クエン酸回路（TCA回路）の図作成ツール
中間体と酵素を入れた8段階のクエン酸回路、高校向けの簡単な版、炭素を数える図、解糖系からTCA回路へつなぐ図を、ラベル付きで描きます。生物のプリント、講義スライド、論文で使われています。
クエン酸回路の図の例
各カードは上のプロンプトが実際に描いたものです。8つの酵素と炭素数を入れた完全な回路、中間体と生成物だけの高校向けの版、炭素を1個ずつ数える版、解糖系から回路2回転へつなぐ版。カードをクリックすると、そのプロンプトが入力欄に入り、書き換えられます。
クエン酸回路の図の読み方：8段階で1回転
アセチルCoAがオキサロ酢酸と結合する上端から始め、ミトコンドリアのマトリックスの中を番号付きの矢印に沿って時計回りにたどります。
- 1
1〜2 クエン酸合成酵素、アコニターゼ
アセチルCoA（2C）とオキサロ酢酸（4C）がクエン酸（6C）になり、イソクエン酸に異性化します。
- 2
3〜4 2回の酸化的脱炭酸
CO₂が1つ抜けてα-ケトグルタル酸（5C）、もう1つでスクシニルCoA（4C）、各段でNADHが1つ。
- 3
5〜6 GTP、次にFADH₂
スクシニルCoA合成酵素が唯一のGTPを作り、コハク酸デヒドロゲナーゼがFADをFADH₂に還元します。
- 4
7〜8 オキサロ酢酸に戻る
フマラーゼが水を付加してリンゴ酸に、リンゴ酸デヒドロゲナーゼが3つ目のNADHとオキサロ酢酸を作ります。
クエン酸回路の炭素を数える：2個入って2個出る
同じ回路で、各中間体を炭素のビーズの鎖として描き、2回の脱炭酸がビーズの離脱として見えるようにした版です。
- 1
6C：クエン酸とイソクエン酸
アセチルCoAの炭素2個がオキサロ酢酸の4個に加わり、6個のままクエン酸がイソクエン酸になります。
- 2
6 → 5 → 4：CO₂が2つ出る
炭素1個がCO₂として抜けてα-ケトグルタル酸（5C）、さらに1個でスクシニルCoA（4C）になります。
- 3
最後まで4C
コハク酸、フマル酸、リンゴ酸は炭素4個のままで、残りの段階は酸化してオキサロ酢酸に戻すだけです。
クエン酸回路・TCA回路・クレブス回路の図：簡単なものから詳細まで
名前は3つでも経路は1つです。図は高校のプリントのラベル5つから、生化学の試験の骨格構造式まで幅があります。授業で求められるのがどれかを指定してください。
簡単なクエン酸回路の図
名前と生成物だけの回路です。アセチルCoAが入り、8つの中間体が順に並び、CO₂、NADH、FADH₂、ATPが横向きの矢印で出ていきます。酵素は描きません。さらに4つの箱（炭素6個の化合物、5個の化合物、4個の化合物、オキサロ酢酸）に縮めた教材もあり、2回のCO₂の段階を示すにはそれで十分です。
酵素入りのクエン酸回路の図
各矢印に、それを進める酵素の名前を付けます。クエン酸合成酵素、アコニターゼ、イソクエン酸デヒドロゲナーゼ、α-ケトグルタル酸デヒドロゲナーゼ、スクシニルCoA合成酵素、コハク酸デヒドロゲナーゼ、フマラーゼ、リンゴ酸デヒドロゲナーゼ。NADHを作る3つの脱水素酵素に印を付け、コハク酸デヒドロゲナーゼだけが内膜に組み込まれていて、複合体IIを兼ねることを示します。
構造式入りのTCA回路の図
生化学向けの版で、すべての中間体を骨格構造式で描きます。クエン酸とイソクエン酸が3つのカルボキシ基を持つこと（回路の名前のもとになったトリカルボン酸）、α-ケトグルタル酸のケト基、スクシニルCoAのチオエステルが見えます。各脱炭酸で切れる結合の強調も指定できます。
炭素を数えるクエン酸回路の図
