解糖系（生化学２）

平成３０年４月２３日病態生化学分野（生化学２）教授

山縣 和也

本日の学習の目標

糖の多様性を知る

解糖系によるグルコース代謝を理解する

解糖系の律速酵素について理解する

解糖系の異常によりどのような病気がおきるか

NAD、NADHについてを理解する

グルコースは最も重要な糖質であるが、様々な糖質が存在する

単糖類トリオース（三炭糖）テトロース（四炭糖）ペントース（五炭糖） リボースやデオキシリボースヘキソース（六炭糖） グルコース、ガラクトース、マンノース、フルクトースヘプソース（七炭糖）

二糖類 ２個の単糖が縮合したものマルトース（麦芽糖）、ラクトース（乳糖）、スクロース（ショ糖）など

オリゴ糖類３－１０個の単糖が結合したもの。ヒトではほとんど分解されない

多糖類単糖が１１個以上縮合したもの。デンプンやグリコーゲンなど

グルコース：自然界に最も広く存在する

グルコースには鏡像関係にあるD型とL型が存在するが、哺乳類におけるグルコースはD型。CH2OHとOHが反対方向のものをα型とよぶ。水溶液中で非環状（鎖状）はほとんど存在しない。

フルクトースは溶解するとピラノース（六員環）、フラノース（五員環）をとることができる。解糖系の中で生じるフルクトースリン酸は五員環である。

エピマー

デンプンの基本構成単位二分子のグルコースからなるマルトース（麦芽糖）

ガラクトースとグルコースからなり、乳汁中に存在するラクトース（乳糖）

グルコースとフルクトースからなり、サトウキビの糖分。シュークロース（ショ糖）

+ H2O グルコース＋ガラクトース

ラクターゼ

乳糖不耐症

小腸のラクターゼの欠乏のために、牛乳中の乳糖が分解されずに未消化のまま腸管内に残存し、下痢、腹痛などをきたす。

動物は吸収した糖をグリコーゲンとして肝臓や筋肉に貯蔵する。

植物：デンプン

動物：グリコーゲン

α-グルコシダーゼ阻害薬

でんぷん

アミラーゼ

マルトース

α-グルコシダーゼ（マルターゼ）

グルコース

糖尿病の治療薬α-グルコシダーゼ阻害薬

グルコース

乳酸

グルコース６リン酸

ピルビン酸

グリコーゲン タンパク質

アミノ酸 脂肪酸

アセチルCoA

トリアシルグリセロール

ケト酸

ATP

ピルビン酸脱水素酵素

エネルギー代謝経路

グリコーゲン代謝

解糖系

クエン酸回路電子伝達系

脂質代謝

アミノ酸代謝

β酸化糖新生

解糖 Glycolysis

エムデン・マイヤーホフ経路 Embden-Meyerhof pathway

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 乳酸

NADNADH

ATP ADP ATP ADP

NADNADHATPADP

ATP ADP

細胞質でおきる反応

ミトコンドリア（クエン酸回路，酸化的リン酸化）

アデノシン三リン酸 Adenosine triphosphate ATP

CH2

HO OH

N

N

N

N

NH2

O

O P

O

O

O

P

O

O O-

- P

O

O

O- -

アデノシン Adenosine

アデノシン一リン酸 Adenosine monophosphate AMP

アデノシン二リン酸 Adenosine diphosphate ADP

アデノシン三リン酸 Adenosine triphosphate ATP

高エネルギー結合

アデノシン三リン酸 Adenosine triphosphate ATP

ATPの消費と合成

１．ATP 消費量軽労働に従事する体重65kgの成人男子 60 kg/日

２．細胞中の ATP 量数分の必要量

３．ATP はエネルギー貯蔵型ではない備蓄できない，必要に応じて合成される

４．ATP の寿命数秒〜数分（細胞の種類によって異なる。）

５．ATP の合成と分解（消費）がつりあって一定濃度を保つ

呼吸などの異化作用の過程で放出された遊離エネルギーを化学エネルギーとして蓄えた有機リン酸化合物。活性型は通常Mg2+との結合型。ATPは細胞のエネルギー通貨

解糖 Glycolysis - ATP消費系と合成系

グルコース

ATP

ADPヘキソキナーゼ

グルコース6-リン酸

トリオースリン酸イソメラーゼ

O

CH2

HO

OHOH

OH

HO

O

CH2

HO

OH

OH

OH

