【キャラ化】電子伝達系・酸化的リン酸化をわかりやすく説明!
電子伝達系とは、一言でいうと電子のチカラをつかってATPを作るしくみのことです！
電子伝達系でATPが作られる時、酸化的リン酸化が行われています！
じゃあどうやって？！さっそく見ていきましょう♪
「初級編」では、高校生物の授業レベルで説明します。
「中級編」では、専門学生や大学生向けに補足を加えますね。
解糖系やクエン酸回路では、NADHやFADH2という物質が複数つくられましたよね。
これらは「電子伝達体」なので、その名の通り電子を伝達(移動)させることができます。
電子を伝達させたら、さぁどうなるでしょう？
ズバリ、ATPができます！
つまり、電子を動かしてATPをつくる仕組みが、電子伝達系です。
「水素伝達系」「呼吸鎖」と呼ばれることもあります。
電子伝達系はミトコンドリアの中で行われます。(クエン酸回路もミトコンドリアの中で行われましたよね。)
具体的には、マトリックス内に存在する水素イオン(H+)が、「内膜」を通過して「膜間腔(まくかんくう・まくかんこう)」へ出て行ったり、戻って来たりします。
膜間腔とは、ミトコンドリアの内膜と外膜の間の部分のことです。
ミトコンドリア内膜には、特殊な酵素「複合体Ⅰ」「複合体Ⅱ」「複合体Ⅲ」「複合体Ⅳ」「複合体Ⅴ」が存在します。
複合体Ⅰ～Ⅳは、電子を受け渡す橋のようなものです。
複合体ⅤはATP生成工場のようなものです。
→ATPとは？
電子伝達系では、最初に電子が複合体Ⅰへ引き渡されます。
NADHは、NAD自身が持っている電子と、水素が持っている電子を、合わせて2つ解き放ちます。
電子は水素イオン(H＋)と引き合う性質があります。
そのためNADHの水素イオン(H＋)は分離して、電子と一緒に複合体へ入っていきます。
この時、水素イオンだけがミトコンドリアの膜間腔に出ていきます。
ついでにマトリックスに元々存在しているフリーの水素イオン(H＋)も電子に引き付けられて膜間腔へ移動します。
→【なんで「＋」が付くの？】
電子は複合体Ⅱには入らずに複合体Ⅲへ移動します。
複合体Ⅲでは、水素が2分子膜間腔へ移動します。【「複合体Ⅲで水素が4分子移動する」と習った方へ】
するとここでも電子に釣られて水素が移動します。
複合体Ⅳでは、電子、水素、酸素が引き合い水が2分子生成されます。水はそのままマトリックス内へ戻ります。
更に4つのH＋が膜間腔へ出ていきます。
さてさて、膜間腔に水素イオンが増えましたね。
この時、膜間腔の水素イオン濃度は高くなっており、マトリックスの中にある水素イオン濃度は低くなっています。
濃度を均等にするために、複合体Ⅴから水素イオンがマトリックスへ放出されます。
水素イオンが複合体Ⅴを通ってマトリックスに移動しようとする時、エネルギーが生じるのですが、この時にマトリックス内にあるリン酸がADPにくっついてATPが生じます。
これが酸化的リン酸化です。
1つのNADHにつき、ATPを2.5分子生成します。※多くのテキストには四捨五入されて3分子と書かれています。
最初にNADHから電子と水素イオンが離れましたよね。これが正に「NADHが酸化された」状態です。
そして最終的にADPが"リン酸化"したので、「酸化的リン酸化」と呼ばれています。
FADH2もNADHとほとんど同じ働きをします。
NADHと違うところは、最初、複合体Ⅱからスタートするということと、ATPを2分子(厳密には1.5分子)しか作らないことです。
複合体Ⅱでは水素イオンが移動しません。よって水素が移動するのは複合体ⅢとⅣのみになります。
・電子伝達系では、電子伝達体(NADHやFADH2)の電子の動きによって水素イオンがミトコンドリア膜間腔へ移動する。しかし濃度の差により水素イオンはミトコンドリアマトリックスへ戻る。このときATPが生じる。
・このように、電子の動きを利用してADPがリン酸化する仕組みを酸化的リン酸化と呼ぶ。
Citric acid cycle:クエン酸回路／Complex:複合体／Electron:電子／Ubiquinone:ユビキノン／Cyt c:シトクロムc／Pi:無機リン酸
逆に膜間腔の水素濃度が高くなってマトリックスへ戻る時は受動輸送です。受動輸送は濃度を均一にする時に行われる輸送だからです。→能動輸送と受動輸送の違い
NAD＋の正式名称はニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(Nicotinamide Adenine Dinucleotide) と言います。