各中間体に炭素数を書くか、ビーズで描きます。2が4に加わって6、CO₂1つで5、2つ目のCO₂で4、炭素4個のままオキサロ酢酸へ。ラベルにしておきたい落とし穴は、1回転で出ていく2つのCO₂はアセチルCoAが持ち込んだ2個の炭素ではないことです。それらは後の回転で出ていきます。
解糖系とクエン酸回路の図
回路に至るまでの呼吸の経路です。細胞質でグルコースが2分子のピルビン酸になり、ピルビン酸がミトコンドリアに入り、ピルビン酸デヒドロゲナーゼがCO₂とNADHを1つずつ出してアセチルCoAを作り、回路が2回転します。この時点でのグルコース1分子あたりの合計は、ATPまたはGTPが4、NADHが10、FADH₂が2、CO₂が6です。
クエン酸回路の調節の図
調節点を阻害の棒と活性化の矢印で描いた回路です。クエン酸合成酵素はATP、NADH、スクシニルCoAで抑えられ、主なブレーキであるイソクエン酸デヒドロゲナーゼはATPとNADHで抑えられてADPとCa²⁺で促進され、α-ケトグルタル酸デヒドロゲナーゼはNADHとスクシニルCoAで抑えられます。医学部の生化学と、それに伴うエネルギー状態の問題向けです。
電子伝達系の図
クエン酸回路の一部ではなく、回路が送り込む先の段階で、別の図です。ミトコンドリア内膜の複合体I〜IV、その間で電子を運ぶユビキノンとシトクロムc、膜間腔へくみ出されるプロトン、それを戻すATP合成酵素。NADHは電子を複合体Iに渡し、FADH₂は複合体IIにとどまり、複合体IVで酸素が電子を受け取ります。名前で指定してください。
クエン酸回路の8段階
回路の上端から時計回りに読みます。3列目は、ラベル付きの図で各段階の横向きの矢印に書く内容です。
| 段階と酵素 | 反応 | 出ていくもの・できるもの |
|---|---|---|
| 1 クエン酸合成酵素 | アセチルCoA（2C）+ オキサロ酢酸（4C）→ クエン酸（6C） | CoA-SHが放出される。不可逆な段階 |
| 2 アコニターゼ | クエン酸 → イソクエン酸（cis-アコニット酸を経由） | 何も出ない。ヒドロキシ基が移動する |
| 3 イソクエン酸デヒドロゲナーゼ | イソクエン酸（6C）→ α-ケトグルタル酸（5C） | CO₂と1つ目のNADH。主な調節点 |
| 4 α-ケトグルタル酸デヒドロゲナーゼ | α-ケトグルタル酸（5C）→ スクシニルCoA（4C） | 2つ目のCO₂と2つ目のNADH |
| 5 スクシニルCoA合成酵素 | スクシニルCoA → コハク酸 | 基質レベルのリン酸化でGTP（またはATP）。CoA-SHが放出される |
| 6 コハク酸デヒドロゲナーゼ | コハク酸 → フマル酸 | FADH₂。この酵素は電子伝達系の複合体II |
| 7 フマラーゼ | フマル酸 + H₂O → リンゴ酸 | 何も出ない。水が付加される |
| 8 リンゴ酸デヒドロゲナーゼ | リンゴ酸 → オキサロ酢酸 | 3つ目のNADH。オキサロ酢酸は次のアセチルCoAを待つ |
9段階や10段階で数える教科書もあります。 cis-アコニット酸を独立した中間体として描いたり、回路そのものには含まれない、アセチルCoAを作るピルビン酸デヒドロゲナーゼの段階から始めたりするためです。古い本では第5段階の酵素をコハク酸チオキナーゼと呼び、心臓や筋肉ではこの段階でATP、肝臓ではGTPが作られます。授業で使う名前と段階数を指定してください。
クエン酸回路とは？
