二重標識水法 その５ 脂肪酸の完全酸化

今回は、脂肪酸の完全酸化におけるH₂Oの関与について考察してみます。炭素数16の脂肪酸であるパルミチン酸を例にして、先ず、その化学的な燃焼を考えます。その反応式は次のようになります。

C₁₆H₃₂O₂ + 23 O₂ → 16 CO₂ +16 H₂O・・・反応式12

パルミチン酸の酸化が生体で起きる場合には、代謝経路の中間体にH₂Oが取り込まれつつ脱水素反応が起きます。そこで、パルミチン酸の酸化を形式的に二つの反応に分けて表します。まず、パルミチン酸の炭素原子をCO₂に酸化する反応が進行します。

C₁₆H₃₂O₂ +30 H₂O →16 CO₂ + 92 H⁺ + 92 e^－   ・・・反応式13

パルミチン酸がH₂O と反応して、CO₂を生成する過程で脂肪酸からH原子（H・＝ H⁺ + e^－）が取り出されて、H₂OのO原子がCO₂のO原子になります。この過程は、β酸化とクエン酸サイクルが行います。続いて、O₂分子を還元してH₂Oを生成する次の反応が続いて起きます。

92 H⁺ +92 e^－ +23 O₂ → 46 H₂O　　・・・反応式14

この反応は、ミトコンドリアの電子伝達系によって行われ、ATP合成のためのエネルギーが取り出されます。反応式13でH₂Oが30分子使われ、反応式14で46分子できるので、正味16分子のH₂Oが生成します。

図９．脂肪酸の活性化。 A, 脂肪酸の活性化のメカニズム。B, 脂肪酸活性化反応の生成物であるAMP、PP_i 、H⁺、および脂肪酸の解離でできるH⁺からATPとH₂Oが生成することを示す。詳細は注１）参照。https://ja.wikipedia.org/wiki/%CE%92%E9%85%B8%E5%8C%96#/media/File:Activation_of_fatty_acids.pngをベースにして作成。

図10．脂肪酸のβ酸化。パルミチン酸の場合、反応1から4の過程が7回繰り返される。「原書３版　医学のためのコア生化学」D.B. Marks著、伊藤誠二ら訳（丸善）の図を改変。

ところで、このように進行するパルミチン酸の完全酸化も、化学的な燃焼と同じ反応式12で表すことができるはずです。このことを確認しましょう。実際に体内で起きる脂肪酸酸化の化学変化は、図9Aと10で示すように進みます。反応式で表すと次のようです。

①     脂肪酸 + CoA-SH + ATP → アシルCoA + AMP + PP_i + H⁺・・・反応式15

②     アシルCoA（C: n個）+ FAD → trans-Δ²-エノイルCoA + FADH₂

③     trans-エノイル-CoA + H₂O → L-3-ヒドロキシアシルCoA

④     L-3-ヒドロキシアシルCoA + NAD⁺ → 3-ケトアシルCoA + NADH + H⁺

⑤     3-ケトアシルCoA + CoA-SH → アセチルCoA + アシルCoA（C: n₋2個）

   

①の反応式の脂肪酸はカルボキシル基が解離した型（RCOO^－）です。この反応は脂肪酸の活性化で、そのメカニズムを図9Aに示します。先ず、脂肪酸のカルボキシル基がATPのα位リン酸に結合してアシルAMPが中間体として生成してPP_iが遊離します。続いて、CoA-SHのチオール基がアシルAMPのカルボニル炭素を攻撃し、アシルCoAと AMPが生成します。このときチオールからH⁺が遊離します。①の反応を完全に進行させるのは、PP_iのピロホスファターゼによる加水分解で生じるエネルギーです。反応式15だけ見ると、ATPのエネルギーを使って脂肪酸とCoA-SHの間でチオエステル結合を作る反応に見えます。ここで、反応産物のAMP、PP_iおよびH⁺から反応に使われるATPを生成する反応（図9Bに示す）を考えると、①の反応は、カルボキシル基が非解離型の脂肪酸（RCOOH）とCoA-SHとの間で起きる脱水縮合で置き換えることができます。脂肪酸がパルミチン酸の場合、次の化学式のようになります^注１）。

パルミチン酸（RCOOH）+ CoA-SH → パルミトイルCoA + H₂O・・・反応式16

この反応はサイトゾルで行われ、アシルCoAはミトコンドリア内膜を通過し、マトリックスにおいて酸化されます。この酸化は脂肪酸のβ位でおきるのでβ酸化と呼ばれ、上記の②から⑤の反応の繰り返しによって進みます。パルミチン酸の酸化では、パルミトイルCoAから出発し、7回繰り返されます。パルミトイルCoAの酸化のバランス式は次のようになります。

