歴史生物学への誘い

　6/19　農民としては尤も忙しい季節である。持っている土地に生える雑草と一括して呼ばれる草を切るだけでも大変なのに、果樹の摘果・収穫・袋掛け・消毒と呼ばれる病害虫の防除・施肥は欠かせない。さらにこの時期は田植えの季節でもある。草刈り・耕起1・肥料散布・耕起2・代かき、そして田植えと続くのだが、平行して田植機用苗の育成も欠かせない。私はズルをして、苗は農協から購入した。さらに、各作業で使用する機械・器具のメンテナンスも必要である。

　要するに、天気と気温と使える時間を考えながら、これらの作業をこなさなければならない。長年やってきた人たちは黙々と手際よく捌いていくのだが、此方人等新米はそんなに上手くできるはずもない。迷路から出ようとする頭の悪いマウスのように、無駄な動きを重ねるばかりである。

　昨日、3反の田んぼの代掻きをし、今日田植えが終わった。残り3反の代掻きをするつもりだったが、水が意外に広がらず明日に延期した。今日済ましておけば後が楽になるとは思うのだが、できないことはできない。それにしても、6反も米を作ってどうなるのか不安である。反当たり8俵取れるとすれば、10月には48俵、30Kg袋で100袋近くとれるのである。これをどうやって売るか、頭の痛い話である。

　6/20　5時少し前に起床、天気予報を見ると極めて強い雨が降るような予報である。幾分あたる確率の高い雨雲レーダーによれば強雨域の北の辺縁なので、外れる可能性もあると判断し6時頃から代掻きを始めた。この判断は正しかったようで、さほど強い雨には遭わずに10時過ぎには終了。縣濁した土壌粒子が沈殿するのをまって田植えを強行、8割程終わっていやいや正しい気象判断であったとにんまりしていたら突然の強雨、全身ずぶ濡れである。早く終わろうと焦ったのが間違いで、最後の周回時に5条植と3条植の選択を間違ってしまった。こうなるとなかなかやり直しが難しい。3条分の苗を犠牲にして再度周回したのだが、所々に前回分の苗が残ってしまった。

　こうなると、田んぼのある場所が少し問題である。「道の駅うきは」のすぐ下で、基盤整備の済んだ田んぼ銀座の真ん中である。観光客のみならず多くの地元の人も通る。どうにかしたいが植え付けの失敗は隠しようがない。明日以降、新米がまた下手なことをしてという話題を提供したようだ。まあ1月もすれば稲も生長して、この失敗は目立たなくなるのだが。

　先月の20日過ぎから熟期となった桑の果実、一昨日で収穫を終えた。桑の果実を大量に取り扱っている人がほとんどいない理由を痛感した。大量の果実が20日程の間に一斉に熟してしまう。平均3〜4グラムの果実を手摘みしていては、とても間に合うものではない。

　さらに、摘んだ後の果実の逃げ足が極めて早い。その日のうちに処理をしないと次の日はグニャグニャになってしまう。この後熟の早さはきっとエチレンが原因であろう、エチレン生合成の阻害剤はなかったかななどと思っても、現場では役に立たない。あったにしても、当該植物に対する農薬登録がされていない限り、使えば違法行為である。植物生理学的知識などここではいらない、歩行禅ならぬ収穫禅の世界である。何も考えずに、ただただ果実を摘んでゆく。時々深呼吸をしないと、呼吸することさえも忘れている。

　収穫して、洗って、選果して、フリーザーに入れる。何も考えずに20日間、これを続けた。売る事など考える余裕はない。それでも4割ほどは過熟の果実となり、株元に落ちた。菌核病の事を考えると、果実を落とすのは好ましくないのだが。

　前回の予告通り、まず糖新生系を描いてみよう。解糖系の逆反応であると定義するならば、図に示すようにピルビン酸からはじまってグルコースに達する系路になるであろう。

　解糖系の逆反応とはいえ、解糖系とは最初の段階から異なっている。解糖系においてはホスホエノールピルビン酸（以下PEPと表記する）からピルビン酸への変換は、ピルビン酸キナーゼの存在下にリン酸基をADPに移しATPを生産する。しかし、この反応は可逆反応ではないためピルビン酸からPEPへの変換には別の系路が使われる。すなわち、ピルビン酸のメチル基がATPを消費しながら二酸化炭素と反応してオギザロ酢酸に変換される。（この反応は炭素の固定反応として考えられる場合もある。）得られたオギザロ酢酸はGTPを消費しながら脱炭酸反応を行い高エネルギーリン酸結合を持つPEPへと変換され、ここで逆行する解糖系の流れに乗るわけだ。

　ここからはエノラーゼによる水付加反応によって2-ホスホグリセリン酸、ホスホグリセロムターゼによるリン酸基の移動により3-ホスホグリセリン酸へと反応が進行する。得られた3-ホスホグリセリン酸はホスホグリセリン酸キナーゼの触媒下にATPからリン酸残基を受け取り1,3-ビスホスホグリセリン酸となる。13-ビスホスホグリセリン酸はカルボン酸とリン酸の混合酸無水物であり、カルボニル基の反応性が高くなっている。このカルボニル基にNADH₂⁺由来のハイドライドイオン（H^–）が攻撃することで還元反応が起こり、3-ホスホグリセルアルデヒドが生成する。