2-O3P O

フルクトース6-リン酸

グルコース6-リン酸イソメラーゼ

OCH22-O3P O

HO

OH

OH

OHCH2

ATP

ADPホスホフルクトキナーゼ

フルクトース1,6-ビスリン酸OCH22-O3P O

HO

OH

OH

OCH2 PO32-

アルドラーゼ

グリアセルアルデヒド3-リン酸 + ジヒドロキシアセトンリン酸

CH22-O3P O

O

H

OH

H OHO

OCH2 PO32-

H H

炭素数

C6

C6

C6

C6

C3, C3

ATP消費系

− 1ATP/グルコース

− 1ATP/グルコース

計 − 2ATP/グルコース

解糖 Glycolysis - ATP消費系と合成系

グリアセルアルデヒド3-リン酸

CH22-O3P O

O

H

OH

H

NAD + Pi

NADH

グリセルアルデヒド3-リン酸デヒドロゲナーゼ

1,3-ビスホスホグリセリン酸O

PO32-

H

O

C

OH

CH22-O3P O

炭素数

C3

C3

C3

C3

C3

C3

ADP

ATP

3-ホスホグリセリン酸 OH

O-

C

OH

CH22-O3P O

ホスホグリセリン酸キナーゼ

2-ホスホグリセリン酸O

H

O-

CCH2

2-O3P

HO

O

ホスホグリセリン酸ムターゼ

ピルビン酸

ADP

ATP

O

O-

CCH3

O

ピルビン酸キナーゼ

ATP合成系

+2 ATP/グルコース

+2 ATP/グルコース

計 +4 ATP/グルコース

ホスホエノールピルビン酸O

O-

CCH2

2-O3P O

エノラーゼH2O

解糖 Glycolysis - ATP消費系と合成系

ATP消費系： − 2ATP/グルコース

ATP合成系：+ 4 ATP/グルコース

解糖によるATP消費・合成の収支グルコースあたり 2 ATP合成

解糖系で得られるATPの量は少ないけれども、酸素は必要としない。

（１）最初は筋肉内のATPを使用（1秒程度）

（２）次にクレアチンリン酸からATPを作って利用（3秒程度）

（３）残りは筋肉のグリコーゲンから解糖によりATP産生

どうやって１００ｍ走るエネルギーを獲得するのか？

クレアチンはアミノ酸から合成される有機酸（１-メチルグアニジノ酢酸）。筋肉中に存在する。

GΔG≠

ΔG

A + B

C + D

反応軸 Reaction Coordinate

ΔG：反応の自由エネルギー変化ΔG≠：活性化自由エネルギー

A + B C + D 遷移状態（活性化状態）

遷移状態（活性化状態） A•••B

反応の自由エネルギー変化と活性化自由エネルギー

ギブス自由エネルギー Gibbs free energy：G

ΔG < 0：過程は自発的に進むΔG = 0 ：系は平衡状態にある（過程は止まっている）

反応速度に関与する

反応の自発性をきめる

標準自由エネルギー変化(DG0')と生理的条件での自由エネルギー変化(DG) 単位，kJ/mol

反応 酵 素 DG0' DG 反応

1 ヘキソキナーゼ -20.9 -27.2グルコースグルコース 6-リン酸

2グルコースリン酸イソメラーゼ

+2.2 -1.4 フルクトース 6-リン酸

3ホスホフルクトキナーゼ

-17.2 -25.9フルクトース 1,6-ビスリン酸

4 アルドラーゼ +22.8 -5.9

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

5トリオースリン酸イソメラーゼ

+7.9 +4.4

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

6

グリセルアルデヒド-

3-リン酸デヒドロゲナーゼ

-16.7 -1.11,3-ビスホスホグリセリン酸

7ホスホグリセリン酸キナーゼ

3-ホスホグリセリン酸

8ホスホグリセロムターゼ

+4.7 -0.6 2-ホスホグリセリン酸

9 エノラーゼ -3.2 -2.4ホスホエノールピルビン酸

10 ピルビン酸キナーゼ -23.0 -13.9 ピルビン酸

解糖系の制御段階

グルコース ＋ ATP グルコース６-リン酸 ＋ ADP ＋ H+

ヘキソキナーゼ（HK）

フルクトース６-リン酸 ＋ ATP

