ピルビン酸とは｜定義・解糖での生成・クエン酸回路と発酵での役割

ピルビン酸は、カルボン酸とケトン官能基を持つケト酸の中で最も単純なものです。共役塩基であるピルビン酸は、いくつかの代謝化学反応の重要な部分です。ピルビン酸は生化学の重要な化合物です。

ピルビン酸は、解糖によってブドウ糖から作ることができます。1分子のグルコースが2分子のピルビン酸に分解されます。そして、これらは生きている動物や植物、微生物により多くのエネルギーを与えるために利用されます。その後、グルコースは、グルコネオジェネシスという代謝化学反応によって炭水化物（グルコースなど）に、または同様の反応によって脂肪酸に戻される。また、アミノ酸のアラニンの原料となり、発酵によってエタノールや乳酸に変換されることもあります。

ピルビン酸は、酸素があるとき（好気性呼吸）にはクエン酸サイクルを介して細胞にエネルギーを与え、酸素が不足しているとき（発酵）には乳酸を作ります。

ピルビン酸の基本的性質

ピルビン酸（化学式 C3H4O3、英: pyruvic acid / pyruvate）は、3炭素のα-ケト酸（α-ケトカルボン酸）です。生理的条件下では主に脱プロトン化した陰イオン形のピルビン酸イオン（pyruvate）として存在し、さまざまな代謝経路の中間体として働きます。構造的にはメチル基（CH3）に続いてケト基（C=O）、そしてカルボキシル基（COOH）を持つ単純な有機酸です。

解糖での生成（要点）

• 解糖（glycolysis）では、1分子のグルコース（6炭素）が一連の反応を経て2分子のピルビン酸（各3炭素）に分解されます。
• この過程では総じて純生産としてATPが2分子、NADHが2分子得られます（好気・嫌気の条件でのその後の処理は別）。
• 解糖の最終段階でピルビン酸が生成される際の主要な触媒酵素はピルビン酸キナーゼ（pyruvate kinase）です。

ピルビン酸の代謝的運命（ハブとしての役割）

ピルビン酸は代謝の中心的中間体であり、細胞の状態や酸素の有無に応じて複数の道へ分岐します。主な経路は以下の通りです。

好気条件（酸素がある場合） — ミトコンドリアでの処理

• ピルビン酸はミトコンドリア内へ輸送され（ミトコンドリアピルビン酸キャリア、MPC による）、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体（PDH）によって脱炭酸され、アセチル-CoAとCO2に変換されます。この反応でNADHも生成され、アセチル-CoAはクエン酸回路（TCA回路）に入ってさらなる酸化とATP産生に寄与します。
• 別経路としてピルビン酸カルボキシラーゼ（pyruvate carboxylase）によりオキサロ酢酸（oxaloacetate）へ変換され、クエン酸回路の中間体の補充（補充反応＝アナプレロティック反応）やグルコース新生（グルコネオジェネシス）の出発点になります。

嫌気条件（酸素が不足する場合）— 発酵や乳酸生成

• 動物の骨格筋や一部の微生物では、酸素が不足するとピルビン酸は乳酸デヒドロゲナーゼ（LDH）により乳酸へ還元されます。この反応はNADHをNAD+に戻すため、解糖を継続させる上で重要です（乳酸は血液で運ばれ肝臓で再びグルコースに変換されることもあります）。
• 酵母や一部の微生物では、ピルビン酸はピルビン酸デカルボキシラーゼで脱炭酸されアセトアルデヒドとなり、さらにアルコールデヒドロゲナーゼでエタノールに還元されます（アルコール発酵）。

アミノ酸合成とトランスアミネーション

ピルビン酸はアラニンの主要な前駆体です。アラニンアミノトランスフェラーゼ（ALT, 別名GPT）の触媒により、グルタミン酸からアミノ基を受け取ってアラニンに変換されます。この可逆反応によりアミノ酸代謝と炭素骨格のやり取りが行われます。

その他の重要点

• ピルビン酸は糖新生（グルコネオジェネシス）や脂肪酸合成へと炭素を供給できる重要な分岐点です（直接脂肪酸になるわけではなく、まずアセチル-CoAを経由します）。
• 細胞の代謝状態や組織ごとの酵素発現により、ピルビン酸の流れは大きく異なります（例えば肝臓はグルコース産生に有利、筋肉は乳酸生成に傾くなど）。

重要な酵素と輸送体（まとめ）

• ピルビン酸キナーゼ（pyruvate kinase）— 解糖の最終段階でピルビン酸を生成。
• ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体（PDH）— ピルビン酸→アセチル-CoA（好気性代謝）。
• ピルビン酸カルボキシラーゼ（pyruvate carboxylase）— ピルビン酸→オキサロ酢酸（グルコネオゲネシスやアナプレロティック反応）。
• 乳酸デヒドロゲナーゼ（LDH）— ピルビン酸⇄乳酸（NADH/NAD+ の再酸化）。
• ピルビン酸デカルボキシラーゼ & アルコールデヒドロゲナーゼ — 発酵経路でピルビン酸→エタノール。
• ミトコンドリアピルビン酸キャリア（MPC）— 細胞質からミトコンドリアへの輸送に関与。

臨床的・生理学的意義

ピルビン酸代謝の異常はエネルギー代謝障害や乳酸アシドーシス、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ欠損症などを引き起こす可能性があります。血中乳酸値の上昇やALTの変化は肝機能や代謝状態の指標として臨床で用いられます。

まとめると、ピルビン酸は「解糖の産物」であると同時に「代謝の分岐点」として好気的エネルギー産生、嫌気的発酵、アミノ酸合成、グルコース新生など多様な役割を果たす重要な生化学物質です。

質問と回答

Q:ピルビン酸とは何ですか?

Q: ピルビン酸はどのように作られるのですか?

Q: ピルビン酸にはどのような用途がありますか?

Q:糖新生とピルビン酸はどのように関係しているのか?

Q: 脂肪酸はピルビン酸にどう関係しますか?

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