解糖系 解糖系の概要

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解糖系

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/05/11 16:13 UTC 版)

解糖系

種類

解糖系にはいくつかの種類がある。

• エムデン-マイヤーホフ経路（EM経路）
• エントナー-ドウドロフ経路（ED経路）
• ペントースリン酸経路（PP経路）

このなかで、最も一般的なものがエムデン-マイヤーホフ経路であり我々のよく知る真核生物や嫌気性の真正細菌においては全てこの経路がとられている。エントナー-ドウドロフ経路は好気性の真正細菌でよく見られる。ペントースリン酸経路は、その目的のために解糖系に含まれない場合もある。また、古細菌では変形EM経路、変形ED経路という以下に述べるものとは細部の異なるものが個々の種によって選択されている。エムデン-マイヤーホフ経路は、エムデン-マイヤーホフ-パルナス経路（EMP経路）とも呼ばれる。

エムデン-マイヤーホフ経路

エムデン-マイヤーホフ経路（以下EM経路）は、真核生物、嫌気性真正細菌の糖代謝系である。EM経路では10数種類の酵素が関与しており、無酸素状態でもエネルギー通貨であるATPを生産することが可能である。

好気性の生物では好気呼吸の初段階として用いられているが、その場合はピルビン酸まで反応が進み、そこからクエン酸回路に入ることとなる。逆に無酸素状態であればピルビン酸は乳酸といった有機酸やエタノールなどに変化する。これはピルビン酸を乳酸に還元することでEM回路を続行するのに必要なNAD⁺などを補うためである。発酵過程はこの解糖系で発生している（乳酸発酵、エタノール発酵など）。

また、好気性の生物でも過剰な運動などによりクエン酸回路の能力を超えたATPが必要になった場合に解糖系によるATP合成が活発になりクエン酸回路で処理しきれないピルビン酸が生成され、過剰なピルビン酸が乳酸に変換されるため結果的に血中乳酸濃度が上昇する。長らく筋線維への乳酸の蓄積が運動後の筋肉痛の原因であると信じられてきたが、近年では筋線維への微細な損傷が筋肉痛の主な原因であるという考え方が主流となってきている（英語版WikipediaのLactic Acidを参照）。

ATPの収支については、反応では4分子のATPが生成されるものの、グルコースやフルクトース6リン酸のリン酸化のために2分子のATPが消費されるので、都合グルコース1分子当たりでは2分子のATPが生成されることになる。また電子伝達系に用いられるNADHは2分子の生産となる。

変形EM経路

一部の古細菌（テルモコックス綱やメタノコックス綱。共に嫌気性ユリアーキオータ）が使用するEM経路に類似する代謝系である。EM経路と比較してグリセルアルデヒド3-リン酸からホスホグリセリン酸への経路がバイパスされる点が大きく異なる。このため、この系で本来生み出されるATPが生成されないが、ホスホエノールピルビン酸の脱リン酸化の際に、ADPではなくAMPが消費され、ATPが生み出されるため、総合的な収支としては通常のEM経路に等しい。なお、ホスホエノールピルビン酸の脱リン酸化の際に使用されるAMPは、グルコース及びフルクトース6リン酸のリン酸化のために、ATPではなくADPが消費されることによって供給される。この点でも異なっている。

エントナー-ドウドロフ経路

エントナー-ドウドロフ経路（以下ED経路）は好気性の真正細菌によく見られる代謝系である。関与している酵素の数は少なく5種類程度である^[1]。この系も無酸素状態で稼動する。

EM経路と同様グルコース1分子あたりピルビン酸2分子を生じ、無酸素状態の場合は乳酸やエタノールを生産する。ただし、ATPの収支ではグルコース1分子辺りATP1分子とEM経路よりも少なく、系が単純な分やや効率は悪い。ただしNADPHを1分子（およびNADHも1分子）生産する。

古細菌では、好気性のものや、一部の嫌気性クレンアーキオータがED経路を備えている。しかし、グルコースのリン酸化を伴わない、または一部の経路がリン酸化せずに進行するため、非リン酸化ED経路、部分リン酸化ED経路などと呼ばれている。

