代謝生物学 第５回講義
光呼吸、Ｃ４回路、ＣＡＭ
第５回は、ルビスコが酸素をも基質にするために起こる光呼吸、通常のカルビン・ベンソン回路に二酸化炭素濃縮機構を加えた形のＣ４回路、そして、高温乾燥への適応として考えられるＣＡＭの回路について紹介しました。
Ｑ：RubisCOの反応速度はどうして遅いのでしょうか。RubisCOそのものに、反応速度が速くなる進化が起こらなかったことが不思議だと思います。C4植物のへ進化が複数回起こったと考えられているようなのに。また、リン資源が欠乏するという話を聞いたことがあるのですが、どういうことなのでしょうか。
Ａ：RubisCOを人工的に改変してより効率のよい酵素にしようという試みもなされています。ただ、今のところ、なかなか難しいようです。Ｃ４植物への進化の方が易しかったと解釈するのでしょうかね。リン資源が欠乏するという話、というのが何を意味しているのかよくわかりませんが、植物では、窒素・リン酸・カリが３大栄養素ということになっています。講義の中で説明しましたように、リン酸が欠乏すると、葉緑体から外への炭素代謝中間産物の輸送ができなくなります。
Ｑ：今回も生物の用いているシステムに驚いた。あらかじめ「無駄」をシステムに組み込むことで「過剰」を防いだり、空間的・時間的に分化することで役割を分担したりと、人の思いつくシステムの系はすべて、自分の体内、および周囲の細胞ですでに行われているものなのだとさえ思う。昔、細胞内共生によって取り込まれたミトコンドリアおよび葉緑体と、ここまで緻密に相互作用できるようになったことをあらためて不思議に思った。
Ａ：今のところ、人間の知恵よりも、自然の振ったさいころの方が、上手を行くことの方が多いようですね。
Ｑ：植物もより効率よく光合成を行なうために自ら新しい経路を作り出して進化しているのだなと感心してしまいました。これから砂漠化が進み、植物にとって不利な条件になっても、乾燥に耐えられるCAM植物のようなものが増殖して自衛していくのだろうかと考えました。今日の講義を聞いているとC4植物やCAM植物のほうが明らかに有利なのに、C３植物がまだ現生しているのは、C３植物の方が有利な条件もあるからだと思うのですが、どうなのでしょうか？あと、本旨とはずれるのですがカルビンベンソン回路の解明が第二次世界大戦中に発展した核物理学のおかげだった、みたいな話が印象に残りました。戦争と全く関係なさそうな植物学の世界でもその影響を受けているということが興味深かったです。
Ａ：Ｃ４植物では、Ｃ４化合物を維管束鞘細胞に輸送することによって二酸化炭素を濃縮しているわけですが、それにはエネルギーがいります。つまり、二酸化炭素の濃縮によって得られる利益が、このエネルギーのコストを上回るときにのみ、Ｃ４の方が得になります。弱光湿潤環境下では、二酸化炭素を濃縮することによるメリットが少ないので、Ｃ３の方が一般的に得になります。
Ｑ：C4植物のNADP-ME型の説明はC4植物が高温多湿に強いということをより理解しやすくしてくれた。光呼吸について、代謝経路が分かっているのにその意義がまだはっきり分からないと言うのは意外な感じだ。RubisCOが他の酵素と比べて効率が悪いということは、よほど炭酸固定という反応が難しいということなのだろうか。はたまた、より効率のよい酵素の存在を期待できるということなのか。RubisCOがナビスコを捩ったものだったとは。
Ａ：何かの「意義」の解明というのは、一般に、メカニズムの解明より難しいものです。上に書きましたが、より効率のよいRubisCOを人工的に作る試みは、現在なされています。
Ｑ：Ｃ４植物において、Ｍｅｓｏｐｈｙｌｌ cell
ではチラコイドが発達し、 Bundle sheath cell
ではチラコイドは発達していない写真を見ましたが明反応の分業もあるのでしょうか。それならＡＴＰやＮＡＤＰＨも輸送されるのでしょうか。