FADはフラビンアデニンジヌクレオチド（Flavin Adenine Dinucleotide)といいます。
どちらも補酵素(酵素を補助するもの)であり、電子伝達体です。
NAD+、FAD両方とも、このままの状態だと「酸化型」であり、これに水素が付けば「還元型」となります。
モデルはナナカマド博士とプラターヌ博士でした😝
「初級編」よりも一歩進んだ重要ポイントをまとめますね。
・複合体Ⅰでは水素が4つ移動します。
・電子が複合体ⅠからⅢへ移動する時、「ユビキノン(コエンザイムQ)」が使われます。
・電子が複合体ⅢからⅣへ移動する時「シトクロムc」が使われます。シトクロムcは電子を1つずつ運びます。
・複合体Ⅲでは水素は2つ移動します。
・複合体Ⅳでは、水素は4つ移動します。そして水が2分子できます。
・複合体Ⅴでは、1つの水素がADPを移動させ、3つの水素がATPを生成させます。(厳密には細胞質基質からミトコンドリア内への輸送に1H+が使われ、消費されています。)
・NADHからはATPが2.5分子生成されます。
・FADH2からはATPが1.5分子生成されます。
」ではⅢ=2H、Ⅳ=4Hと説明されています。
・複合体Ⅰ:NAD-ユビキノン還元酵素
・複合体Ⅱ:コハク酸-ユビキノン還元酵素
・複合体Ⅲ:ユビキノン-シトクロムｃ還元酵素
・複合体Ⅳ:シトクロムｃ酸化酵素
・複合体Ⅴ:ATPシンターゼ
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➜ サイトのもくじ【ATP関連】
電子伝達系でATPが作られる時、酸化的リン酸化が行われています！
じゃあどうやって？！さっそく見ていきましょう♪
🔶電子伝達系・リン酸化
「初級編」では、高校生物の授業レベルで説明します。
「中級編」では、専門学生や大学生向けに補足を加えますね。
Contents
⭐初級編
電子伝達系とは？
反応が起こる場所
NADHの場合
なぜ"酸化的"リン酸化なの？
FADH2の場合
まとめ
能動輸送なの？受動輸送なの？
NAD+、FADとは？
⭐中級編
要点まとめ
複合体の正式名称
⭐初級編
電子伝達系とは？
反応が起こる場所
NADHの場合
なぜ"酸化的"リン酸化なの？
FADH2の場合
まとめ
能動輸送なの？受動輸送なの？
NAD+、FADとは？
⭐中級編
要点まとめ
複合体の正式名称
⭐初級編
電子伝達系とは？
解糖系やクエン酸回路では、NADHやFADH2という物質が複数つくられましたよね。
これらは「電子伝達体」なので、その名の通り電子を伝達(移動)させることができます。
電子を伝達させたら、さぁどうなるでしょう？
ズバリ、ATPができます！
つまり、電子を動かしてATPをつくる仕組みが、電子伝達系です。
「水素伝達系」「呼吸鎖」と呼ばれることもあります。
僕のトゲデマルにも、その電子を動かすことができるのかなぁ？
反応が起こる場所
電子伝達系はミトコンドリアの中で行われます。(クエン酸回路もミトコンドリアの中で行われましたよね。)
具体的には、マトリックス内に存在する水素イオン(H+)が、「内膜」を通過して「膜間腔(まくかんくう・まくかんこう)」へ出て行ったり、戻って来たりします。
膜間腔とは、ミトコンドリアの内膜と外膜の間の部分のことです。
ミトコンドリア内膜には、特殊な酵素「複合体Ⅰ」「複合体Ⅱ」「複合体Ⅲ」「複合体Ⅳ」「複合体Ⅴ」が存在します。
複合体Ⅰ～Ⅳは、電子を受け渡す橋のようなものです。
複合体ⅤはATP生成工場のようなものです。
複合体Ⅴだけがおいどんを作ってくれるんスね！
→ATPとは？
NADHの場合
電子が複合体Ⅰへ移動する
電子伝達系では、最初に電子が複合体Ⅰへ引き渡されます。
NADHは、NAD自身が持っている電子と、水素が持っている電子を、合わせて2つ解き放ちます。
電子につられて水素イオンも移動する
電子は水素イオン(H＋)と引き合う性質があります。
そのためNADHの水素イオン(H＋)は分離して、電子と一緒に複合体へ入っていきます。
この時、水素イオンだけがミトコンドリアの膜間腔に出ていきます。
ついでにマトリックスに元々存在しているフリーの水素イオン(H＋)も電子に引き付けられて膜間腔へ移動します。
水素イオンくんたちは電子を追っているが、膜間腔に出て行ってしまうのだ。
→【なんで「＋」が付くの？】
電子が複合体Ⅲへ移動する
電子は複合体Ⅱには入らずに複合体Ⅲへ移動します。
複合体Ⅲでは、水素が2分子膜間腔へ移動します。【「複合体Ⅲで水素が4分子移動する」と習った方へ】
電子が複合体Ⅳへ移動する
するとここでも電子に釣られて水素が移動します。