段階	反応物	生成物	酵素	反応のタイプ
1	グルコース +ATP	グルコース-6-リン酸 + ADP	ヘキソキナーゼ (EC 2.7.1.1)	リン酸化
2	グルコース-6-リン酸 (G6P) + NADP+	6-ホスホグルコノ-1,5-ラクトン+ NADPH + H+	グルコース-6-リン酸デヒドロゲナーゼ (EC 1.1.1.49)	酸化
3	6-ホスホグルコノ-1,5-ラクトン + H2O	6-ホスホグルコン酸	6-ホスホグルコノラクトナーゼ(EC 3.1.1.31)	水和反応
4	6-ホスホグルコン酸	2-ケト-3-デオキシ-6-ホスホグルコン酸(KDPG) + H2O	ホスホグルコン酸デヒドラターゼ (EC 4.2.1.12)	脱水反応
5	2-ケト-3-デオキシ-6-ホスホグルコン酸	ピルビン酸 + グリセルアルデヒド-3-リン酸	KDPGアルドラーゼ (EC 4.1.2.14)	脱離反応

ペントースリン酸経路

詳細は「ペントースリン酸経路」を参照

ペントースリン酸経路（以下PP経路）は、エネルギー生産系よりはむしろ物質生産を目的としている系である。脂質、リグニンの生産に必要なNADPHや、核酸の生合成に必要なデオキシリボース・リボースといったペントースの生成に関係している。植物ではEM経路とPP経路が存在しているが、解糖のうち30%程度はPP経路に回っていると考えられている。なお、解糖系とその両端が接続されており、解糖系の一部とあわせて回路を形成していることから、ペントースリン酸回路とも呼ばれる。

過程

解糖系とクエン酸回路。

解糖系では細胞質基質で1分子のグルコースから2分子のピルビン酸が生成し、ミトコンドリア内で行われるクエン酸回路に引き渡す。グルコースからピルビン酸までに経る物質を以下に記す。

• グルコース
• グルコース-6-リン酸
• フルクトース-6-リン酸
• フルクトース-1,6-ビスリン酸
• ジヒドロキシアセトンリン酸 ※
• グリセルアルデヒド-3-リン酸 ※
• 1,3-ビスホスホグリセリン酸
• 3-ホスホグリセリン酸
• 2-ホスホグリセリン酸
• ホスホエノールピルビン酸
• ピルビン酸

※ジヒドロキシアセトンリン酸とグリセルアルデヒド-3-リン酸は平衡の関係にある。

準備期

解糖系前半の5ステップは準備期 (preparatory phase)と呼ばれる。準備期では2当量のATPが投入され、グルコースから最終的にグリセルアルデヒド3-リン酸 (G3P)への変換が行われる。

段階1: グルコースのリン酸化

ΔG'°= -16.7 kJ/mol

準備期の最初のステップでグルコースは、ヘキソキナーゼ (hexokinase、EC 2.7.1.1)と呼ばれる酵素によってリン酸化される。ATPがリン酸基の供与体であり、γ-リン酸基がグルコースのC-6位に転移され、グルコース 6-リン酸(glucose 6-phosphate、G6P)が生成される。この反応はMg²⁺を必要とする。

ヘキソキナーゼにはいくつかのアイソザイム (isozyme)が存在する。アイソザイムとは、同じ反応を触媒するが、コードされている遺伝子の異なる酵素のことである。哺乳類の組織にはヘキソキナーゼと呼ばれるアイソザイムが4種類（ヘキソキナーゼI,II,III,IV）存在し、それぞれグルコースに対する親和性 (K_m値)に差がある。ヘキソキナーゼI, II, IIIのK_m値は10^-6Mであるが、ヘキソキナーゼIV、別名グルコキナーゼ (glucokinase)のK_m値はずっと大きく10^-2 Mほどもある。理由は、グルコキナーゼが担う役割による。 グルコキナーゼは肝細胞に多く存在する。普通、血中のグルコース濃度はグルコキナーゼのグルコースに対するK_mより低いためグルコキナーゼは十分に働かない。この場合はヘキソキナーゼのほかのアイソザイムが反応を触媒する。しかし、グルコース濃度が高くなればグルコキナーゼは活性を発揮しだす。グルコキナーゼが飽和することはまずないので、肝細胞のグルコース濃度が著しく高くなっても、スムーズに解糖経路やグリコーゲン合成経路に送ることができる。^[2]

