ATP合成酵素を動かしてしくみを見る

細胞の ATP はどこから来るのでしょうか

ATP合成酵素の仕組みは、膜を戻る陽子の流れでリングを水車のように回し、その回転を使って ADP とリン酸を ATP に結び付けることです。回る軸が頭部の3つの触媒部位を順に押します。逆向きに動くと同じ酵素が ATP を分解し、陽子を送り出すため、ATPase とも呼ばれます。

筋肉も神経も DNA を複製する酵素も、アデノシン三リン酸という同じ燃料で働きます。3番目のリン酸を外すと放出されるエネルギーで仕事が進み、再び結合すると分子を再使用できます。その量は大きく、ノーベル委員会によると、安静時の成人は1日に体重のおよそ半分に当たる ATP を代謝し、激しい運動では1トン近くになります。細胞の蓄えは少量なので、消費と同じ速さで ATP を作り直す必要があります。

その大部分を担うのが ATP 合成酵素です。ミトコンドリア内膜、細菌の膜、葉緑体のチラコイドにあり、回転して働く数少ないタンパク質でもあります。この展示では分子の縮尺で簡略化した酵素を作り、さらに5つの場所を見ます。呼吸鎖を持つミトコンドリア膜のひだ、光を受ける葉緑体膜、泳ぐ細菌、近縁のポンプが ATP で動くリソソーム、そして初めて回転を観察した1997年の実験のガラスです。舞台下部のバーで6場面を切り替えます。

膜でできたダム

エネルギーは食物から直接来るわけではありません。呼吸は食物の電子を膜タンパク質の鎖へ渡し、その鎖が電子のエネルギーを使い、マトリックス（ミトコンドリア内部）から2枚の膜の間の狭い空間へ陽子を送ります。片側に陽子がたまり、膜の両側に濃度差と電荷差が生まれます。これらを合わせてプロトン駆動力と呼びます。

Peter Mitchell は1961年にこの化学浸透説を提案し、1978年にノーベル化学賞を受賞しました。細胞はダムと同じように、均等になろうとする高低差としてエネルギーを蓄える、という考えです。ATP 合成酵素はダムのタービンに当たります。陽子はそこを通ってマトリックスへ戻り、通過しながらローターを回します。

模型では赤い粒が陽子です。「膜電位」と「pH 差」のスライダーで押す力を設定します。どちらかを動かすと膜の下の粒が増減し、ローターが加速、減速、停止、または逆回転します。

プロトン駆動力を足し合わせる

マトリックス外の陽子が内へ押される理由は2つあります。マトリックスは外側より負に帯電し、陽子が少なく pH が高いからです。Mitchell は力をミリボルト単位のプロトン駆動力 Δp としてまとめました。

Δp = Δψ − 59 × ΔpH

Δψ はマトリックスの電位から外側の電位を引いた値、ΔpH はマトリックスの pH から外側の pH を引いた値です。働いているミトコンドリアでは Δψ は負、ΔpH は正なので、どちらも Δp をより負にします。負の大きさが増すほど、陽子は強く内へ押されます。係数59は pH の1単位をミリボルトに換算します。ln 10 × RT/F で、25 °C では59.16 mV、体温の37 °C では61.5 mV です。模型は59を使います。

初期設定では Δψ は−150 mV、ΔpH は0.80なので、Δp = −150 − 59 × 0.80 = −197 mV です。スライダーを動かすたびに表示欄にこの計算が出ます。Brand と Nicholls は細胞内のミトコンドリアの典型的な膜電位の大きさを150〜180 mV としています。ミトコンドリアでは力の大部分が電気的です。葉緑体では逆で、強光下では大部分がチラコイド膜の pH 差として蓄えられます。

酵素に重要なのは陽子が運ぶエネルギーです。1モルの陽子が197 mV を横切ると、F × Δp = 96,485 × 0.197 ≈ 19 kJ が放出されます。以後もこの数値を使います。

Fo、膜の中の部分

酵素の2つの部分には歴史に由来する名前があります。Fo はオリゴマイシン感受性因子に由来し、膜内の部分を指します。F1 は因子1で、マトリックスへ突き出す頭部です。Efraim Racker の研究班は1960年にミトコンドリアから酵素全体を単離しました。