植物体内の各種の反応に登場するＰＥＰはenol型であり、ある程度は不安定と思われますがリン酸化によって解消されるなどの効果があるのでしょうか。またピルビン酸のような一般にαーケト酸と呼ばれる物質の安定性はいかがなものでしょうか（βと比較してなど）。
Ａ：たぶん、「チラコイドの発達」というのは、チラコイド膜のグラナスタックの部分がどれだけ多いかを言っているのだと思います。グラナのスタックは、光化学系ＩＩのアンテナであるLHCIIの量に依存することが知られています。講義で説明しましたように、維管束鞘細胞では、光化学系ＩＩの量が少ないので、結果的にグラナスタックの発達は抑えられます。
すみません。代謝産物の物質としての安定性というのは、あまり考えたことがありませんでした。ただ、一般的に主要中間代謝産物はある程度安定でなくては困りますし、一方、次の反応が進む程度には不安定でなくては困ります。
Ｑ：先日の講義で出てきた光呼吸の生理学的意義の新しい別の案を考えてみたのですが、全く的外れなアイデアしか浮かばないです。なんか悔しいので案をでたらめですが書いてみますと、まだみつかっていない代謝系が植物にはあって、それに光呼吸の経路がどこかでつながっているという物です。この仮説をもとにして調べるとしてどんなデータを採ればいいかということまでは全く思いつかないのでこの案も無意味です。そもそも講義を聞いただけの光合成や呼吸の研究の歴史と層の厚さを考えると僕が思いつきで考える位のことは過去の研究者が調べていない筈がないのに、生意気かつ無謀な想像をしていました。
Ａ：光呼吸の回路がどうなっているかが、どのようにして明らかになったのか、実験的な方法論についてはよく知りませんが、たぶん、放射性同位元素を使ったトレース実験でしょうか。別の代謝系があれば、そちらに放射能が移るはずなのでわかるでしょうね。
Ｑ：地球上で最も多いと言われる酵素のRuBisCoが実は効率の悪い酵素であるというのはやはり不思議です。効率が悪いからこそ多いというのは、分かりやすいのですがやはり不思議です。それだけ光エネルギーを化学結合に入れるのは大変ということなのかもしれませんが。ところで、蛋白質の場合、どの程度の幅で”同じ”蛋白とみなすのでしょうか？”同じ”RuBisCoでも生物種によって多様性がみられると思うのですが。それともRuBisCoの場合リブロース1，5ビスフォスフェイトのカルボキシラーゼ・オキシゲナーゼの活性を持つものといった定義なのでしょうか?（構造が全く違っていても活性を持てばRuBisCoと呼ぶという意味で）
あとどうでもいいことですがいつもRuBisCoのどれを大文字にしたらいいのかを迷います。先生によって書き方が変わるようで…。まあどうでもいいんですが。
Ａ：「同じ」タンパク質であるというからには、活性が同じであるというだけでなく、進化的なつながりが必要でしょうね。逆に、光化学系Ｉと緑色硫黄細菌の反応中心は、進化的にはつながっていますが、現在の活性は異なっているので、やはり同じ酵素とは呼ばないと思います。
ルビスコというのは、元もと略称ですから。ナビスコのもじりだと聞いて、そんな不謹慎な名前は僕は使わない、と宣言してRuBPカルボキシラーゼオキシゲナーゼとしか呼ばない、という人もいました。
Ｑ：Ｃ４植物はＣ３回路のみを回して、必要のあまりないときはＣＯ２濃縮をおこなわず取り込んだ大気をそのまま維管束鞘細胞に運んで炭素固定ができるのでしょうか？温暖な気候では、Ｃ３植物よりもＣ４回路を回している分余計にエネルギーが要るので不利なのでしょうがＣ４回路の使用・不使用がコントロールできたら効率がもっとよくなると思います。