クエン酸回路（TCA回路、トリカルボン酸回路、クレブス回路）は、ミトコンドリアのマトリックスで進む8段階の回路で、アセチルCoAの炭素2個のアセチル基をCO₂ 2分子に酸化し、そのエネルギーを1回転あたりNADH 3、FADH₂ 1、GTPまたはATP 1として蓄え、最後に出発点のオキサロ酢酸を再生します。 クエン酸回路の図は、この回路を中間体の順に描き、生成物をそれが生じる段階から出していくものです。
要点
- マトリックスで進みます。 酵素はすべてマトリックスに溶けていますが、コハク酸デヒドロゲナーゼだけは内膜にあります。細菌では細胞質で回ります。
- 1回転で炭素2個を取り込み、CO₂を2つ出します。 アセチルCoA（2C）とオキサロ酢酸（4C）がクエン酸（6C）になり、2回の脱炭酸で炭素4個に戻り、残りの段階でオキサロ酢酸を再生します。
- エネルギーの大半はATPではなくNADHとFADH₂として出ていきます。 1回転で直接できるのはNADH 3、FADH₂ 1、GTPまたはATPは1つだけで、電子伝達系で使われると電子運搬体がさらに約9 ATPに相当します。
- グルコース1分子につき回路は2回転します。 解糖系でグルコースは2分子のピルビン酸に分かれ、それぞれがアセチルCoA 1分子になるので、グルコースあたりCO₂ 4、NADH 6、FADH₂ 2、GTPまたはATP 2です。
- 1930年代にハンス・クレブスがハトの飛翔筋で解明しました。 クエン酸回路の名は最初の生成物から、TCA回路の名はクエン酸とイソクエン酸がトリカルボン酸であることから来ています。
クエン酸回路とカルビン回路の違い
クエン酸回路は炭素を分解し、カルビン回路は炭素を組み立てます。クエン酸回路はミトコンドリアでアセチル基をCO₂に酸化してNAD⁺とFADに電子を詰め、カルビン回路は葉緑体でATPとNADPHを使ってCO₂を糖に固定します。 どちらも出発点の分子を再生する閉じた回路なので、よく比較されます。
| クエン酸回路 | カルビン回路 | |
|---|---|---|
| 場所 | ミトコンドリアのマトリックス | 葉緑体のストロマ |
| 属する過程 | 細胞呼吸（分子を分解する） | 光合成（糖を作る） |
| CO₂ | 放出、1回転あたり2 | ルビスコが取り込む、1回転あたり1 |
| 電子運搬体 | NAD⁺とFADがNADHとFADH₂に還元される | NADPHがNADP⁺に酸化される |
| ATP | 1回転あたりGTPまたはATPを1つ生成 | CO₂ 1つの固定にATPを3つ消費 |
| 再生される分子 | オキサロ酢酸（4C） | RuBP（5C） |
図ではCO₂の矢印を追います。クエン酸回路では回路の外へ、カルビン回路では回路の中へ向いています。 植物は両方を回し、カルビン回路は日中に葉緑体で、クエン酸回路は常にミトコンドリアで進みます。
クエン酸回路についての質問
クレブス回路の図とクエン酸回路の図は同じもの？
同じです。クレブス回路、クエン酸回路、TCA（トリカルボン酸）回路は1つの経路の3つの名前なので、3つの図は同じ回路を示します。 日本の教科書ではクエン酸回路、生化学や医学ではTCA回路と呼ぶことが多く、英語圏の生物ではKrebs cycleが一般的です。タイトルには授業で使う名前を使ってください。中間体と生成物は変わりません。
クエン酸回路はどこで進む？
ミトコンドリアのマトリックス、つまり内膜の内側の空間です。 唯一の例外はコハク酸デヒドロゲナーゼ（第6段階）で、内膜そのものに固定されています。ミトコンドリアを持たない細菌では、回路は細胞質で進みます。
クエン酸回路の8段階とは？
