高校生物 クエン酸回路の収支—炭素の出入りと回路が続く条件を説明する｜武蔵野個別指導塾

クエン酸回路の回転数から生成量を計算し、炭素数の収支だけでは標識原子の行方を決められない理由を考えます。

回路1回転では2個の炭素が入り、合計2個の炭素がCO₂として出ます。ただし、入った炭素がその回転で直ちに放出されたという意味ではありません。4炭素の受容体が再生され、電子を受け取る補酵素も供給されてこそ、回路は続きます。

よくあるのは、回路の入口の炭素が必ず最初にCO₂になると考える場面です。出口の炭素数が入口と同じでも、個々の炭素原子の出身地は別に調べる必要があります。数の帳尻と標識の行方を、別の問いとして追いましょう。

回路の問題で数えるもの

出方の1つは、アセチルCoAの量からCO₂や還元された補酵素の量を求める問題です。1回転の量に回転数を掛けますが、回転数をグルコースの分子数と取り違えると、結果が半分になります。どの段階を数えるかも大切です。入口より前のピルビン酸の酸化でもCO₂が生じるため、回路内の放出と区別します。

2つ目は、回路の中間体に含まれる炭素の出入りを示し、受容体が再生される理由を問う型です。入口で4炭素と2炭素が合わさり、途中で炭素を2個失えば、4炭素に戻れます。これは炭素数の説明であって、放出された原子の由来の説明ではありません。

3つ目は、CO₂の発生量や標識の割合を時間ごとに示す資料です。単位時間当たりの速度と、時間中に生じた合計量を分けます。試料の大きさや回収率が異なれば、数値をそのまま比較できません。条件が与えられていないときは、断定できる範囲を明記します。

4炭素に戻る道と電子の運び手

真核細胞では回路の反応の多くはミトコンドリアのマトリックスで進みます。アセチルCoAが運ぶ2炭素のアセチル基は、4炭素のオキサロ酢酸と結び付き、6炭素のクエン酸になります。その後の反応で2分子のCO₂が放出され、4炭素のオキサロ酢酸が再生されます。CoAはアセチル基の受け渡し後に離れます。

図1のように、炭素の流れと電子を運ぶ補酵素の流れは別です。図の数字は各物質の炭素原子の数で、分子の個数ではありません。回路の途中の化合物をすべて覚える前に、入口、出口、再生の3点を押さえます。

図1の4炭素の受容体は、反応の出発点で使われ、最後に再び作られます。したがって、理想化した1回転の前後で受容体の量は変わりません。受容体が消費されっぱなしなら、次のアセチル基を受け取る相手が減り、同じ回転を続けられません。ただし、実際の細胞では中間体が別の合成にも使われるため、回路の中間体を補う反応も必要です。

回路1回転では、NAD⁺が還元されて3分子のNADHができ、FADから1分子のFADH₂ができます。また、基質レベルのリン酸化によってATPまたはそれと等価なGTPが1分子生じます。NADHとFADH₂はATPそのものではありません。電子を運ぶ還元型の補酵素として電子伝達系につながり、そこで酸化型が再生されます。

酸素は回路の脱炭酸で直接CO₂の炭素になる物質ではありません。好気呼吸では電子伝達系の末端で電子を受け取ります。酸素が不足して電子伝達が進みにくくなると、酸化型の補酵素の再生も滞り、回路を持続しにくくなります。回路の酵素、基質、受容体なども必要で、酸素の有無だけから実際の速度を決めることはできません。

基本例題：回転数から各量を出す

【問題】自作のモデルで、2.0 mmolのグルコースが解糖系を通り、それぞれ2分子のピルビン酸を生じます。全ピルビン酸がアセチルCoAになり、全アセチル基が回路を1回ずつ通ります。回路1回転でCO₂を2分子、NADHを3分子、FADH₂を1分子生じるとします。回路内で生じる各物質の物質量を、有効数字2桁で求めてください。入口前のCO₂は含めません。

まず、グルコース1分子からピルビン酸が2分子、さらにアセチルCoAが2分子できるという対応を使います。1回転はアセチル基1個分なので、グルコース1分子は2回転に対応します。図2のように基準を置けば、いきなりCO₂を4倍する理由も説明できます。