Fo の動く部分は、同じ小タンパク質が並ぶ c リングです。各 c サブユニットは2本のヘリックスから成るヘアピンで、外側のヘリックスの中央に酸性側鎖があります。ミトコンドリアではグルタミン酸で、模型の暗い粒です。隣には回転しない a サブユニットがあり、外側とマトリックスへそれぞれ開く2つの半チャネルを陽子に提供します。

電荷を持つ側鎖が膜の油状の内部に向けないことが鍵です。c はグルタミン酸に陽子が結合し、電荷が中和されて初めて a から離れて回れます。陽子は最初の半チャネルから入り、c に乗ってリングを1周し、別の半チャネルからマトリックスへ出ます。外側の陽子の方が多いため、片側からの到着頻度が高く、リングは一定方向へ回ります。Pogoryelov らは c15 の結晶構造で、部位が脂質側では閉じたままで、a の位置だけで開くことを示しました。リング上の粒は周回中の陽子です。

F1、ATP を作る部分

F1 は α 3個と β 3個がミカンの房のように交互に並ぶ、6サブユニットのリングです。Noji らは半径約5 nm の樽と記述したため、模型では頭部を幅10 nm にしています。上の縮尺棒がその10 nm です。

ATP を作るのは β だけです。中央には主に γ から成る中心軸が通り、そのローター部分は半径約1 nm しかありません。足元が c リングに固定され、一緒に回ります。一方、長い周辺ストークは a から F1 上のキャップへ伸び、α3β3 頭部を固定します。この腕がなければ頭部も軸と回り、内部が変化しません。

γ は非対称で、片側の膨らみが回転しながら各 β を順に押し、形を変えます。「頭部を切り開く」を入れると手前半分が消え、膨らみの通過が見えます。

3部位が交代する

Paul Boyer は数十年にわたる同位体実験から、この酵素の特徴を見つけました。内部で ADP とリン酸を結び付けるのには、ほとんどエネルギーが要りません。エネルギーは十分に強く ADP とリン酸を結合し、とくに完成した ATP を放すために使われます。彼は3つの β 部位が交代して3状態を通ると提案しました。

1. 開いた状態（O）：空か、ATP を放出している部位です。
2. 緩い状態（L）：ADP とリン酸が緩く結合します。
3. 締まった状態（T）：閉じた部位で ADP とリン酸が ATP になります。

軸が120° 回るたびに、各部位が次の状態へ移ります。締まった部位が開いて ATP を放し、緩い部位が閉じ、開いた部位が新しい ADP とリン酸を受け取ります。Boyer はこれを結合変化機構と呼び、軸の回転を提案しました。「β を状態別に着色」を入れると、開いた β は淡色、緩い β は黄色、締まった β は赤になります。表示欄にも文字で示します。上から見る案内段階では、白とオレンジ色の ADP と別のリン酸が ATP になって飛び出す様子を追えます。

John Walker は構造から同じ酵素に取り組みました。Jan Pieter Abrahams、Andrew Leslie とともに、1994年にウシ心臓の F1 結晶構造を2.8 Å で解析しました。3つの β は本当に形と結合ヌクレオチドが異なり、中央に非対称の γ がありました。構造は Boyer の機構に合いました。Boyer と Walker は1997年ノーベル化学賞の半分を分かち合い、残り半分は ATP 駆動の別の膜酵素、ナトリウム・カリウムポンプの Jens Skou が受賞しました。委員会によると、安静時にはこのポンプだけで全 ATP の約3分の1を使います。

ローターの停止点

そもそも、なぜ順回転するのでしょうか。エネルギーを数えます。1回転で c の個数 n に相当する陽子 n 個が膜を横切り、ATP が3分子できます。ATP あたり n/3 個の陽子のエネルギーを得ます。

ATP あたりの入力エネルギー = (n/3) × F × Δp

細胞内で ATP を作るにも、リン酸化ポテンシャル ΔGp という一定のコストがかかります。ATP、ADP、リン酸の量に依存し、模型は45 kJ/mol で始まり、「ATP 1分子のコスト」で変えられます。入力がコストより大きいと順回転で ATP を作り、小さいと ATP が勝って逆回転します。等しいと停止します。

停止時の Δp = 3 × ΔGp / (n × F)

ウシのリングは n = 8 なので、50 kJ/mol では3 × 50,000 / (8 × 96,485) = 0.194 V、つまり194 mV です。45 kJ/mol なら175 mV です。表示欄のグラフは、選んだリングとコストで Δp に対する回転速度を描き、破線で停止点、点で現在の設定を示します。操作欄の下の表は c8〜c15 の各径で同じ計算をします。

