高校生物 ピルビン酸の酸化—脱炭酸と補酵素の還元を回路の入口で確かめる｜武蔵野個別指導塾

ピルビン酸の脱炭酸で生じるCO₂とNADHを数え、グルコース基準への換算を炭素保存で確かめられます。

ピルビン酸1分子からアセチルCoAが1分子できるとき、CO₂が1分子放出され、NAD⁺が1分子還元されてNADHになります。よくあるのは、脱炭酸はクエン酸回路だけで起こると考える場面です。回路に入る前にも炭素が1個外れることを、反応の場所と物質の数を対応させて確かめます。

何を基準に問われるか

出題の型の1つは、ピルビン酸の物質量からCO₂、アセチルCoA、NADHの量を求めるものです。反応した量と最初に加えた量が違う場合があるので、まず「何molが実際に反応したか」を読み取ります。途中で残ったピルビン酸を生成物に含めてはいけません。

2つ目は、グルコースを基準に換算するものです。解糖系でグルコース1分子からピルビン酸2分子が生じ、その両方が入口の反応を通るという条件なら、入口の反応は2回起こります。グルコースの量にいきなり入口の1対1の比を掛けると、半分になります。

3つ目は、量の時間変化や条件を変えた資料から、入口の反応をどこまで推定できるかを問うものです。CO₂は他の反応からも生じうるため、その測定値を入口の反応量とするには、他の由来がないという条件が必要です。条件が不足していれば、答えを無理に1つに決めないことも答案です。

3個の炭素と電子の行き先

真核細胞では、細胞質基質の解糖系で生じたピルビン酸がミトコンドリアに入り、主にマトリックスで酸化されます。この反応でできたアセチルCoAのアセチル基がクエン酸回路に渡されます。回路そのものの反応と、その手前の反応は続いていますが、同じ段階ではありません。

図1のように、炭素3個を持つピルビン酸から炭素1個分がCO₂として外れ、残る炭素2個のアセチル基が補酵素A、すなわちCoAに結び付きます。この炭素の帳簿では、左側の3個と右側の1個と2個が一致します。CoAはアセチル基の受け渡しに関わる担い手であり、もとのピルビン酸の炭素2個そのものではありません。

図1の物質の矢印と、NAD⁺がNADHになる矢印を分けて読みます。脱炭酸は炭素を含む部分がCO₂として外れること、酸化は電子を失うことです。ピルビン酸由来の物質が酸化される一方、電子を受け取ったNAD⁺は還元されます。NADHは電子を運ぶ形であり、CO₂の炭素を運ぶ物質として数えません。

反応の収支を簡略に書くと、ピルビン酸とCoAとNAD⁺から、アセチルCoAとCO₂とNADHが生じます。厳密な水素イオンの表記は省いた概略です。この段階でATPが直接1分子生じるという意味ではありません。NADHが後の電子伝達に関わることと、この反応でATPを直接数えることを区別します。酸素はこの入口の概略式の直接の反応物としては書きませんが、NAD⁺の再生を含む呼吸全体が続く条件には関わります。

分子数と炭素数も別の量です。ピルビン酸1分子からアセチルCoA1分子が生じても、アセチル基の炭素数は3個から2個に減ります。また、CO₂の1分子という数は炭素原子1個分に対応します。分子の数が保たれるから炭素数も同じだと考えると、外へ出た炭素を見落とします。

基本例題：入口を通った量から数える

自作の条件です。ピルビン酸3.0 mmolがすべて酸化され、示した入口の反応以外にCO₂もNADHも生じないとします。生成するアセチルCoA、CO₂、NADHの物質量と、アセチル基およびCO₂に含まれる炭素原子の物質量を求めてください。答えは有効数字2桁でmmolを単位として示します。

図2のように、反応したピルビン酸を1として、3種類の生成物をそれぞれ1と置きます。係数は分子の比なので、同じ比を物質量にも使えます。炭素原子を数える欄は別に設け、アセチル基には1分子当たり2個、CO₂には1分子当たり1個と書きます。

図2の矢印を式に直すと次のとおりです。

アセチルCoA = 3.0 mmol・1 = 3.0 mmol
CO₂ = 3.0 mmol・1 = 3.0 mmol
NADH = 3.0 mmol・1 = 3.0 mmol
アセチル基の炭素 = 3.0 mmol・2 = 6.0 mmol
CO₂の炭素 = 3.0 mmol・1 = 3.0 mmol

答えはアセチルCoA、CO₂、NADHが各3.0 mmol、炭素原子はそれぞれ6.0 mmolと3.0 mmolです。元のピルビン酸中の炭素原子は3.0 mmol・3で9.0 mmolです。生成物側も6.0 mmolと3.0 mmolを合わせて9.0 mmolとなり、炭素が保存されています。NADHの量が同じでも、その数を炭素の合計に足してはいけません。