回転数に対応する物質量 = 2.0 mmol・2 = 4.0 mmol
回路内のCO₂ = 4.0 mmol・2 = 8.0 mmol
NADH = 4.0 mmol・3 = 12 mmol
FADH₂ = 4.0 mmol・1 = 4.0 mmol

図2の生成量は回路内に限ります。回路に入る前にはピルビン酸1分子につきCO₂が1分子放出されるので、このモデルの入口前の量は4.0 mmolです。全段階を合わせたCO₂を問うなら、8.0 mmolに4.0 mmolを加えて12 mmolです。設問の範囲が変われば答えも変わります。

検算では、回路に入るアセチル基の炭素が4.0 mmol・2で8.0 mmol、回路から出るCO₂の炭素も8.0 mmolです。再生された受容体の量が前後で等しいというモデルなので、この収支は一致します。これは入り口の各炭素が直ちに出た証明にはなりません。

標準例題：速度と合計量を区別する

【問題】同じ量の試料を用いた自作の資料です。回路由来のCO₂を完全に回収でき、回路以外のCO₂は測定値から除いてあるとします。試料AのCO₂発生速度は0〜5分で毎分0.60 μmol、5〜10分で毎分0.20 μmolです。回路1回転につきCO₂が2分子生じるものとして、10分間に回った量をμmolで求め、小数第2位まで示してください。速度は各区間で一定です。

横軸を時間の分、縦軸をCO₂発生速度のμmol/分とするグラフなら、各区間の長方形の面積が発生量です。縦軸の高さをそのまま足すと、分という時間の基準が消えません。まず各区間の速度に経過時間を掛けます。

前半のCO₂ = 0.60 μmol/分・5分 = 3.0 μmol
後半のCO₂ = 0.20 μmol/分・5分 = 1.0 μmol
10分間のCO₂ = 3.0 μmol + 1.0 μmol = 4.0 μmol
回転に対応する量 = 4.0 μmol/2 = 2.00 μmol

別解では、10分間の平均速度を0.40 μmol/分とし、10分を掛けても4.0 μmolです。求めた2.00 μmolの回転からはCO₂が4.00 μmol生じ、元の合計へ戻ります。速度の低下は読めますが、この資料だけでは低下の原因は決められません。基質の供給不足、補酵素の再生低下、試料の状態変化などが候補になります。

実験として比べるなら、仮説を「酸化型補酵素の供給が低下すると回路の速度が下がる」と置きます。対照と処理群で試料量、温度、測定時間、基質量をそろえ、酸化型補酵素の供給条件を変えます。実際には添加が細胞内へ届くかなども確かめなければ、変化を供給条件に結び付けられません。安全管理を要する操作は学校の指導の下で扱います。

回収漏れや測定装置の背景値は誤差になります。試料のない対照による背景の補正と回収率の確認が必要です。速度が下がったという観察と、補酵素不足が原因という解釈を分け、他の条件の影響を残して結論を書きます。

発展例題：標識の割合を読む

【問題】標識された炭素を含むアセチル基を与えた別の自作資料です。ある時間内に回路由来として回収されたCO₂は合計10.0 μmol、そのうち標識されたCO₂は2.0 μmolでした。CO₂の炭素は1分子当たり1個です。標識CO₂の割合と非標識CO₂の量を求め、割合は百分率、小数第1位まで、量は有効数字2桁で示してください。回収率は標識と非標識で等しく100%とします。

標識CO₂の割合 = 2.0 μmol/10.0 μmol・100 = 20.0%
非標識CO₂ = 10.0 μmol - 2.0 μmol = 8.0 μmol

戻して確かめると、2.0 μmolと8.0 μmolの合計は10.0 μmolです。標識分の2.0 μmolは全量の20.0%にも一致します。標識が出たことは、この測定時間中に標識炭素の一部がCO₂に移ったことを示します。しかし、いつ入ったどの原子が何回転目に出たかは、この合計だけでは決められません。

比較対象として非標識の基質を与えた試料を用い、検出器の背景を調べます。試料量、時間、基質濃度と温度は同じにし、標識の有無を変えます。標識によって反応の振る舞いや回収率が変わらないことも検討します。標識割合が下がっても、CO₂総量が増えれば標識の量自体は増えることがあるため、割合と総量を両方記録します。