ここから2点が分かります。大きなリングほど低い勾配で釣り合います。c15 は1回転で8個でなく15個の陽子を運ぶため、同じ45 kJ/mol に93 mV で届きます。また、酵素は可逆的です。向きを決める仕組みが別にあるのではなく、両側のエネルギーの釣り合いが決めます。停止点を通る滑らかな速度曲線は表示用に作った規則ですが、停止点の位置は計算値です。

逆向きに動く

勾配を停止点より下げるか ATP のコストを上げると、表示が「ATP を使い陽子を輸送」へ変わります。ATP が頭部に結合して分解され、軸が120° ごとに逆回転します。c リングはマトリックスから膜の外へ陽子を運び、消費 ATP の数が増えます。

健康なミトコンドリアでは呼吸鎖が勾配を保つため、これはまれです。酸素不足などで勾配が崩れると、逆回転する ATP 合成酵素が数分で ATP を使い尽くしかねません。そこで IF1 という小タンパク質のブレーキがあります。Cabezón らは2003年、IF1 が F1 の α-β 境界に入り γ に触れることを示しました。「阻害剤」で IF1 を選び勾配を下げると、逆回転せず止まり、保持中のヘリックスが光ります。

細菌は逆回転を活用します。酸素がない E. coli は発酵で ATP を作り、ATP 合成酵素を逆回転させ、べん毛や膜を通す栄養輸送に必要な陽子勾配を保ちます。「細菌」で「酸素」を切ると示されます。近縁の酵素には、最初から逆向きの仕事をするものもあり、「V-ATPase」に登場します。

酵素を止める薬と毒

多くの働きがこの酵素に依存するため、天然・人工のさまざまな分子が標的にします。「阻害剤」には5種類あります。

• オリゴマイシンは Fo の名の由来です。Symersky らが2012年に解析した酵母 c10 との構造では、リング外側の c 間に入り、陽子を運ぶグルタミン酸を覆います。陽子が乗れず、ローターが止まります。結合ポケットの残基は酵母とヒトで同じです。研究室では呼吸のうち ATP 合成と漏出に使う割合を測るために使います。
• DCCD（ジシクロヘキシルカルボジイミド）は同じカルボキシラートと反応し、不可逆的に遮断します。Pogoryelov らは DCCD 修飾 c15 で陽子部位の開閉を示しました。模型ではグルタミン酸の粒が緑になります。
• ベダキリンは結核薬です。Andries らは2005年、Mycobacterium tuberculosis を殺す化合物として発見し、耐性変異体では陽子輸送部位が変化していました。Preiss らは2015年にマイコバクテリア c9 との構造を解析し、イオン部位を覆い輸送を止めることを示しました。多剤耐性結核に承認された40年ぶりの薬と記しています。2024年の研究では、ヒト酵素の c リングの似た位置にも結合できると分かりました。
• DNP（2,4-ジニトロフェノール）は酵素に触れません。脂質自体を通して陽子を運び、勾配を崩して ATP を作らず食物を熱にします。1933年には減量薬として販売されましたが、危険な過熱を起こし、2011年の総説は公表死亡例を62件数えました。模型では陽子が直接膜を抜け、ローターが止まります。褐色脂肪は自身の UCP1 で同じ現象を制御し、動物を温めます。
• IF1 は細胞自身のブレーキで、前述のように逆向きだけを止めます。

大きさの異なるリング

c リングの径が ATP の価格を決めます。サブユニット n 個なら ATP あたり n/3 個の陽子が必要です。Watt らは2010年にウシ心臓ミトコンドリアで c が8個あることを見つけ、ほぼ全脊椎動物で配列が同じなので、ほぼ確実に ATP あたり2.7個が共通だと指摘しました。菌類、細菌、葉緑体は9〜15個のリングを使います。操作欄の表には13種類と対応する構造があります。

なぜすべて最小のリングにしないのでしょうか。小さいリングは安く ATP を作れますが、停止点を超えるには高い勾配が必要です。大きいリングは弱い力でも動く代わりに陽子を多く使います。Bacillus pseudofirmus OF4 は外の陽子が少ないアルカリ性の水に生息し、c13 は各陽子を結合した水分子と共有します。Ilyobacter tartaricus はさらに陽子でなくナトリウムイオンを運びます。Vollmar らはホウレンソウ c14 の部位間隔が10.6〜10.8 Å で、Ilyobacter c11 と同じだと示しました。サブユニットが多いリングは、単に幅が広いのです。