1 アセチルCoAとオキサロ酢酸がクエン酸になる。2 クエン酸がイソクエン酸になる。3 イソクエン酸がα-ケトグルタル酸になり、CO₂とNADHが出る。4 α-ケトグルタル酸がスクシニルCoAになり、CO₂とNADHが出る。5 スクシニルCoAがコハク酸になり、GTPまたはATPができる。6 コハク酸がフマル酸になり、FADH₂ができる。7 フマル酸が水を取り込んでリンゴ酸になる。8 リンゴ酸がオキサロ酢酸になり、NADHができる。
クエン酸回路の反応物と生成物は？
1回転あたり、アセチルCoA 1、NAD⁺ 3、FAD 1、GDP（またはADP）1とリン酸、H₂O 2を取り込み、CO₂ 2、NADH 3、FADH₂ 1、GTP（またはATP）1、CoAを出します。 オキサロ酢酸は第1段階で使われ第8段階で再びできるので、全体としては反応物でも生成物でもありません。
クエン酸回路でATPはいくつできる？
直接できるのは1回転あたりGTPまたはATPが1つ、グルコースあたり2つです。 電子伝達系でNADH 3つを各約2.5 ATP、FADH₂ 1つを約1.5 ATPと数えると、1回転で約10 ATP、グルコースあたり約20 ATPに相当します。
クエン酸回路に酸素は必要？
回路自体は酸素を使いませんが、酸素がないと止まるので好気的な過程とされます。 回路にはNAD⁺とFADの安定した供給が必要で、それらは電子伝達系が電子を酸素に渡せるときにだけ再生されます。酸素がなければNADHがたまり、脱水素酵素の段階が止まります。
なぜグルコース1分子で回路が2回転する？
解糖系でグルコース1分子からピルビン酸が2分子でき、それぞれがアセチルCoA 1分子になるからです。 アセチルCoA 1分子が1回転を駆動するので、グルコースあたりの生成物はすべて2倍で、CO₂ 4、NADH 6、FADH₂ 2、GTPまたはATP 2です。
クエン酸回路の前にピルビン酸はどうなる？
ミトコンドリアのマトリックスへ運ばれ、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体によってアセチルCoAに変換され、CO₂とNADHが1つずつ出ます。 この連結反応は8段階には含まれませんが、多くの図では回路の上端に入ってくる矢印として描かれます。
クエン酸回路の中間体の覚え方は？
英語圏では「Citrate Is Krebs' Starting Substrate For Making Oxaloacetate」がよく使われ、クエン酸、イソクエン酸、α-ケトグルタル酸、スクシニルCoA、コハク酸、フマル酸、リンゴ酸、オキサロ酢酸の頭文字に対応します。 日本語なら頭文字を並べて「ク・イ・ケ・ス・コ・フ・リ・オ」と唱える方法もあります。どちらも上端から時計回りの順なので、図にラベルを付ける順番にもなります。
クエン酸回路を調節する酵素は？
クエン酸合成酵素、イソクエン酸デヒドロゲナーゼ、α-ケトグルタル酸デヒドロゲナーゼで、エネルギーの落差が大きい3つの段階です。 ATPとNADHが多いと遅くなり、カルシウムは2つの脱水素酵素を、ADPはイソクエン酸デヒドロゲナーゼを促進するので、筋肉が働いているときは回路が速く回ります。
クエン酸回路と電子伝達系の違いは？
クエン酸回路はアセチル基から電子を引き抜いてNAD⁺とFADに載せ、内膜にある電子伝達系はNADHとFADH₂から電子を受け取って酸素に渡し、そのエネルギーで細胞のATPの大部分を作ります。 回路はマトリックスに、電子伝達系は膜をまたいで、別々の図として描かれます。