誤答から帳簿を直す

「2炭素が入り、2炭素が出るから、入った2炭素が最初の回転ですべて出る」という答えは、数の一致を原子の同一性と取り違えています。回路はもともと4炭素の受容体を持ち、その炭素と新しく入った炭素を含む中間体を経由します。炭素の総数だけでは、CO₂のそれぞれの原子の出身地を指定できません。

図3のように、左の帳簿は炭素の個数、右の問いは標識の行方です。正しい修正は「1回転で2炭素が入り、合計2炭素がCO₂として出る。放出炭素の由来は標識の位置と経路を調べて判断する」です。標識の位置や各段階の情報を与えない問題で、即時放出を断定しないようにします。

もう1つの誤りは、回路で生じたNADHを直接生成されたATPの数に足すことです。図3の考え方と同じく、物質の種類を分けて帳簿に書けば防げます。ATPへの換算が必要なら、その問題で与えられた換算条件を使い、直接生成分と重複させません。条件のない総ATP量を固定値として置かないことも重要です。

練習：条件に戻して確かめる

次の5問はすべて自作です。回路1回転につきCO₂を2分子、NADHを3分子、FADH₂を1分子生じ、受容体の量は前後で等しいとします。各量は非負で、指定の範囲以外の反応は数えません。

1. 3.0 mmolのアセチルCoAが回路を通るとき、回路内のCO₂とNADHは各何mmolですか。有効数字2桁で答えてください。
2. グルコース0.75 mmolからアセチルCoAが2倍の物質量だけでき、すべて回路を通ります。回路内のFADH₂をmmolで、有効数字2桁で答えてください。
3. ある試料では回路由来のCO₂発生速度が最初の4分間は毎分0.50 μmol、次の2分間は毎分1.0 μmolで一定でした。6分間の回転に対応する量をμmolで、小数第1位まで求めてください。
4. 回収したCO₂が合計16 μmol、そのうち標識CO₂が4.0 μmolでした。標識割合を百分率の整数で求め、非標識の量を有効数字2桁のμmolで答えてください。回収率は両者とも100%です。
5. 回路内のCO₂が6.0 mmol、回路を通ったアセチルCoAが4.0 mmolだったとする資料があります。上のモデルと両立しますか。理由を述べてください。

答えと考え方

1. CO₂は6.0 mmol、NADHは9.0 mmolです。3.0 mmolにそれぞれ2と3を掛けます。逆に6.0/2と9.0/3はいずれも3.0 mmolで、同じ回転量へ戻ります。
2. アセチルCoAは0.75・2で1.5 mmolです。1回転につきFADH₂は1分子なので、答えは1.5 mmolです。答えを1分子当たりに戻すと、アセチルCoAと同じ1.5 mmolになります。
3. 前半は0.50・4で2.0 μmol、後半は1.0・2で2.0 μmolです。合計4.0 μmolの半分で、回転に対応する量は2.0 μmolです。2.0 μmolの回転からCO₂が4.0 μmol生じ、区間別の合計と一致します。
4. 4.0/16・100で25%、16 − 4.0で12 μmolです。4.0と12を足せば16 μmolに戻り、標識量は総量の4分の1です。割合だけでなく、非標識の量も確かめました。
5. 両立しません。4.0 mmolがすべて回路を通ればCO₂は8.0 mmolのはずで、示された6.0 mmolとは一致しないためです。逆算では6.0/2で3.0 mmol分の回転になります。測定漏れや条件の違いは考えられますが、この資料だけで原因は決められません。

覚えておくこと

1回転で2炭素が入り、CO₂として合計2炭素が出ます。 4炭素の受容体が再生され、次の入口につながります。 NADHとFADH₂は電子を運び、酸化型への再生が回路を支えます。 炭素数の収支だけから標識原子の出身地は決まりません。

どこで道を取り違えたか

計算が合わないときは、まず答案の数字に「グルコース当たり」「アセチル基当たり」「回路内」という基準が付いているか確かめます。次に、1回転に相当する量を独立した行に書いてから係数を掛けると、2回転への換算漏れを見つけやすくなります。個別指導では、求めた値を逆算して元の条件に戻せるか、口頭でも確認します。

標識の問題では、色を付けた炭素の位置を資料から特定できるか尋ねます。位置が不明なら、総数と由来を分けて説明できるかを確かめます。回路の一周は、炭素の帳尻と原子の経路を別々に追うことで見えてきます。