「酵素」で「c リングの大きさ」を変え、停止点と ATP のコストが一緒に動くのを見ます。測定例のある径には生物名を表示します。c12 は表にありません。

ミトコンドリアの中

「ミトコンドリア」を開きます。内膜はクリステという稜線状のひだになり、ここではひだの断面を手前で切り開いています。外側はマトリックス、内側は膜間腔へ続く狭い空間で、送られた陽子が集まります。

ひだの側面の4複合体が食物から酸素へ電子を渡します。

1. 複合体 I は NADH から電子2個を受け取り、膜内を動くユビキノンへ渡します。細胞最大級の酵素で、Zhu、Vinothkumar、Hirst は2016年、ウシ酵素の全45サブユニットを配置しました。電子2個あたり陽子4個を送ります。
2. 複合体 II は陽子を送らず、コハク酸の電子を同じユビキノン集団へ渡します。クエン酸回路の一部でもあります。
3. 複合体 III、シトクロム bc1 は、ユビキノールからシトクロム c へ電子を渡し、電子2個あたり陽子4個を外へ放出します。
4. 複合体 IV、シトクロム c 酸化酵素は、電子を酸素へ渡して水にし、さらに陽子2個を送ります。

したがって NADH の電子2個は陽子10個を動かし、コハク酸なら6個だけです。Watt らはこの数で収率を計算しました。c8 で ATP を作るには8/3 = 2.67個の陽子が必要で、外へ搬出するのにもう1個分かかります。ATP と ADP を交換する運搬体とリン酸を入れる運搬体が、合わせて陽子1個相当を使うためです。搬出 ATP あたり3.67個となります。

• NADH：10 / 3.67 = 酸素原子あたり2.7 ATP
• コハク酸：6 / 3.67 = 酸素原子あたり1.6 ATP

これが P/O 比です。Hinkle の測定総説では約2.5と1.5で、酵素を通らず漏れ戻る陽子があるため少し低めです。表示欄は計算比と、実行中に数えた模型の比を示します。「燃料」をコハク酸にすると両方が下がります。

この場面では ATP 合成酵素がひだの稜線に対で並びます。Davies らは酵母ミトコンドリアのクライオ電子線トモグラフィーで、86° の V字型の対が列になると示しました。対を作れない株では正常なクリステがなく、風船状か消失していました。Guo、Bueler、Rubinstein の Fo 対の原子模型は膜を曲げる仕組みを示します。模型には稜線沿いに4つの V字があり、各酵素が自分のローターを回します。

小さな陽子回路が動きます。勾配が低いと呼吸鎖は速く送り、高くなると遅くなります（呼吸調節）。ATP 合成酵素と小さな漏れが陽子を戻します。ここでも阻害剤を試せます。オリゴマイシンは酵素を止め、勾配が上がり呼吸がほぼ止まります。DNP は漏れを開き、勾配を下げ、呼吸を速めて燃料を熱にします。そのとき表示欄は ATP での逆回転を示します。脱共役したミトコンドリアでは IF1 が止めなければこうなります。「酸素」を切ると鎖全体が停止します。

葉緑体の中

「葉緑体」場面にはチラコイド膜の一部が表示されます。上がストロマ、下がチラコイド内部の内腔です。食物でなく光がエネルギー源ですが、同種の酵素で、頭部はストロマに向きます。

1. 光化学系 II は光を吸収し水から電子を取り出します。Umena らの1.9 Å 構造にある Mn₄CaO₅ クラスターで、水2分子が O₂ 1分子、電子4個、内腔に放つ陽子4個になります。
2. プラストキノン は膜内で電子を シトクロム b6f に運び、さらに陽子を内腔へ送ります。
3. 内腔の小さな銅タンパク質 プラストシアニン が 光化学系 I へ電子を運びます。2番目の光子を使って電子をフェレドキシンと NADP⁺ へ渡し、ストロマで NADPH を作ります。