細胞内のグルコース濃度は細胞外より低濃度に保たれているが、これは細胞外へのグルコースの流出を防ぎ、細胞内への膜輸送を促進するためである。

段階2: グルコース 6-リン酸の異性化

ΔG'°= 1.7 kJ/mol

２つ目のステップでは、グルコース-6-リン酸イソメラーゼ (glucose-6-phosphate isomerase、EC 5.3.1.9、別名ホスホヘキソースイソメラーゼ(phosphohexose)、ホスホグルコースイソメラーゼ(phosphohexose isomerase))により、グルコース 6-リン酸がフルクトース 6-リン酸 (Fructose 6-phosphate、F6P)に変換される。この反応もMg²⁺を必要とする。この反応は自由エネルギー変化が小さいためどちらの方向にも進みうるが、フルクトース 6-リン酸は次のステップでどんどん不可逆的に消費されているので逆反応は起こり辛い。

グルコース-6-リン酸イソメラーゼは、グルコース 6-リン酸のαアノマー（α-D-グルコピラノース 6-リン酸）に優先的に結合して環を開けた後、アルドースからケトースへと転換する。^[3]

段階3: フルクトース 6-リン酸のリン酸化

ΔG'°= -14.2 kJ/mol

３つ目のステップでは、ホスホフルクトキナーゼ-1 (phosphofructokinase-1、EC 2.7.1.11)がATPのリン酸基をフルクトース 6-リン酸のC1ヒドロキシ基に転移させてフルクトース 1,6-ビスリン酸 (fructose 1,6-bisphosphate、F1,6BP)を生成する。この反応もMg²⁺を必要とする。この反応は不可逆で、糖新生の際は別の経路を使わなければならない。また、この反応は解糖系の重要な調節点である。 なぜホスホフルクトキナーゼ-1の活性調節が重要かというと、解糖系のすべての基質がこの反応から合流するからだ。解糖系の基質はグルコースだけでなく、フルクトース、マンノースなどのグルコースのほかのヘキソースもある。これらのヘキソースは、それぞれの経路でフルクトース6リン酸になることで、この反応から解糖系に入ることが可能だ。 また、この反応は解糖系独自の段階として初めのものというのも理由として挙げられる。解糖系の段階1、段階2で合成されるグルコース 6-リン酸とフルクトース 6-リン酸はほかの経路でも消費されるが、フルクトース 1,6-ビスリン酸は解糖経路でしか代謝されない。そのため、この段階の調節は解糖系のみを操作することにつながる^[3]。

ほとんどすべての植物、そしてある種原生動物や細菌では、同じ反応を触媒する酵素としてピロリン酸依存ホスホフルクトキナーゼ (Pyrophosphate dependent phosphofructokinase、PFP、PPi-PFK)を使うことがわかっている。この酵素はフルクトース 1,6-ビスリン酸の合成においてATPではなくピロリン酸(PPi)を使用する。

段階4: 開裂

ΔG'°= 23.8 kJ/mol

解糖系の最初の3つの反応はフルクトース1,6ビスリン酸を開裂させ、2当量の異なるトリオースリン酸を作り出すための準備である。このステップでは、前の反応で生まれたフルクトース 1,6-ビスリン酸分子がフルクトース1,6-ビスリン酸アルドラーゼ (fructose1,6-bisphosphate aldolaseまたは単にアルドラーゼ aldolase、EC 4.1.2.13)によりグリセルアルデヒド 3-リン酸 (Glyceraldehyde 3-phosphate、G3P)とジヒドロキシアセトンリン酸(Dihydroxyacetone phosphate、DHAP)に分解される。準備期の目的産物であるグリセルアルデヒド3リン酸をこの段階で1当量、さらに、次の段階でもジヒドロキシアセトンリン酸から1当量獲得する。