複合体Ⅳでは、電子、水素、酸素が引き合い水が2分子生成されます。水はそのままマトリックス内へ戻ります。
更に4つのH＋が膜間腔へ出ていきます。
電子は複合体Ⅴへは移動せずに、Ⅳから出ていくのだ。
膜間腔の水素イオンがマトリックスへ帰る
さてさて、膜間腔に水素イオンが増えましたね。
この時、膜間腔の水素イオン濃度は高くなっており、マトリックスの中にある水素イオン濃度は低くなっています。
濃度を均等にするために、複合体Ⅴから水素イオンがマトリックスへ放出されます。
水素イオンが複合体Ⅴを通ってマトリックスに移動しようとする時、エネルギーが生じるのですが、この時にマトリックス内にあるリン酸がADPにくっついてATPが生じます。
これが酸化的リン酸化です。
1つのNADHにつき、ATPを2.5分子生成します。※多くのテキストには四捨五入されて3分子と書かれています。
なぜ"酸化的"リン酸化なの？
酸化とは、物質に酸素がくっつくことをいいますが、一方で電子や水素イオンが離れることも「酸化」と言います。最初にNADHから電子と水素イオンが離れましたよね。これが正に「NADHが酸化された」状態です。
そして最終的にADPが"リン酸化"したので、「酸化的リン酸化」と呼ばれています。
FADH2の場合
FADH2もNADHとほとんど同じ働きをします。
NADHと違うところは、最初、複合体Ⅱからスタートするということと、ATPを2分子(厳密には1.5分子)しか作らないことです。
僕の電子は複合体Ⅰには入らないよ。
複合体Ⅱでは水素イオンが移動しません。よって水素が移動するのは複合体ⅢとⅣのみになります。
まとめ
・電子伝達系では、電子伝達体(NADHやFADH2)の電子の動きによって水素イオンがミトコンドリア膜間腔へ移動する。しかし濃度の差により水素イオンはミトコンドリアマトリックスへ戻る。このときATPが生じる。
・このように、電子の動きを利用してADPがリン酸化する仕組みを酸化的リン酸化と呼ぶ。
Citric acid cycle:クエン酸回路／Complex:複合体／Electron:電子／Ubiquinone:ユビキノン／Cyt c:シトクロムc／Pi:無機リン酸
能動輸送なの？受動輸送なの？
水素が電子を追って膜間腔へ移動する時は能動輸送です。電子がなければ膜間腔へ移動しないためです。逆に膜間腔の水素濃度が高くなってマトリックスへ戻る時は受動輸送です。受動輸送は濃度を均一にする時に行われる輸送だからです。→能動輸送と受動輸送の違い
NAD+、FADとは？
NAD＋の正式名称はニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(Nicotinamide Adenine Dinucleotide) と言います。
FADはフラビンアデニンジヌクレオチド（Flavin Adenine Dinucleotide)といいます。
どちらも補酵素(酵素を補助するもの)であり、電子伝達体です。
NAD+、FAD両方とも、このままの状態だと「酸化型」であり、これに水素が付けば「還元型」となります。
モデルはナナカマド博士とプラターヌ博士でした😝
⭐中級編
「初級編」よりも一歩進んだ重要ポイントをまとめますね。
・複合体Ⅰでは水素が4つ移動します。
・電子が複合体ⅠからⅢへ移動する時、「ユビキノン(コエンザイムQ)」が使われます。
・電子が複合体ⅢからⅣへ移動する時「シトクロムc」が使われます。シトクロムcは電子を1つずつ運びます。
・複合体Ⅲでは水素は2つ移動します。
・複合体Ⅳでは、水素は4つ移動します。そして水が2分子できます。
・複合体Ⅴでは、1つの水素がADPを移動させ、3つの水素がATPを生成させます。(厳密には細胞質基質からミトコンドリア内への輸送に1H+が使われ、消費されています。)
・NADHからはATPが2.5分子生成されます。
・FADH2からはATPが1.5分子生成されます。
◆複合体Ⅲで水素が4分子移動すると習った方へ
参考書によっては「複合体Ⅲで水素が4つ移動、Ⅳで2つ移動」と記載されているものもありますが、それについては議論されており現在の生化学では未だはっきりしていません。「南江堂 シンプル生化学 改定第6版
」ではⅢ=2H、Ⅳ=4Hと説明されています。複合体の正式名称
・複合体Ⅰ:NAD-ユビキノン還元酵素
・複合体Ⅱ:コハク酸-ユビキノン還元酵素
・複合体Ⅲ:ユビキノン-シトクロムｃ還元酵素
・複合体Ⅳ:シトクロムｃ酸化酵素
・複合体Ⅴ:ATPシンターゼ
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