Ａ：Ｃ４回路のための酵素を持っているだけでも、その代謝回転などのために、余計なエネルギーを使うことになります。今回は紹介しませんでしたが、植物によっては、環境条件によってＣ３とＣ４を使い分けているものがいます。その場合、新しい環境条件に移すと、遺伝子の発現の変化から始まって、葉の構造まで変化させて、ようやく切り替わりが完了します。従って、それ自体大仕事でエネルギーが必要となるので、よほどのことがないと引き合いません。どの世界でも、利益を上げるためには、それ相応のコストが必要なようです。
Ｑ：今回の講議は、光合成についてだったが、光呼吸のメカニズムがよく説明されていたと思う。特に、光呼吸の必然性とその詳しい代謝経路、そしてその見方、さらにその意義の説明がうまく関連していて楽しかった。
少し疑問に思ったのは、ルビスコがもともと酸素にもくっつきやすく、光呼吸が必然なものなら、光呼吸は（どの光合成生物にも共通で）どんな原始的な光合成生物も持っている機構なのかどうか、という事です。
Ａ：基本的には原始的な生物でもルビスコを使う限り酸素との反応はあるはずですが、そのあと、あのような形で、回路を回しているのは、真核の植物だけでしょう。また、そもそも、光合成細菌などでは、嫌気的条件で生育するものが多いですから、当然、酸素との反応は起こりません。
Ｑ：数ヶ月前にNatureにでた論文に、Ｃ３植物であるタバコやセロリにＣ４の酵素などがあるという内容のものがありました。この中で、Ｃ３植物もNADP-ME、NAD-ME、PCKの３酵素を持っているという実験結果がありましたが、とすると、多くのＣ４植物もこの３酵素を同時に含んでいると考えるのが自然に思われます。とするなら、Ｃ４の３タイプは明確に区別できるのでしょうか。どうやってＣ４の中の３タイプが区別されてきたのかを教えてください。
Ａ：うーむ。よく勉強していますね。ここまで来ると、僕自身は炭素代謝の専門ではないので、絶対確かな答えは知りません。ただ、細胞間を輸送されているのがリンゴ酸かどうか、などは、NADP-ME型を他の２つからわけるクリティカルなポイントだと思います。リンゴ酸が輸送されているときにのみ、還元力が維管束鞘細胞に持ち込まれることになります。
Ｑ：C4植物の機構は進化上何度も獲得されてきたということでしたが，それならもっと多くの植物がC4でもいいような気がしてしまいます。やはりエネルギーを使うということが大きいのでしょうか。CAMはC4がさらに進化したものなのですか？それともC4とは別にC3から生じてきたものなのでしょうか？全く別に進化したにもかかわらず，同じような機構になっているのはとても興味深いことだと思います。
Ａ：Ｃ４植物は、上にも述べましたが、その回路の維持にエネルギーを使っているので、確かに、それが大きいと思います。Ｃ４回路が進化の過程で何度か獲得されたにもかかわらず、似た機構を持っているということは、可能な代謝経路の自由度は以外に小さいといえます。ＣＡＭの場合も、独自に進化したのだと思います。
Ｑ：C３植物とC4植物とCAM植物との違いがとてもあいまいだったが、とてもよく理解できた。基本的な仕組みはほとんど同じで、それが感想に適応していくときにどのように微調整して言ったのかが面白かった。かつ、Rubiscoというものが今までなぞだったが、理解できた。このように長い単語を省略して頭文字だけをとったものはこれからはとくに板書をして説明してほしい。プリント上で小さい文字が見えないことがあるので、それも考慮してほしい。
Ａ：「とてもあいまいだったが、とてもよく理解できた」というのは、講義を誉めてるんでしょうかね、貶してるんでしょうかね。板書については今後気をつけましょう。プリントは、それだけで読むものとして配っているのではなく、ないと講義が終わったあとに思い出すよすががないと思って配っています。できれば講義中に理解してもらえるのが一番いいんですけど。