Kramer と Evans によると、この直線的流れは O₂ あたり陽子12個を内腔へ送り、2 NADPH を作ります。c14 は ATP あたり14/3 = 4.67個の陽子を必要とし、陽子12個で12 × 3 / 14 = 2.57 ATP です。NADPH あたり1.29 ATP ですが、カルビン回路は2 NADPH に3 ATP、つまり1.5を使います。不足分は光化学系 I の循環的電子伝達など、NADPH を作らず陽子を送る経路が補います。表示欄は両比率を示し、リングを変えると再計算します。

内腔は酸性になります。Takizawa らは生きた Arabidopsis の葉で、弱光下は約 pH 7.5、CO₂ の少ない強光下は約 pH 5.7 と推定しました。グラフは光の変化に伴う内腔 pH を追います。模型はストロマを pH 8 に固定し、勾配の70 %を ΔpH としています。どちらも模型の設定です。

光をゼロに下げると、しばらくして γ スイッチが酵素を固定したと表示されます。Hahn らの2018年の全26サブユニットの構造は、γ の β ヘアピンが酸化還元スイッチとなり、暗所で回転を止めることを示します。

この酵素は古典的実験でも重要でした。1966年、André Jagendorf と Ernest Uribe はホウレンソウのチラコイドを酸に浸し、ADP とリン酸入りのアルカリ性緩衝液へ移して、暗所で ATP を得ました。Mitchell の考えどおり pH 差だけで十分でした。

細菌とべん毛

細菌にミトコンドリアはありません。呼吸鎖は細胞膜自体にあり、内膜と外膜の間の薄いペリプラズムへ陽子を送ります。「細菌」では右奥に長さ約2 µm の E. coli、手前に細胞の約50倍に拡大した内膜があります。

その部分の2つの機械が同じ勾配を使います。一方は ATP 合成酵素です。Fillingame の研究班は2001年、E. coli が c10 を選ぶことを示しました。Sobti らのクライオ電顕構造では10個の c と、伸びて酵素を遮断できる ε が見えます。もう一方はべん毛モーターです。Howard Berg によると幅約45 nm、部品は約20種類です。ここでは同じ縮尺で、ATP 合成酵素の4倍以上の幅に描きます。周縁の固定子リングを通る陽子がローターを回し、Meister、Lowe、Berg は陽子流量が速度に比例すると示しました。

このモーターは ATP 合成酵素と違い、指令で逆転します。リン酸を持つ CheY が下部の C リングに結合すると、反時計回りから時計回りへ変わります。E. coli では反時計回りなら線維が束になって泳ぎ、時計回りなら束がほどけて方向転換し、新しい方向へ進みます。「べん毛を時計回りに」を入れると、ピンクの CheY が結合し、線維が離れて細胞が向きを変えます。

「酸素」を切ると呼吸が止まり、勾配が c10 の停止点より下がります。ATP 合成酵素は発酵の ATP で逆回転し、陽子を外へ送ってモーターを動かします。勾配は少し低い値に落ち着き、細胞は遅く泳ぎ続けます。

逆向きの仕事のためのポンプ

ATP 合成酵素の近縁には、ATP 消費を通常の仕事とするものがあります。液胞型、V型 ATPase は細胞区画へ陽子を送り酸性にします。消化袋のリソソームは、酵素が働く pH 4.5〜5 に保たれます。Mindell の総説によると、陽子の流入で電荷がたまるためポンプだけでは足りず、別のイオンも動く必要があります。塩化物・陽子交換輸送体 ClC-7 がその一部を担い、場面ではポンプの隣にあります。

「V-ATPase」場面ではリソソーム膜上にポンプが2個、奥に小さなリソソーム全体があり、色は内部の pH に従います。β と α に対応する A と B が各3個の頭部、中心ローター、膜内リングは見慣れた構造です。違いもあります。Zhao、Benlekbir、Rubinstein の酵母酵素クライオ電顕像は、周辺ストークが1本でなく3本あり、リングが複数種のプロテオリピドから成ることを示します。後に Mazhab-Jafari らが c8、c′、c″ と同定しました。Murata らは近縁の Enterococcus hirae ナトリウムポンプの10サブユニットのローターを解析しました。

V-ATPase には F型にないスイッチもあります。2つの部分が解離できます。酵母でグルコースが不足すると V1 頭部が Vo から離れ、輸送が止まります。Mazhab-Jafari らはこの現象で遊離 Vo を得て原子模型を作りました。「飢餓：V1 を解離」を入れると頭部が離れ、内腔は徐々に中性へ戻ります。

