クレブス回路（クエン酸回路/TCAサイクル）とは：定義・仕組みとミトコンドリアでの役割

クレブス回路（クエン酸回路/TCAサイクル）の定義と仕組み、ミトコンドリアでのエネルギー供給や代謝での重要性を図解でわかりやすく解説。

著者: Leandro Alegsa

05-12-2025 21:12

クレブス回路（Hans Krebsにちなんで命名）は、細胞呼吸の中心的な代謝経路の一つで、別名はクエン酸回路、トリカルボン酸サイクル（TCAサイクル）と呼ばれます。グルコースや脂肪酸、アミノ酸から生じたアセチルCoAを酸化して、還元当量（NADH、FADH2）や高エネルギーリン酸結合（GTP/ATP）、およびCO2を生じさせ、最終的に電子輸送系に還元当量を供給してATPを生成します。回路は循環的に進行し、酸化・還元反応と脱炭酸反応を繰り返しながら基質を再生します。

基本的な流れ（概略）

入力：主にアセチルCoA（解糖系でのピルビン酸からのリンク反応や脂肪酸β酸化、アミノ酸分解から供給）。
最初の反応：アセチルCoA（2C）がオキサロ酢酸（4C）と縮合してクエン酸（6C）を生成（クエン酸合成酵素）。
その後、クエン酸 → イソクエン酸 → α-ケトグルタル酸（5C） → スクシニルCoA（4C）→ コハク酸 → フマル酸 → マレイン酸（リンゴ酸）→ オキサロ酢酸と回復、という一連の反応を経る。
主要な酵素：クエン酸合成酵素（citrate synthase）、アコニターゼ（aconitase）、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複合体、スクシニルCoA合成酵素、コハク酸脱水素酵素（複合体II）、フマラーゼ、マレートデヒドロゲナーゼ等。

生成物とエネルギー収支（1アセチルCoAあたり）

CO2：2分子（脱炭酸反応による）
NADH：3分子（電子輸送系へ）
FADH2：1分子（電子輸送系へ）
GTP（またはATP）：1分子（基質レベルのリン酸化）
還元当量を電子伝達系で酸化することで、理論上はNADH ≒ 2.5 ATP、FADH2 ≒ 1.5 ATP相当のATPが得られ、合計でおよそ10 ATP相当になると見積もられます（概算）。

ミトコンドリア内での位置と代謝のつながり

クレブス回路は主にミトコンドリアマトリックスで行われます。回路へ供給されるアセチルCoAは、解糖系からのピルビン酸がピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体で変換されること（しばしば「リンク反応の後に来るもので、」と呼ばれる）や、脂肪酸のβ酸化、特定のアミノ酸分解によっても供給されます。生成されたNADHやFADH2は内膜に存在する電子伝達系に電子を渡して酸化され、プロトン勾配を生み出してATP合成を駆動します。

生理学的役割と代謝ネットワーク内の重要性

エネルギー生産の中心：好気条件下での効率的なATP産生に不可欠です。好気性生物がエネルギー変換に広く用いる経路です。
前駆体の供給：回路中間体は脂肪酸合成（クエン酸）、アミノ酸合成や神経伝達物質合成（α-ケトグルタル酸由来）、ヘム合成（スクシニルCoA由来）、糖新生（オキサロ酢酸由来）など多くの同化的経路の基質になります。
アナプレロティック反応：回路中間体が消費されると補充（例：ピルビン酸カルボキシラーゼによるオキサロ酢酸の補充）が必要です。これにより回路の恒常性が保たれます。
進化的意義：この回路が多くの生化学的経路の中心にあることから、細胞の代謝系の中で初期に確立された重要な部分であると考えられ、代謝の中で早くから機能を持っていた可能性が示唆されています（進化の観点）。

調節と臨床的関連

主な調節点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、ATPやNADHによって負に制御され、ADPやAMP、Ca2+によって活性化される場合があります。
代謝障害やミトコンドリア機能不全はクレブス回路の機能低下をもたらし、エネルギー作動性組織（脳、筋肉、心臓）に症状を引き起こします。
がん細胞ではTCA回路の代謝再編成（代謝リプログラミング）が起きることがあり、回路中間体の取り込み・供給経路が治療標的として研究されています。

まとめ

クレブス回路（クエン酸回路/TCAサイクル）は、アセチルCoAを起点に還元当量と高エネルギー化合物を生み出す、ミトコンドリアにおける中核的な代謝経路です。エネルギー産生だけでなく、生体の多くの合成反応や代謝調節に密接に関わっており、生命活動維持に不可欠な役割を果たしています。

概要

下の図は、呼吸のこの部分が、ATPを生成し、CO 2を排出する、常に繰り返されるサイクルであることを示しています。ATPは、他の細胞のプロセスで使用されるエネルギーを化学的な形で運ぶ分子である。要約すると

2分子の二酸化炭素が放出される
GTPが1分子生成される
3分子のNAD+が水素と結合する（NAD+ → NADH）
FAD1分子が水素と結合する（FAD → FADH₂ ）。

グルコース1分子あたり2個のアセチル-CoAが生成されるため、グルコース1分子あたり2サイクルが必要である。したがって、2サイクル終了時の生成物は、ATP 2個、NADH 6個、FADH 2個₂ QH 2個₂ （ユビキノール）、CO 4個となる。 ₂

クエン酸サイクルの概要