フルクトース1,6-ビスリン酸 ＋ ADP ＋ H+

ホスホフルクトキナーゼ（PFK）

ホスホエノールピルビン酸 ＋ ADP ＋H+ ピルビン酸 ＋ ATP

ピルビン酸キナーゼ（PK）

ヘキソキナーゼ HexokinaseATP利用/消費

O H

OH

H

OH

OH H

H

HO

H

CH2OH

1

23

4

5

6

O H

OH

H

OH

OH H

H

HO

H

CH2OPO32-

グルコースGlucose

グルコース６-リン酸Glucose 6-phosphate

+ ATPMg2+

+ ADP + H+

肝臓と膵β細胞にはグルコキナーゼ（ヘキソキナーゼIV）が発現

肝臓 膵臓β細胞

インスリンを分泌する（膵β細胞）。インスリンは血糖をさげる

インスリン分泌グルコースを取り込み、グリコーゲン合成

ヘキソキナーゼとグルコキナーゼの違い

グルコキナーゼは高いKm

（より低い親和性）をもつ。

その活性はグルコース濃度の上昇に伴って増加する。

Km：最大速度の1/2を与える基質濃度

血糖レベル

同じ活性

血糖に応じて活性が異なる

食事

膵臓

インスリン

吸収

血糖上昇

グルコキナーゼ

解糖系、TCAサイクル、電子伝達系でATPが産生

グルコース濃度に応じてATPが産生され、ATPに応じてインスリンが分泌される

正常マウス

膵β細胞でグルコキナーゼをノックアウトしたマウスは高血糖になる

正常マウス

膵β細胞でグルコキナーゼをノックアウトしたマウスではインスリンの分泌が悪い

Exon

1a 1b 1c 2 3 4 5 6 7 8 9 10

M8I

E9fsdelG

IVS1A;1G>T

V16-E70del

Q26X

L30P

R36W

Q38P

K39fsdelG

E40dup21

E40K

R43H

G44S

G44D

G44fsdelG

H50R

H50Y

A53S

V62A

T65I

E70K

G72R

D73G

D78E

D78H

G80S

G81A

G81S

L88fsdel10

E93del10

Q98X

W99R

W99X

V101M

T103N

K104fsdel4 I110T

Y108C P111L

Y108F A119D

Y108H IVS3+1G>A

Y108X IVS3+1G>T

IVS3-1G>A

IVS3-1G>T

IVS3-2A>G

L122P

L122V

Y125del

C129Y

I130T

S131P

133dup

L134P

H137R S151fsdelCC

Q138P V154fsdelTG

L144P H156Y

T149P E157K

F150S K161N

S150del IVS4+2del10

F150L IVS4+2del15

G162fsdelG

L164P

T168P

K169N

F171L

A173S

G175E

G175R

G175V

G178R

G178E

N180K

V181A

V182M

R186X

R186Q

A188E G193R

A188T G193D194ins

R191W IVS5+1del33

R191Q

V203A

T206M

T206M

T206R

T209M

M210K

M210T

C213R

Y214C

Y215X

E216X

E220X

E221K

G223S

M224T

I225M V266fsdelTinsAA

I225F G227C

V226M IVS6+2T>A

T228M

T228A

T228R

N231fsdelA

M235T

M238fsdelT

Q239R

E248K G263S

E248X E265X

R250C Q266X

M251I Q258C

M251V Q286X

C252Y E268X

C252R L271fsdel22

E256K R275C

W257R D278E

A259T E279Q

G261R E279X

G261E S281F

S263P IVS6-2A>T

IVS7-1G>A

IVS8+1G>A

G294D

G295fsdelG

Y297X

M298K

G299R

E300Q

E300K

L304P

L309P

V310fsdelGT

L315H

