【授業案】クエン酸回路

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目的

クエン酸回路は一度は覚えなくてはならない合成反応である。その過程を普通に暗記しようと思えば苦痛で仕方がないが、ワークを通して、物質の出入りを感覚的に把握することを目的とする。本来ならば、物質の構造が変化していく様などを構造式と共に学習するべきであるが、あまり詰め込み過ぎても情報過多なので、それは各自で学んでもらうこととする。

復習

呼吸の全体像(解糖系⇒クエン酸回路⇒電子伝達系)。解糖系の流れ。

発題

エネルギー供給源としての細胞小器官、ミトコンドリアではどのような反応が行われているのだろうか。

展開

次の文章はクエン酸回路の合成反応を示したものである。ペーパーを並び替えながら全体像を明らかにしよう。

  1. 解糖系で生じたピルビン酸はミトコンドリアの中に入り、脱水素酵素によって水素が2つ奪われる。そのうち、一つはNAD+と結合しNADHとなり、ひとつはH+として放出される。さらに、脱炭酸酵素によってCO2が1つ奪われ、アセチルCoA(活性酢酸)となる。
  2. アセチルCoAはオキサロ酢酸、H2Oと結合し、クエン酸となる。
  3. クエン酸はいくつかの反応を経てイソクエン酸となる。
  4. イソクエン酸は、脱水素酵素によって水素が2つ、脱炭酸酵素によってCO2が1つ奪われ、α-ケトグルタル酸となる。奪われた水素のうち、一つはNAD+と結合しNADHとなり、ひとつはH+として放出される。
  5. α-ケトグルタル酸は、脱水素酵素によって水素が2つ奪われる。そのうち、一つはNAD+と結合しNADHとなり、ひとつはH+として放出される。さらに、脱炭酸酵素によってCO2が1つ奪われる。また、外部から取り入れられたリン酸と結合する。結合されたリン酸は、ミトコンドリア内にあるGDPと呼ばれる物質に渡され、GTPが生成される。反応後、コハク酸が生成される。
  6. GTPはミトコンドリア内のADPにPi(リン酸)を渡し、自身はGDPに戻る。Piを受け取ったADPはATPとなる。
  7. コハク酸は、脱水素酵素によって水素が2つ奪われ、フマル酸となる。奪われた水素はFADと呼ばれる物質が受け取り、FADH2となる。
  8. フマル酸はH2Oと結合し、リンゴ酸となる。
  9. リンゴ酸は脱水素酵素によって水素が2つ奪われ、オキサロ酢酸となる。奪われた水素のうち、一つはNAD+と結合しNADHとなり、ひとつはH+として放出される。

この全反応において、「入った物質」と「出た物質」を整理しよう。

共有

下の図(少し上のワークより複雑)のようになれば良い。

 

クエン酸回路の全体の式は次の通りである。

C3H4O(ピルビン酸) + 2H2O + ADP + H3PO4 + 4NAD+ + FAD

→ 3CO2 + ATP + 4NADH +4H+ + FADH2

解糖系ではピルビン酸が2つ生成されるので、それに合わせると次の式になる。

2C3H4O(ピルビン酸) + 4H2O + 2ADP + 2H3PO4 + 8NAD+ + 2FAD

→ 6CO2 + 2ATP + 8NADH +8H+ + 2FADH2

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