パルミトイルCoA + 7 FAD + 7 NAD⁺ + 7 CoA-SH + 7 H₂O →

     8 アセチルCoA + 7 FADH₂ + 7 NADH + 7 H⁺・・・反応式17

8 アセチルCoAがクエン酸サイクルで代謝される反応は、「二重標識水法（その1）」の反応式６の両辺を8倍して、

8 アセチルCoA +24 NAD⁺ + 8 FAD + 8 GDP +8 Pi + 16 H₂O →

                      　　　　　　16 CO₂ +24 NADH +8 FADH₂ + 8 GTP + 16 H⁺ + 8 CoA-SH

となります。この式と反応式16および17の両辺をそれぞれ加え合わせると、反応式13に対応した式が得られます。

パルミチン酸（RCOOH）+ 31 NAD⁺ + 15 FAD + 8 GDP +8 Pi + 22 H₂O →

                   　　　　　　                 16 CO_２ +31 NADH +15 FADH₂ + 8 GTP + 23 H⁺ 

左辺の8 GDPと8 Piは、次式ように 8 GTPの加水分解反応によって生成します。　

8 GTP + 8 H₂O → 8 GDP +8 Pi + 8 H⁺

これら二つの反応式の両辺をそれぞれ加えると、反応式13に対応した次の式が得られます。

パルミチン酸（RCOOH）+ 31 NAD⁺ + 15 FAD + 30 H₂O →

       16 CO₂ +31 NADH +15 FADH₂ + 31 H⁺・・・反応式18

この反応でできる　31 NADHと15 FADH₂ が電子伝達系を介してO₂を還元してH₂Oを生成します。この反応は、次式のようになります。反応式14に対応する反応です。

31 NADH +15 FADH₂ + 31 H⁺ + 23 O₂ → 31 NAD⁺ +15 FAD + 46 H₂O

これら二つの反応式の両辺をそれぞれ加えると、反応式12になります。これで、脂肪酸の生化学的な酸化が脂肪酸の化学的な酸化（反応式12）と同じであることが確認できました。

次に、脂肪酸の完全酸化で生じるCO₂のOの由来を調べてみます。パルミチン酸の炭素原子が酸化されてCO₂を生成する反応は、形式的に反応式13で表されます。一見、パルミチン酸の2原子のＯとH₂O由来の30原子のＯによって16 CO₂ができるように見えますが、実際はパルミチン酸の由来Ｏは1原子で、あとはすべてH₂Oからです。事実、反応式18で示されるように31 H₂Oが使われます。この点を考慮すると、反応式13を次のように表すことができます。

C₁₆H₃₂O₂ +31 H₂O →15 CＯＯ + COＯ + HHO + 31 H⁺ + 61 H⁺ + 92 e^－

この式のHHOの二つのＨは、反応式16で示されるようにパルミチン酸のカルボキシル基とCoA-SHに由来します。CoA-SHのＨは、アセチルCoAがクエン酸サイクルに入る段階でH₂Oから入るので、H₂O由来です。また、92 e^－は、パルミチン酸のC:H結合およびC:C結合の電子対に由来します。

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注１）図9Bに書かれた化学変化を個別に表すと次のようになります。

(a）脂肪酸カルボキシル基の解離

   脂肪酸（RCOOH）⇌ 脂肪酸（RCOO^－）+ H⁺

(b) 脂肪酸の活性化

脂肪酸（RCOO^－）+ CoA-SH + ATP ⇌ アシルCoA + AMP + PP_i + H⁺

(c) ピロリン酸の加水分解

PP_i + H₂O → 2 HOPO₃^-2

(d) アデニル酸キナーゼによるリン酸基転移

AMP + ATP ⇌ 2 ADP

(e) ミトコンドリアにおけるATP合成酵素の反応

2 ADP + 2 HOPO₃^-2+ 2 H⁺ ⇌ 2 ATP + 2 H₂O

これらすべての式の両辺をそれぞれ足し合わせると、反応式16となります。(b)で使われるATPを、生成物であるAMP、PP_i 、H⁺、および(a)で遊離するH⁺から作るとき、H₂Oが生成します。このH₂Oが反応式16のH₂Oに相当します。実際、図9Aに示すように脂肪酸のカルボキシル基のO 原子がAMPのリン酸基のOとなり、このAMPが代謝される過程でH₂Oが生成します。本文中のカラーで表した化学式においてこのH₂OをHHOで示しました。

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