クエン酸回路（TCA回路、クレブス回路、Citric Acid Cycle）

クエン酸回路（TCA回路、クレブス回路、Citric Acid Cycle）は、生体内のエネルギー代謝において中心的な役割を果たす代謝経路である。細胞のミトコンドリア内で行われ、糖質、脂質、タンパク質から供給されるアセチルCoAを分解してエネルギーを生成します。この過程で、ATP、NADH、FADH₂などの高エネルギー分子を産生し、生物の生命活動を支える基盤を形成している。

1. 基本概要

• 場所: 真核細胞ではミトコンドリア内、原核細胞では細胞質で行われる。
• 目的:
  1. アセチルCoAを二酸化炭素（CO₂）に分解する。
  2. NADHとFADH₂を生成し、電子伝達系でのATP産生に利用する。

2. 反応の流れ

クエン酸回路は、以下の8つの反応で構成されます：

1. アセチルCoAとオキサロ酢酸の縮合
   • アセチルCoA（2炭素）とオキサロ酢酸（4炭素）が縮合し、クエン酸（6炭素）を生成。
   • 酵素: クエン酸シンターゼ

   $$\text{アセチルCoA + オキサロ酢酸 → クエン酸 + CoA}$$ 

2. クエン酸の異性化
   • クエン酸がイソクエン酸に変換。
   • 酵素: アコニターゼ

   $$\text{クエン酸 → イソクエン酸}$$ 

3. イソクエン酸の酸化的脱炭酸
   • イソクエン酸が酸化され、α-ケトグルタル酸（5炭素）とCO₂を生成。
   • 酵素: イソクエン酸デヒドロゲナーゼ

   $$\text{イソクエン酸 → α-ケトグルタル酸 + NADH + CO₂}$$ 

4. α-ケトグルタル酸の酸化的脱炭酸
   • α-ケトグルタル酸が酸化され、スクシニルCoA（4炭素）とCO₂を生成。
   • 酵素: α-ケトグルタル酸デヒドロゲナーゼ

   $$\text{α-ケトグルタル酸 + NAD⁺ + CoA → スクシニルCoA + NADH + CO₂}$$ 

5. スクシニルCoAの基質レベルのリン酸化
   • スクシニルCoAがスクシン酸（4炭素）に変換される過程でGTPまたはATPを生成。
   • 酵素: スクシニルCoAシンターゼ

   $$\text{スクシニルCoA → コハク酸 + GTP/ATP}$$ 

6. コハク酸の酸化
   • コハク酸がフマル酸（4炭素）に変換され、FADH₂を生成。
   • 酵素: コハク酸デヒドロゲナーゼ

   $$\text{コハク酸 → フマル酸 + FADH₂}$$ 

7. フマル酸の水和
   • フマル酸に水が付加され、リンゴ酸（4炭素）を生成。
   • 酵素: フマラーゼ

   $$\text{フマル酸 → リンゴ酸}$$ 

8. リンゴ酸の酸化
   • リンゴ酸がオキサロ酢酸に変換され、NADHを生成。
   • 酵素: リンゴ酸デヒドロゲナーゼ

   $$\text{リンゴ酸 → オキサロ酢酸 + NADH}$$ 

この反応サイクルは再びオキサロ酢酸を生成し、新たなアセチルCoAを受け入れる準備を整える。

3. クエン酸回路の産物

1回のサイクルで以下が生成されます：

• 3分子のNADH
• 1分子のFADH₂
• 1分子のATPまたはGTP（基質レベルのリン酸化）
• 2分子のCO₂

NADHとFADH₂は電子伝達系に送られ、酸化的リン酸化により大量のATPを生成する。

4. 生理学的意義

• エネルギー産生:
  クエン酸回路を通じて、細胞は効率的にエネルギー（ATP）を獲得する。
• 中間体の供給:
  • アミノ酸、脂肪酸、グルコースの合成に必要な中間体を提供する。