逆向きの確認もできます。CO₂が3.0 mmol生じたなら、ほかにCO₂源がないという条件の下で、入口を通ったピルビン酸は3.0 mmolです。ただし、実験でCO₂だけが測られていて他の反応を除外できない場合、この逆算は使えません。計算の式と、その式を使える条件を一緒に書くことが大切です。

標準例題：グルコースと未反応分を分ける

自作の条件です。グルコース4.0 mmolが解糖系を通り、生じたピルビン酸のうち75 %が入口で酸化されました。ほかの経路や蓄積による増減は考えません。入口の反応で生じたCO₂とNADH、残ったピルビン酸を、有効数字2桁でmmol単位にして求めてください。

まずグルコース1分子からピルビン酸2分子ができるので、ピルビン酸は8.0 mmolです。その75 %が反応したことを使います。割合をグルコースに直接掛けても反応したグルコース相当量は出ますが、ピルビン酸の量に直す係数2を忘れてはいけません。

ピルビン酸の生成量 = 4.0 mmol・2 = 8.0 mmol
入口で反応した量 = 8.0 mmol・0.75 = 6.0 mmol
未反応の量 = 8.0 mmol - 6.0 mmol = 2.0 mmol
CO₂ = NADH = 6.0 mmol

答えはCO₂とNADHが各6.0 mmol、残ったピルビン酸が2.0 mmolです。逆に、反応分6.0 mmolと残存分2.0 mmolを足すと、解糖系で生じた8.0 mmolに戻ります。炭素でも、入口の生成物に6.0 mmol・3、残存分に2.0 mmol・3があるので合計24 mmolです。これはグルコース4.0 mmol中の炭素4.0 mmol・6に一致します。

別解では、グルコースの75 %に相当する3.0 mmolが入口まで進んだと換算し、そこからピルビン酸の係数2を掛けて6.0 mmolとします。この表現は分子ごとの経路を観察したという意味ではなく、与えられた割合を物質量に適用した計算上の換算です。実際には生じたピルビン酸の一部が別の経路へ進む可能性もあり、問題の仮定なしに残量を決めることはできません。

発展例題：時間の資料から速度を読む

次の表は実測値ではなく、考えるために作った資料です。学校の指導の下で、同じ量のミトコンドリアを含む試料にピルビン酸を加え、他のCO₂源がない条件で入口由来のCO₂の累積量を測るとします。温度、試料量、測定時間、液量をそろえ、ピルビン酸を加えない対照も置きます。対照の値は各時点で0.0 mmolとします。

0〜4 minと4〜6 minの平均生成速度を、それぞれ有効数字2桁のmmol/minで求めてください。また、遅くなった原因をこの表だけで決められるか答えてください。縦軸にCO₂の累積量 mmol、横軸に時間 minを置くと、2区間の傾きが平均速度です。面積当たりや試料の質量当たりには直していません。

0〜4 minの速度 = (2.4 - 0.0) mmol / 4 min = 0.60 mmol/min
4〜6 minの速度 = (3.0 - 2.4) mmol / 2 min = 0.30 mmol/min

それぞれ0.60 mmol/min、0.30 mmol/minです。速度に各区間の時間を掛けると、増加量2.4 mmolと0.60 mmolに戻ります。入口由来という条件の下では反応したピルビン酸の平均量も同じ数値ですが、直接測ったのはCO₂であり、反応量は比からの推定です。後半の傾きは小さいものの、各区間内の瞬間速度が一定だったとは限りません。

仮説として、基質の減少やNAD⁺の供給不足を考えられます。しかしこの表だけではどちらかに決まりません。例えば基質の残量とNAD⁺の状態を別に測り、それぞれの条件を変えた試料と変えない対照を比較します。変える条件以外の温度や試料量をそろえ、繰り返しのばらつきも調べます。気体の漏れ、溶液に残るCO₂、測定器のずれは過小評価などの原因になります。対照は背景の変化を調べますが、試料側だけの漏れまで自動的に補正するわけではありません。

もし対照にもCO₂の増加があれば、同じ時点の対照値を試料値から差し引き、その差の変化から速度を計算します。ただし背景が両者で等しいという仮定が必要です。対照が試料より大きく、補正値が負になった場合は入口反応が負に進んだと解釈せず、ばらつきや背景の不一致を調べます。時間の取り違えや装置の故障で測定値が欠けた場合も、欠けた区間の速度を勝手に補いません。

間違いを炭素の帳簿で直す

誤答として「回路の前にはCO₂は出ず、ピルビン酸の炭素3個がそのままアセチル基になる」と書いたとします。原因は、回路と入口を一続きの矢印にして、途中で失われる炭素を書き込まなかったことです。図3のように入口に分岐を描けば、3個のうち1個がCO₂、残り2個がアセチル基だと修正できます。

