのグルグルダンス！
喜びのグルグルダンス！
④コハク酸(C4H6O4)になる
ここの部分、ちょっと難しいですよね。わかりやすくすると、こんな感じになります🎵
・α-ケトグルタル酸にリン酸がくっつき、二酸化炭素が外れます。
・その後、水素が外れてNAD+にくっつきNADH+H+が生成されます。
・さらにリン酸が外れてGDPにくっつき、GTPが生成されます。
・その後、GTPのリン酸が移動してATPが生成されます。
参考書によってはGTPが省略されて直接ATPを作るように書かれているものもたまに見ますが、クエン酸回路ではGTPが生まれます。→ATPって？
琥珀(こはく)
「コハク酸」は、「琥珀」という宝石から見つかったからそう名づけられたらしいですよ。
ということで、コハク酸をイメージした木のイラストの幹をコハク色にしてみました✨
⑤フマル酸(C4H4O4)になる
コハク酸はフマル酸に変化します。
この時、FADH2が生まれます。
コハク酸の木に花が咲いたイメージです😊
しかし花が地面に落ちてフマれそうです。
イターイ
あっごめーん！でもそんなところにいたらフマレルわよ。
⑥リンゴ酸(C4H6O5)になる
フマル酸は水と結合してリンゴ酸になります。
水をやると、リンゴっぽい実がなりましたね！
⑦オキサロ酢酸(C4H4O5)になる
リンゴ酸はオキサロ酢酸になります。
この時、水素(H2)が外れてNADH+H+が生成されます。
木になったりんごっぽい実をツボに漬けて置き去りにします。さてどうなる？
⑧最初のクエン酸(C6H8O7)に戻る
梅ツボに入れたリンゴの実は、アセチルCoAと水と結合して見事クエン酸になりました！
そしてこのイラスト、見覚えがありますね？！そうです、最初に戻りました！
一周してまたクエン酸になったので、同じルートでループ🌀します。
ただし全く同じものが永遠に回り続けるわけではなく、分解された材料が使われていっているので、新しく入ってきた物質を交えながら回っています。
クエン酸回路のゴールは「一周回ってクエン酸になること」ではなく、「エネルギーを作ること」です。なので、この後はNADHやFADH2が次のルートへ進むことになります。
次のルートは「電子伝達系」です。
まとめの図
反応式
ピルビン酸1分子からの反応
ピルビン酸+2つの水+ADP+リン酸+4NAD++FAD→3つの二酸化炭素+ATP+4NADH+4つの水素+FADH2C3H4O3+2H2O+ADP+H3PO4+4NAD++FAD→3CO2+ATP+4NADH+4H++FADH2
「解糖系で1つのグルコースから
2個のピルビン酸ができ、
その後の反応」
と考えた場合
2C3H4O3+4H2O+2ADP+2H3PO4+8NAD++2FAD→6CO2+2ATP+8NADH+8H++2FADH2クエン酸回路の覚え方(ゴロ)
「カラー図解生化学ノート」P82より引用しますね。
クエン酸（クエン酸）
急いで（イソクエン酸）
蹴飛ばし（α-ケトグルタル酸）
怖くなり（コハク酸）
踏まれた（フマル酸）
リンゴを（リンゴ酸）
置き去りに（オキサロ酢酸）
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やさしく書かれているし、デザインが可愛いのでオススメ♪
看護師さん向けの本です。
看護師さん向けの本です。
クエン酸回路が
行われる場所は？
ミトコンドリアのマトリックスの中で行われます。
上の図のピンク色の部分です。ミトコンドリアの中の中です。落花生で例えると、ナッツの部分です。
そもそも、
なぜクエン酸回路が存在するの？
最初にも少し述べましたが、ATPになるNADHやFADH2、GTPを効率よく作るためです。少ない材料を使って、できるだけ多くのエネルギーを作ろうとしています。
また、「解糖系の次の経路」として存在するだけではなく、脂肪やタンパク質が分解した後、それをエネルギーにするための経路になったり、次の場所へ運んだりする役割があるので、ロータリーのような存在でもあります。
尚(先にも述べたかもしれませんが)、クエン酸回路では直接ATPをつくることはありません。
確認クイズ！
ここまでが基本事項なので、身に付いたかどうかの確認です😀
1️⃣ クエン酸回路で生成される、ATPの素になるものは、主に「NADH+H」と「GTP」と何？→答え
2️⃣クエン酸回路で、フマル酸の次になる物質は？→答え
3️⃣クエン酸が生成される時は、アセチルCoAとオキサロ酢酸と何が結合した？ →答え
4️⃣クエン酸回路でピルビン酸1分子が分解される時、CO2は何分子放出される？→答え
5️⃣ クエン酸回路はどこで起こる？→答え
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ちなみに
「クエン酸」とは？
よく、「運動した後や疲れた時に梅干しやレモンを食べたら元気になる」と言いますよね。
これはクエン酸の効果に期待しているからです。
クエン酸とは、酸味のある有機化合物で、薬局などでも買うことができます。
ただし、クエン酸が疲労を回復するという科学的根拠はありません。
⭐中級編
高校を卒業すると、呼ばれ方がいきなり「TCAサイクル」になるパターンが多くなります。
なぜでしょうね？専門家っぽいから？
具体的に
どんなことが起こっている？
構造式と、使われる酵素名、物質の動きをまとめてみました😉
高校の授業には出てこなかった「シス-アコニット酸」、「オキサロコハク酸」、「スクシニルCoA」が出てきましたね。
シス-アコニット酸のイメージは「梅干しを食べているシスター」、オキサロコハク酸のイメージは「置き去りにされた琥珀と梅干しの種」、スクシニルCoAは、「スクスク育つ梅干しの芽」です😆
前半と後半で、
物質の動きがそっくり！
ピルビン酸からα-ケトグルタル酸までの反応と、α-ケトグルタル酸からオキサロ酢酸までの反応が似ていることに、気が付きましたか？
不思議ですよね。
不可逆反応を示す場所
・ピルビン酸デヒドロゲナーゼ
・クエン酸シンターゼ
・イソクエン酸デヒドロゲナーゼ
・α-ケト酸デヒドロゲナーゼ
の反応が不可逆反応を示します。
ただし、オキサロコハク酸からイソクエン酸になる時もイソクエン酸デヒドロゲナーゼを使っていますが、この場合は戻ることができます。
NADH+HからNAD+に
戻れない場所がある
不可逆反応によってNADH+HからNAD+に戻れない場所は、「ピルビン酸-アセチルCoAの間」と「スクシニルCoA-αケトグルタル酸の間」になります。
いかがでしたでしょうか。
ストーリーとキャラクターを見ながら一つひとつ見ていくと、なんとなくイメージとして記憶に残りやすくなると思います😋
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➜ サイトのもくじ【ATP関連】