回転を見る

1997年まで回転は推測でした。Hiroyuki Noji、Ryohei Yasuda、Masasuke Yoshida、Kazuhiko Kinosita は、β を使って F1 を上下逆にガラスへ固定し、γ に蛍光アクチン線維を付け、ATP を加えました。線維は顕微鏡下で100回転以上し、膜側から見ると常に反時計回りでした。単独の F1 は自発的に ATP を作るのでなく、与えられた ATP を分解し、合成時と逆方向へ軸を回します。

「回転実験」がこれを再現します。主画面は顕微鏡像に対応し、ガラス上で緑の線維が端を中心に回ります。横の小画面は F1 自体を約50倍に拡大し、固定した頭部の中で γ が回る様子を示します。

線維は一定速度で駆動されません。モーターは約40 pN·nm のトルクを出し、水が線維に抵抗を与えます。端を中心に回る棒では抵抗が長さの3乗に比例して増えます。

抵抗 = (4π/3) η L³ / (ln(L / 2r) − 0.447)

η は水の粘度、r は線維の半径です。1 µm の線維は毎秒約6.3回転、2 µm なら毎秒1回転未満です。「アクチンの長さ」を変えると再計算します。「プローブの抵抗」は、酵素でなく線維が速度を決めるという意味です。

後の研究は小さな目印を使いました。Yasuda らは1998年、低 ATP では1分子あたり120° の段階で動き、各段階の仕事が広い負荷範囲でほぼ同じで ATP 1分子の加水分解自由エネルギーに近いと示しました。モーターを遅くしない40 nm 金粒子で、2001年に約90° と30° の小段階を分離し、豊富な ATP で毎秒約130回転を測りました。Sakaki らは ATP が2 mM、60 nM、2 nM でも約40 pN·nm の同じトルクと、毎モル濃度・毎秒2 × 10⁷の結合速度定数を見つけました。

模型はこれらの数を使います。平均1 / (kon × [ATP]) のランダムな待ち時間後に ATP が結合し、トルクが抵抗に抗して動かせる速さで120° 回ります。「ATP 濃度」を約0.2 µM まで下げると待ち時間が回転より長くなり、線維は跳び、グラフが階段状になります。金粒子を選ぶと抵抗がほぼないため段階が鋭くなり、表示は「ATP の結合」が律速要因となり、追いやすい低速再生になります。

最後に実験を逆にしました。Itoh らは2004年、γ に磁性粒子を付け電磁石で逆回転させ、溶液中に ATP を得ました。Rondelez らは数フェムトリットルの小室に F1 単分子を閉じ込め、小さな ε があると強制回転の最大77 %が ATP を生むと示しました。「磁性粒子」を選び「磁石で逆回転」を入れると、コイルが順に光り、粒子が時計回りに回って120° ごとに ATP が1増えます。

数値を確かめる

各 c は1回転で陽子1個を運び、1回転で ATP を3分子作ります。陽子数は c の個数を3で割った値です。ウシでは8 ÷ 3 = 2.67、酵母と E. coli は10 ÷ 3 = 3.33、ホウレンソウは14 ÷ 3 = 4.67、Spirulina platensis は15 ÷ 3 = 5.00です。

Watt らによると、ミトコンドリアのローターは毎秒約100回転です。1回転3 ATP なら酵素1個から毎秒約300 ATP、c8 なら陽子約800個が通ります。模型は粒を追えるよう約100倍遅くし、最大毎秒1.2回転です。

Noji の研究班は約40 pN·nm のトルクを測りました。120° は2π/3 ラジアンなので、仕事は40 × 2.09 ≈ 84 pN·nm、すなわち8.4 × 10⁻²⁰ J です。50 kJ/mol の ATP 1分子は50,000 / (6.022 × 10²³) ≈ 8.3 × 10⁻²⁰ J、つまり83 pN·nm を持ちます。両者はほぼ等しく、Yasuda らの報告のように化学エネルギーのほぼ全量を仕事に変えます。「回転実験」は両者を表示し、「ATP 1分子のコスト」で ATP のエネルギーも変わります。

停止点は同じ計算を逆にしたものです。50 kJ/mol の c8 では (8/3) × 96,485 × Δp = 50,000 J から Δp = 0.194 V です。c14 は0.111 V、c10 は0.155 V で釣り合います。