アルドラーゼの触媒する反応は、フルクトース-1,6-ビスリン酸が開裂する方向に対して大きな正の標準自由エネルギー変化（G'° = 23.8 kJ/mol）をもたらすが、実際は細胞内でほぼ平衡状態で、解糖系の制御点にはならない。なぜなら、細胞内に存在する生成物の濃度が低いときは、実際の自由エネルギー変化が小さく、逆反応が起こりやすくなる^[3]ためである。

アルドラーゼには2つのクラスが存在する。I型アルドラーゼは動物や植物に存在し、II型アルドラーゼは菌類や細菌類に存在する。両者はヘキソースの開裂機構が異なる。

段階5:トリオースリン酸の異性化

ΔG'°= 7.5 kJ/mol

前段階でできた2種類の分子のうち、グリセルアルデヒド 3-リン酸は報酬期の最初のステップである6段階目の反応の基質となる。一方、ジヒドロキシアセトンリン酸はトリオースリン酸イソメラーゼ (triose phosphate isomerase、EC 5.3.1.1)が触媒する可逆的な反応により、速やかにグリセルアルデヒド 3-リン酸に変換される。トリオースリン酸イソメラーゼは立体選択的に反応の触媒を行うので、D体のみが生成する。ジヒドロキシアセトンリン酸から変換されてできたグリセルアルデヒド 3-リン酸の炭素1, 2, 3はグルコースの3, 2, 1位の炭素に由来し、一方の段階4で生成したほうの炭素1, 2, 3はグルコースの4, 5, 6位の炭素に由来する。しかし両グリセルアルデヒド 3-リン酸のそれぞれの位置の炭素は化学的には全く区別がつかない。

この反応により、ヘキソース分子から2当量のグリセルアルデヒド 3-リン酸が生成され、解糖の準備期は終結する。

報酬期

解糖系後半の5ステップを報酬期 (payoff phase)と呼ぶ。報酬期では2分子のグリセルアルデヒド3-リン酸がピルビン酸へ変換され、グルコース1分子あたり4分子のADPがATPへと変換され、グルコースの自由エネルギーの一部が保存される。準備期で2分子のATPが消費されているので、解糖系通じてのATPの純益は2分子となる。またグルコース1分子あたり2分子のNADHが生成される。

段階6: グリセルアルデヒド 3-リン酸の酸化

ΔG'°= 6.3 kJ/mol

報酬期の最初のステップでは、グリセルアルデヒド 3-リン酸がグリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼ (リン酸化) (glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (phosphorylating)、EC 1.2.1.12)の触媒する反応により、1,3-ビスホスホグリセリン酸 (1,3-bisphosphoglycerate)に変換される。グリセルアルデヒド 3-リン酸のアルデヒド基が脱水素され、1分子のNAD⁺がNADHに変換される。グリセルアルデヒド 3-リン酸のアルデヒド結合が酸化されると、標準自由エネルギーが大きく減り、減ったエネルギーの多くはアシルリン酸基に保存される^[2]。アシルリン酸とはカルボン酸#アシル基（R-CO- ）とリン酸のエステル結合をもつ物質の総称で、加水分解時のエネルギー放出が極めて大きい（${\displaystyle G'^{\circ }=-49.3kJ/mol}$

ΔG'°= -18.5 kJ/mol

報酬期の2番目のステップではホスホグリセリン酸キナーゼ (phosphoglycerate kinase、PGK、EC 2.7.2.3)の触媒により、1,3-ビスホスホグリセリン酸からADPへと高エネルギーのリン酸基が転移し、ATPと3-ホスホグリセリン酸 (3-phosphoglycerate)が生成する。解糖系の2つの基質レベルのリン酸化 (substrate-lebel phosphoryation)の内1つである。この反応はMg²⁺を必要とする。段階6のアルデヒドの酸化と段階7のATPの生成は共役して、1,3-ビスホスホグリセリン酸を中間体とするエネルギー共役反応を構成する。

最初のアシルリン酸基の形成反応は吸エルゴン反応で、次のATPの生成は強い発エルゴン反応である。二つの反応を合計すると以下の式で表すことができる。反応全体では発エルゴン反応である。

　　　　　グリセルアルデヒド 3-リン酸 + ADP + P_i + NAD⁺ ${\displaystyle {\overrightarrow {\longleftarrow }}}$

ΔG'°= 4.4 kJ/mol