二重標識水法 その４ グルコースの完全酸化を究める （その2）の続き

今回は、グルコースの完全酸化で生じるCO₂のOの由来についての話です。話の切り出しに、（その１）の反応式を再掲します。

C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O → 6 CO_２ + 24 H⁺ + 24 e^-   ・・・反応式２

この式からは、グルコースとH₂OからのOを1原子ずつ使ってCO_２が生成するように見えます。それで、(その１)の記事で「グルコースの好気的酸化においては、反応式２の過程でH₂OのO原子1個がCO_２に取り込まれますが、・・・」と書いてしまいましたが、これは正しくないことに気づきました。結論を先に述べると、6 CO_２のうち、4CO_２はグルコースとH₂OからのOを、2CO_２はすべてH₂OからOを使って生成します。8分子のH₂Oが使われることになって反応式２の左辺と会いませんが、解糖系でグルコース由来のHとOを使って2分子のH₂Oが生成するので矛盾しません。解糖系で炭素骨格から遊離した分のH₂Oがクエン酸サイクルのフマラーゼの反応で炭素骨格に戻されることになります。この点を考慮して反応式２を、次のよう表すと現実に近いことになります。

C₆H₁₂O₆ + 8 H₂O → 4 COO + 2 COO + 2 H₂O  + 16 H⁺ + 8 H⁺ + 24 e^-・・・反応式11

CO_２のO原子の由来は、（その３）の「４水の役割」に書きました。それを繰り返しつつ話を進めます。CO_２のO原子の由来をたどりやすくするために、（その１）の図3に炭素骨格の変化と代謝経路で取り込まれたOの行方をハイライトしました。これを図7に示します。

図7．代謝中間体の炭素骨格の変化と、代謝経路で取り込まれたOの行方。

　①   反応6において P_i（HOPO₃^2－）のO原子1個が1,3‐ビスホスホグリセリン酸のカルボキシル基のOとなり、ピルビン酸のカルボキシル基のOとなります。このカルボキシル基のもう一つのOはグルコース由来です。ピルビン酸の酸化的脱炭酸反応（反応11）によってカルボキシル基からCO_２ができます。

② 反応12において シトリルCoAの加水分解で使われるH₂OのO原子は、クエン酸のカルボキシル基に入ります。同じカルボキシル基のもう一つのOはグルコース由来です。このカルボキシル基は、コハク酸のカルボキシル基となり、次のサイクルで代謝されるてCO_２になります。

③   反応16によって、 P_iのO原子1個がスクシニルリン酸のリン酸と結合したカルボキシル基のOとなり、コハク酸を生成します。カルボキシル基のもう一方のOは、前回のサイクルで反応18によって生成したリンゴ酸のOH基に由来します。このカルボキシル基は、次のサイクルにおいてCO_２になります。

④   反応18によって H₂Oがフマル酸の二重結合に付加されてリンゴ酸のOH基となり、リンゴ酸が脱水素されてオキサロ酢酸のケト基になります。このケト基は、次のサイクルでコハク酸のカルボキシル基になり、さらに次のサイクルにおいてCO_２になります。

①と②で生成する CO_２には、それぞれP_iとH₂Oから1原子ずつOが取り込まれ、③の反応16と④の反応18で取り込まれたO原子が同じCO_２分子に取り込まれます。したがって、ピルビン酸が代謝されて3分子の CO_２を生成する過程で、4分子のH₂Oが使われるので、グルコース1分子から6分子の CO_２を生成するのに8分子のH₂Oが使われます。この際、反応6と16のPiの反応はH₂Oの反応に相当するとみなします。このことは、(その1)で説明しました。

　最後に、コハク酸の2つのカルボキシル基の形成とCO_２の生成についてまとめておきます。図7に示すように、一方のカルボキシル基は②において、また他方のカルボキシル基は③において説明したようして作られます。2つのカルボキシル基は立体的に区別できません。そのため、オキサロ酢酸になったとき、ケト基の隣にどちらのカルボキシル基がくるかは確率1/2です。このようなことが起きますが、オキサロ酢酸の2つのカルボキシル基はクエン酸サイクルに入ると、反応14と15によってCO_２になります。

今回は、前回のブログで端折っておいた（その３）の「４水の役割」についてまとめてみました。図3を完璧に理解するには、クエン酸サイクルの反応の立体特異性に留意する必要があります。それ故、以下に付録を書きました。

付録

クエン酸合成酵素によってアセチルCoAとオキサロ酢酸からクエン酸ができる反応(反応12)では、前者のアセチル基のメチル炭素が後者のカルボニル基と縮合します。このときメチル炭素がオキサロ酢酸のカルボニル炭素を求核攻撃する向きが決まっているので、反応が立体特異的に進みます。その結果、アセチルCoAのアセチル基が、図8の説明にあるようにクエン酸をフィッシャー投影式(図8D)で表すと、上側の-CH₂COO^-になります。

図8．クエン酸合成酵素の反応の立体特異性。(A)反応前の状態。基質オキサロ酢酸のカルボニル基とこれに結合する二つのC-C結合は平面上にある。面の下側からアセチルCoAのメチル炭素がカルボニルと縮合する。(B)反応後の構造。縮合の結果、中心の炭素原子との間の4つの結合は正四面体の頂点の方向を向き、-OHと-COO^-は面より上方、二つの-CH₂COO^-は下方になる。 (C) Bに示す構造を、-OHと-COO^-が紙面の上方に、二つの-CH₂COO^-が下方にくるように表す。(D) 同じ構造をフィッシャー投影で表す。横棒が紙面の上方に来る。

クエン酸には-CH₂COO^-が対称な位置（図8Dでは上と下）にあるため、一般の化学反応では、-CH₂COO^-で化学変化が起きる場合二つの-CH₂COO^-は区別されません。しかし、アコニターゼが触媒する酵素反応によってイソクエン酸ができる場合には、一方のみで反応が起きます。その理由は、クエン酸が酵素に結合したとき二つの-CH₂COO^-の向きが定まり、その一方（図8Dのクエン酸では下側の-CH₂COO^-）で反応が起きるからです。

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