Ｑ：Rubiscoという酵素は効率が悪いのでたくさんあるというかんじみたいだったけど、実はすごくいい感じの酵素で、それなりの理由があるからこそたくさんあるに違いないとおもいました。生物の体にそんなに無駄なものがあふれている訳が無い！と信じたい気持ちです。反応物との結合が悪いゆえにほかの反応も触媒できるとか、反応が遅いから過剰な分を、捕まえてなんとかできるとかなんとか、想像はつかないけどもっとおおきな枠で見てみるとすごい働きをしていたりする…といいなとおもいました。
Ａ：はあ、ただ、必ずしも真実は人間に期待に応えてくれるとの保証はありませんからねえ．．．
Ｑ：光呼吸のシステムというものはエネルギーが過剰になったときに高エネルギーの活性酸素などによる細胞組織への攻撃を防ぐため、無駄にエネルギーを消費する意味があると聞きましたが、そのような無駄なエネルギーを有利に利用できるよう進化した生物はいないのでしょうか？何億年間もの間無駄をするためのシステムがそのまま 維持されてきたというのは不自然な気がします。あるいはそのエネルギーをほかに転用できない理由が何かあるのでしょうか。単純なことですが、気になりました。
Ａ：エネルギーというのは、さまざまな反応などを進めるから重要なわけです。しかし、使い方を誤れば、生物に不利な反応をも進めることになります。人間でも、太りすぎが健康に良くないのは、余分なエネルギーの危険性と解釈することができます。やはり中庸が大事だ、と考えたら、自然な気がしませんか？
Ｑ：RuBisCOという酵素は効率が悪くて酵素自体の量で稼がなければならず、地球上で最も多い蛋白質とまでなっているということでしたが、それほど効率の悪い酵素であるのにそんなに多くの植物が使っているということは、植物はこれに代わる酵素を進化の過程で作らなかった（作れなかった）ということですよね。炭酸固定の反応はそれぐらい難しいということでしょうか？光呼吸がそれぐらいのメリットになっているということは考えられますか？
Ａ：光呼吸のメリットだけで、ルビスコの効率を説明するのは無理でしょうね。やはり、炭酸固定の反応が難しいということなんでしょう。
Ｑ：光合成を表す反応式ではしばしば産物としてグルコースができるように書いてありますが、実際に物質としてグルコースができてくるわけではないのですね。カルビン回路では、酵素反応によって3-ホスホグリセリン酸→1,3-ビスホスホグリセリン酸→グリセルアルデヒド3-リン酸→…という風に有機物が変換されていくということですが、これらの有機物や酵素はストロマ中でどのように存在しているのですか？酵素が並んでいて、有機物がそこを漂ってたまたま衝突した時に反応するような感じでしょうか。
Ａ：ストロマ中は、いわば酵素液がつまった試験管のようなものです。特にチラコイドのような構造物はなく、均質に溶けているものと思われます。純粋に拡散衝突によって反応が進んでいるのでしょう。
Ｑ：C4植物が系統と関係なく何回にもわたってその形質を獲得していることが非常に興味深かった。それほどまでに有利な能力なのでしょうね、いずれC4植物ばかりになってしまうことになるんでしょうか。
Ａ：上にも書きましたが、Ｃ４回路を回すにはエネルギー（コスト）がいります。低温湿潤環境ではＣ４回路のメリットが少なくなってコストを下回りますから、そのような場所ではＣ３の方が有利になるわけです。
Ｑ：光呼吸の場所は葉緑体だけに留まらない，ということですが、cyanobacteriaのような原核生物の場合はどうなっているのでしょうか。原核生物の場合，呼吸鎖もtylakoid
membrane上にあるので，酸素に対する親和性がcytchromeの方が強く、酸素がstromaに存在するRuBisCOに出会う前に膜上で反応してしまうならば，原核生物では光呼吸は起こらないと思うのですが。
また、C４植物やCAM植物では光呼吸を回避することで、それだけ光阻害のリスクが大きくなると思うのですが，特にCAM植物などが進化した環境では光強度も大きく光阻害のダメージが大きくなるのに、あえてそのような場所で光阻害を防ぐ機構が発達したのはなぜでしょうか。光阻害を防ぐ別の機構が発達しているのでしょうか。やはり、水の蒸散による乾燥ストレスのほうが植物にとってはダメージが大きいということなのでしょうか。