1日分の ATP

人は1日にどれだけ ATP を作るのでしょうか。操作欄の下の実験室に計算機があります。酸素から始めます。運動試験の安静時基準1 MET は、体重1 kg あたり毎分3.5 mL の酸素なので、70 kg の成人は毎分約245 mL です。1日で245 × 1440 = 352,800 mL、つまり352.8 L になります。酸素摂取量の報告に使う0 °C、1気圧での気体体積22.414 L/mol で割ると、約15.7 mol の O₂、酸素原子31.5 mol です。

P/O 比2.5なら31.5 × 2.5 ≈ 79 mol の ATP です。ATP は1モル507.18 g なので約40 kg、体重の半分強となり、委員会の約半分という値に合います。激しい運動では酸素摂取量が数倍になり、ATP 代謝量も増えます。逆算もでき、P/O 2.5 の70 kg の人で1日分を体重と同じ重さにするには毎分約430 mL の酸素が必要です。

酵素はいくつ必要でしょうか。79 mol は4.7 × 10²⁵分子です。毎秒300分子作る酵素は1日に2.6 × 10⁷分子作るため、約1.8 × 10¹⁸個が常時回る必要があります。いずれも代謝量です。体内に同時にある ATP は少量で、繰り返し作り直しています。

酵素が働かなくなるとき

陽子が通る固定子の a は、ミトコンドリア自身の DNA の MT-ATP6 から作られます。米国国立医学図書館の MedlinePlus Genetics は、この遺伝子の変化に伴う疾患を記載しています。通常乳幼児期に始まる進行性脳疾患 Leigh 症候群の約10 %に MT-ATP6 の変化があり、最多は T8993G という1文字の変化です。同じ変化は、神経障害、運動失調、網膜色素変性症から成る軽症型 NARP も起こします。細胞にはミトコンドリアが多数あり、重症度は変化を持つ割合に対応する傾向があります。典型的には NARP で70〜90 %、Leigh 症候群で90 %超です。

Lai らの2023年のヒト酵素構造では、疾患変異の多くがサブユニットの接触面に位置し、全体を不安定にしうると分かりました。この展示は医療資料ではありません。健康については医師に相談してください。

模型が省いているもの

• 形はサブユニットの位置に置いた滑らかな塊で、表中の PDB にある測定済みタンパク質表面ではありません。
• 速度規則は計算した停止点を通る滑らかな曲線で、模型用です。実際の力と速度の関係は複雑で、約100倍速く回ります。
• 合成時は陽子ごとの小段階で回り、逆転時は F1 で測られた120° の段階を示します。90° と30° の小段階は「回転実験」の金粒子だけにあります。
• Murphy らは各120° の最初の約30° で、柔軟なヒンジを介して F1 頭部もローターと回ると示しました。模型は頭部を固定します。
• 軸の足元の小サブユニットは一体に描き、別場面の ATP 合成酵素も同じ簡略形状を使います。
• 「ミトコンドリア」「葉緑体」「細菌」の陽子回路と「V-ATPase」の pH 曲線の速度は仮の値です。量論比（陽子10個と6個、O₂ あたり12個、ATP あたり n/3）は資料に基づきます。

短い歴史

• 1929：Karl Lohmann が ATP を発見。Alexander Todd が1948年に合成しました。
• 1939〜1941：Fritz Lipmann が ATP による細胞内エネルギー輸送を示しました。
• 1957：Jens Skou がナトリウム・カリウムポンプを報告しました。
• 1960：Efraim Racker の研究班がミトコンドリアから酵素を単離しました。
• 1961：Peter Mitchell が化学浸透説を提案。1978年にノーベル賞を受賞しました。
• 1966：Jagendorf と Uribe が酸を使って暗所で ATP を作りました。
• 1974：Racker と Stoeckenius が人工小胞で光から ATP を作りました。
• 1994：Abrahams、Leslie、Lutter、Walker が F1 の構造を解析しました。
• 1997：Noji らが軸の回転を観察。Boyer、Walker、Skou がノーベル化学賞を分かち合いました。
• 2001：Yasuda らが90° と30° の小段階を分離しました。
• 2004：Itoh らが磁石で F1 を回して ATP を作りました。
• 2010：Watt らが哺乳類の c8 リングを発見しました。
• 2015〜2023：クライオ電顕がウシ、酵母、細菌、葉緑体、ヒトの酵素全体の回転状態を示しました。