図3では、左の誤りの炭素数と右の正しい分岐を比べます。脱炭酸が回路の中にもあるという知識と、入口にもあるという知識は両立します。回路内のCO₂を入口のCO₂と足す問題なら、各段階で何回反応したかを別々に数えます。

別の誤答は「NAD⁺が酸化されてNADHになる」です。原因は、酸化されるピルビン酸由来の物質と、電子を受け取る補酵素を混同したことです。NAD⁺は電子を受け取って還元される、と矢印に書き直します。さらに、NADHの生成量からATP量を一意に決めようとするのも誤りです。換算に必要な条件が与えられていなければ、NADHの量までで答えを止めます。

練習：5つの条件を読み分ける

次はすべて自作の条件です。各問題で入口の反応はピルビン酸、CO₂、アセチルCoA、NADHが1対1対1対1とし、ほかの反応は明示した場合を除いて考えません。

1. ピルビン酸5.0 mmolがすべて入口で反応しました。CO₂とNADHの量、および生じたアセチル基中の炭素原子の量を、有効数字2桁でmmol単位にして求めてください。
2. グルコース6.0 mmolから生じたピルビン酸の半分が入口で反応しました。生じたアセチルCoAと未反応のピルビン酸を、有効数字2桁でmmol単位にして求めてください。
3. 入口由来のCO₂が7.2 mmol生じました。反応したピルビン酸に最初から含まれていた炭素原子の量と、アセチル基に残る炭素原子の量を、有効数字2桁でmmol単位にして求めてください。
4. 入口由来のCO₂の累積量が、1 minで0.40 mmol、4 minで1.9 mmolでした。この区間の平均速度を有効数字2桁のmmol/minで求め、同じ区間の入口の反応量をmmolで答えてください。
5. ある試料の全CO₂生成量は8.0 mmolですが、入口以外の反応からの量は測っていません。入口の反応量を一意に求められますか。入口以外のCO₂が2.0 mmolだったという追加条件がある場合も答えてください。量は有効数字2桁のmmolで示します。

解答と考え方

1. CO₂とNADHは各5.0 mmol、アセチル基の炭素原子は10 mmolです。5.0 mmolのピルビン酸は炭素原子15 mmolを含み、生成物の炭素は10 mmolと5.0 mmolで15 mmolに戻ります。
2. ピルビン酸は6.0 mmol・2で12 mmol生じます。半分の6.0 mmolが反応するので、アセチルCoAは6.0 mmol、残りも6.0 mmolです。両者を足すと12 mmolに戻ります。
3. 反応したピルビン酸は7.2 mmolです。炭素原子は最初に7.2 mmol・3で22 mmol、アセチル基には7.2 mmol・2で14 mmolです。丸める前の21.6 mmolは14.4 mmolとCO₂中の7.2 mmolに分かれます。丸めた後の値を使って保存を判定せず、途中の桁を保ちます。
4. 増加量は1.9 − 0.40で1.5 mmol、時間は4 − 1で3 minです。平均速度は1.5 mmol / 3 minで0.50 mmol/min、反応量は1.5 mmolです。0.50 mmol/minに3 minを掛けると測定された増加量に戻ります。
5. 一意には求められません。例えば入口由来が6.0 mmolで残りが2.0 mmolでも、入口由来が5.0 mmolで残りが3.0 mmolでも全量は8.0 mmolです。追加条件があれば8.0 − 2.0で入口由来は6.0 mmol、反応したピルビン酸も6.0 mmolです。6.0と2.0を足すと観測値8.0 mmolに戻ります。

覚えておくこと

• 入口でピルビン酸の炭素3個はCO₂の1個とアセチル基の2個に分かれます。
• 反応1回でNAD⁺が還元され、NADHが1分子できます。
• グルコース基準では、入口を通ったピルビン酸の量を先に求めます。
• CO₂測定からの逆算には、入口以外の寄与を除く条件が必要です。

つまずいた場所を探す

炭素数は合うのにNADHの量が合わない場合は、炭素原子の数と分子の数を同じ欄に書いていないか確かめます。両方が半分になる場合は、グルコース1分子からピルビン酸2分子への換算を指で追います。答えが負になる場合は、引いた背景量や反応割合が問題の条件と両立するかを先に調べます。

個別指導では、反応前の炭素3個を丸で描き、CO₂とアセチル基へ振り分けた後、別の色や記号でNAD⁺からNADHへの電子の移動を説明してもらいます。次に、未反応分を含む数値を元の投入量へ戻し、どの条件が逆算を支えるかを言葉にします。入口の1回を数えられれば、回路へ渡る量も根拠を持って追えます。