Ａ：原核生物では、もちろん、高等植物のようなオルガネラ間にまたがった代謝回路は存在し得ません。ただ、酸素濃度は空気中でも２０％、光合成生物の細胞中ではもっと高くなりますから、チトクロ−ム酸化酵素と反応したからといって酸素がなくなってしまうことはありません。
光阻害というのは、光で進むATPを作る反応と、ATPを利用する炭酸固定反応のバランスの問題です。光が強くなっても、炭酸固定がどんどこ回れば、阻害はおきません。Ｃ４の場合は、通常の炭酸固定反応の律速要因であるルビスコ周辺の二酸化炭素濃度が高く、炭酸固定反応の反応速度が大きくなっていますから、光阻害にはかかりにくいのです。
Ｑ：以前から、ルビスコは大気の二酸化炭素濃度が高かった頃の環境に適応したもので、現在のC3植物は甘んじて光呼吸を受け入れている、と考えていました。先生は、光呼吸は過剰なエネルギーを消去するために必要なのではないかとおっしゃっていましたが、だとすると光の強さによらずおこってしまう光呼吸のメカニズムは、他のエネルギー消去系と比べてあまりにずさんなような気がするのですが、これについて先生はどうお考えでしょうか。
Ａ：光呼吸は、名前の通り、光の強さによらずに起こるわけではありません。反応式を眺めてもらえればわかると思いますが、反応にはATPとNADPHが必要です。つまり、光が強くてこのようなエネルギー源と還元力が十分あるときに起こる反応なのです。ただ、光合成の飽和光とさらにとてつもない強光の間では、あまり差がないでしょうね。その点は、他のエネルギー消去系で調節すればよい、と考えることもできます。
Ｑ：Rubiscoの二通りの触媒作用や光呼吸の話は初めて知りましたが、わかりやすくて非常に興味深かったです。光呼吸の意義のところに「なし、エネルギーの損失」というのがありましたが、そんなふうに無意味でしかもエネルギーの損失になるようなことって生体内のしくみとして普通にあるんですか？（もしかして当たり前ですか？よく考えてみたら意外だなと思って）
C３とC4で気になったのは、二酸化炭素を濃縮しているC4のほうが、どう考えても効率がよさそうに思うのですが、なぜみんなC4にしないのでしょう？なにかC3特有のすぐれた点などがあるのですか？
Ａ：意義がない、というのは生物の進化上、あまり考えにくいのですが、酵素の性質上、酸素と反応してしまい、その後の経路も、自然に起こる酵素反応である以上、「やむを得ない反応である」という可能性は否定できないと思います。
上にも書きましたが、Ｃ４回路を回すにもエネルギーがいるからなんです。
Ｑ：様々な有機酸が各細胞内小器官を移動して変化しグルコースに至る過程を学びました。これらの有機酸の移動は通過可能域内の拡散に因っているのでしょうか？また、デンプンが所かまわず蓄えられると細胞に悪影響があると思うのですが何か特殊な構造等あるのでしょうか？ＣＡＭ植物の時間的分化は何によって制御されているのでしょうか？（認識には、基質の濃度比、光、乾燥、時間…などの方法が、また、反応速度の制御には、基質濃度、酵素濃度、酵素活性の変化…などの可能性があるように思いますが。）
Ａ：リンゴ酸の輸送などは、明らかに能動的な輸送です。逆に言えば、能動的でなければ二酸化炭素を濃縮することはできないはずです。また、能動的な輸送というのは、言葉を換えて言えば、エネルギーを使う輸送です。上で何度も書いた、Ｃ４回路を回すにはエネルギーがいる、という点の例として考えることができます。
ＣＡＭ植物の代謝制御は面白そうですが、僕自身よく知りません。光による制御がある部分であることは確かですが、それ以外にどのようにしているかは、現在わかっているのかどうかさえ、知りません。調べておきましょう。