F316V

G318R

G318A

F334fsdel19

S336L

R358X

S360X

V367M

R369P

H380Q

H380D

C382Y

S383L

S383fsdelC

S383X

A384T IVS9+1G>C

G385V IVS9+1G>T

A387V I404S

A387T I404fsdelAT

R392C G407S

E395X S411F

E395-R403del K414E

E399X L415V

V401fsdelG S426fsdelGC

R403fsdelC F419L

IVS9-7del11

IVS9-1G>C

S433-I436del

C434X

C434T

I436N

S441W

S445fsdel11

G446R

R447Q

R447del29

C452X

S453L

S453X

A454V

A454E K459fsX61

V455M A460fsdel22

A456V

グルコキナーゼ遺伝子異常

インスリン分泌が悪くなり、糖尿病になる

グルコキナーゼ活性増強剤による血糖降下作用

Science 301: 370, 2003

グルコキナーゼ活性化薬をマウスに投与すると血中のグルコース濃度が下がる

グルコキナーゼ活性化薬でインスリン分泌が増える

新しい糖尿病の治療薬

食事 吸収

血糖上昇糖取り込みグリコーゲン蓄積

肝臓

血糖に応じて、肝臓でグルコースが取り込まれ、グリコーゲンとして蓄積される。

肝臓におけるグルコキナーゼ

GK

肝臓でグルコキナーゼをノックアウトするとグリコーゲンの量が減少する

Hayashi H. 2015

6-ホスホフルクト-1-キナーゼPhosphofructokinase (PFK, PFK-1)

ATP利用/消費解糖系の調節酵素（解糖系調節の主役）：律速酵素

O

OH

CH2OH1

2

34

5

6-2O3POCH2

H

OH

H

H

HO

O

OH

CH2OPO32-

1

2

34

5

6-2O3POCH2

H

OH

H

H

HO

フルクトース6-リン酸Fructose-6-phosphate (F6P)

フルクトース1,6-ビスリン酸Fructose-1,6-bisphosphate (FBP)

+ ATPMg2+

+ ADP + H+

Mg2+

ATP

CH2 O

H

O

OH

1

2

34

5

6-2O3POCH2

H

OH

H

H

HO

AdenosineP

O-

O

O P

O-

O

O P

O-

O

-O

フルクトース6-リン酸

P

O-

O

O-O

OH

CH2O1

2

34

5

6-2O3POCH2

H

OH

H

H

HO

+ ADP + H+

フルクトース1,6-ビスリン酸

症例 S.K. ２０才 女性

主訴：運動時の筋肉の急速な疲労

小さいときから「鬼ごっこ」で鬼になるとどうしても相手をつかまえることができなかった。小学校のランニングでは長距離が走れなかったが、安静にすると軽快した。遠足でも友達についていけなかった。また長く教科書の朗読を続けると声がかすれた。最近でも地下鉄の階段をのぼるのに苦労することがある。筋肉の症状について精査希望にて受診。

家族歴：両親は従兄妹結婚。兄弟５人中３人に同様の症状を認める。

筋PFK欠損症（垂井病）

筋肉のPFKが欠損すると、筋肉運動に十分なATPが産生されない。運動できない。

グリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼGlyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH)

グリセルアルデヒド３-リン酸Glyceraldehyde 3-phosphate

(GAP)

1,3-ビスホスホグリセリン酸1,3-Bisphosphoglycerate

(1,3-BPG)

高エネルギーリン酸化合物

+ NAD+ + Pi + NADH

解糖系中の唯一の酸化過程（NADをNADHへ）

CO H

C OHH

CH2OPO32-

CO

C OHH

CH2OPO32-

OPO32-

NAD+, NADH

H- (2e-, H+)

H- (2e-, H+)

N

C 2

O

NH

R

H H

酸化型（NAD, NAD+）

還元型（NADH）

N

N

N

N

NH2

P OO-

O

O

P

O

O O CH2

HO OH

-

O

NCH2

HO OH

O

+

C 2

O

NH

アデノシン

ニコチン酸：ビタミンB群の一つ

アデニン

NADはニコチン酸を材料として生成される補酵素NADは様々な酵素と協同して酸化反応における水素の回収を行う。

NADは再利用される（リサイクル）。一度、還元されたら、別の酵素反応によって酸化されなければならない。

解糖 Glycolysis（NADHをどのように再利用するか？）

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 乳酸

NADNADH

ATP ADP ATP ADP

NADNADHATPADP

ATP ADP

ミトコンドリア（クエン酸回路，酸化的リン酸化）

酸素がある場合にはNADHはミトコンドリアでNADにもどされるが、酸

素が十分に利用できない時はピルビン酸を乳酸に変換し、その時NADHをNADにもどす。

ピルビン酸の嫌気的代謝

乳酸発酵

乳酸デヒドロゲナーゼ Lactate dehydrogenase (LDH)

NADの再生：解糖系における嫌気的ATP産生

N

HS

COO

C O

CH3

+ H++

COO

CHO

CH3

H +

C

O

NH2

R

HR

C

O

NH2

R

N

H

+

乳酸ピルビン酸 NADH NAD+

アルコール発酵

酵母ではNADを再生するためにエタノールをつくる

解糖系のATP産生：基質レベルリン酸化

ホスホグリセリン酸キナーゼ Phosphoglycerate kinase (PGK)

CO

C OHH

CH2OPO32-

O P

O

O

OP

O

O

O P

O

O

O O アデノ シン

Mg2+

1,3-ビスホスホグリセリン酸(1,3-BPG)

Mg2+-ADP

CO

C OHH

CH2OPO32-

O

P

O

O

O P

O

O

O O

Mg2 +

P

O

O

O アデノ シン

3-ホスホグリセリン酸(3PG)

Mg2+-ATP

高エネルギーリン酸化合物

フッ素入りのスピッツ

フッ素はエノラーゼを阻害する。血糖測定用のスピッツにはフッ素化合物をいれておかないと、赤血球でグルコースが消費（解糖）され、徐々に血糖値が下がっていく。

エノラーゼについて

解糖系のATP産生：基質レベルリン酸化

ピルビン酸キナーゼ Pyruvate kinase (PK)

Mg2+-ADPホスホエノールピルビン酸(PEP)

O

O––O

O

PC C

CH2

O

O–K+

Mg2+

–O OP

O–

OP

O–

アデノシン

OO

Mg2+ Mg2+-ATP

–O

OC C

CH2

O–

K+

Mg2+

O OP

O–

アデノシン

O

O P

O–

O

Mg2+

–O P

O–

O

ピルビン酸

–O

OC C

CH3

O

ピルビン酸キナーゼ（PK）欠損症

赤血球はミトコンドリアをもたないためにエネルギー産生を解糖系によっている。PK欠損により、赤血球内で解糖がすすまずATP産

生低下がおこり、エネルギー不足で赤血球がこわれ貧血がおきる（溶血性貧血）。

正常 PK欠損症

がん細胞ではPKM2が高発現している

ほぼすべての癌細胞でPkm1からPkm2へスイッチする

1. ガラクトースは自然界に最も広く存在する糖である 「 」2. マルトースはグルコースとフルクトースからなる 「 」3. 膵臓β細胞はグルコースに応答してインスリンを分泌する 「 」4. へキソキナーゼはグルコースをグルコース１リン酸に変換する 「 」5. 解糖系はミトコンドリアでおきる 「 」6. ヘキソキナーゼのKm値はグルコキナーゼのKm値より小さい 「 」7. グルコキナーゼの遺伝子異常により糖尿病が発症する 「 」8. PFKは解糖系の律速酵素である 「 」9. GAPDHによりNADが産生される 「 」10. 解糖系で差し引き４分子のATPが産生される 「 」11. PK欠損により溶血性貧血がおこる 「 」12. 酸素が不十分な場合には乳酸を産生してNADを再生する 「 」13. アルコール発酵ではエタノールを産生してNADを再生する 「 」14. NADはニコチン酸を原料に構成される補酵素である 「 」

理解の確認のために