　この3-ホスホグリセルアルデヒドまでは、オギザロ酢酸を除きすべて3炭素化合物であり、それぞれ2分子が反応系を通ると考えてよい。次に2分子の3-ホスホグリセルアルデヒドのうち1分子がトリオースリン酸イソメラーゼにより1,3-ジヒドロキシアセトンリン酸（グリセロンリン酸）へ異性化されると、この1,3-ジヒドロキシアセトンリン酸と未変化の3-ホスホグリセルアルデヒドがアルドラーゼによるレトロアルドール縮合を起こし、6炭糖であるフルクトース-1,6-ジリン酸が生成する。フルクトース1,6-ジリン酸はフルクトー-1,6-ジリン酸ホスファターゼによる加水分解を受け、フルクトース-6-リン酸へ、フルクトース-6-リン酸はグルコースリン酸イソメラーゼによりグルコース-6-リン酸へと異性化された後、再度ホスファターゼによる加水分解を受けグルコースとなる。フルクトース1,6-ジリン酸以降にホスファターゼによって起こる2つの加水分解反応は、解糖系で起こるキナーゼによる反応とは異なり、ATPを生産することはない。

　従って、系全体を眺めると2分子のピルビン酸から1分子のグルコースをつくるためには、4分子のATPと2分子のGTP、6分子の水そして2分子のNADH₂⁺を消費することになる。そして、時にはピルビン酸の前に乳酸が描いてある場合があるだけでなく、糖原性アミノ酸やプロパン酸、グリセリンなどもグルコースをつくる原料であると記述されているし、グリコーゲンまで系を延伸している場合もある。グリコーゲンまでの延伸は、グリコリシスをグリコーゲンあるいはスターチから描く場合もあるので、これは良しとしよう。しかし、糖原性アミノ酸まで持ち出すのは幾分疑問を感じている。とはいえ、これらの系を糖新生系の関連代謝系とみなすと云うことだろうと考えておくことにする。またここで、反応メカニズムでも描き始めたらきっと嫌われるに違いない。取り敢えず、上の説明で良いとして話を進めることにする。

　さて、糖新生系(グルコネオジェネシス)は上述した説明で十分かと云えば、私は全く不十分であると考える。何故なら上の図はホモサピエンスの持つ糖新生系にすぎないからである。地球上にはホモサピエンス以外に数知れぬ生物種が存在する。そうした生物はいかなる糖新生系を持つのか。前節から分子系統樹の根本付近にいる微生物についての話が続いているので、これら微生物の持つ糖新生系について騙る、いや語ることから始めよう。Wordも雰囲気を察してか、騙ると変換してくれた。

　Thermoproteus uzoniensisを例に考えてみることにする。この古細菌は独立栄養性の超好熱菌で、Sulfulobus, Pyrodictium, Desulfurococcusなどと近縁の種であり、共通祖先に近い生物と考えられている。この古細菌の炭素代謝を見ると、酢酸からアセチルCoAを通りピルビン酸を生合成する酵素系を持つ。

　糖新生系の出発物質とされるピルビン酸からホスホエノールピルビン酸への変換は、ヒトの場合はオギザロ酢酸を経由して行われたが、この菌はpyruvate, phosphate dikinase [EC:2.7.9.1]並びにpyruvate, water dikinase [EC:2.7.9.2]により直接の変換が起こっている。（ATP + Pyruvate + Orthophosphate => AMP + Phosphoenolpyruvate + Diphosphate）と（ATP + pyruvate + H2O =＞ AMP + phosphoenolpyruvate + phosphate）形式的にはグリコリシスの逆反応のように見えるが、グリコリシスではphosphoenolpyruvate kinaseが働く別の反応で、反応の方向が逆である。（ATP + Pyruvate + <= ADP + Phosphoenolpyruvate）得られたPEPからグルコース-6-リン酸までの反応は本質的に同じであり、ヒトにおいてもこの反応系はよく保存されていると考えてよいだろう。それほど重要な系であるという意味である。以前、解糖系に対する異論について書いたとき、私はグルコースは盲腸のようなものであると書いた記憶がある。G-6-Pは多数の反応系が出入りするハブ化合物と云ってよいが、グルコースはそうでもないと書いた。共通祖先に近い生物と考えられているこのThermoproteus uzoniensisにおいてもG-6-Pを加水分解してグルコースへと導く系路は存在しないようだ。それはそうとして、Thermoproteus uzoniensisにおいては、酵素EC2.7.9.1を使う系を考えると2分子のピルビン酸と4分子のATP、2分子のNAD(P)H2と5分子の水からG-6-Pを作るわけである。

あれ、ヒトの持つ系より効率が良さそうだ。グリコリシスではより多くのATPを作る系の方が優れているという説明をよく見る。では、系の目的に合わせて考えたとき、Thermoproteus uzoniensisの糖新生系の方が優れていると判断してよいのだろうか。この疑問には一寸したトリックがある。ピルビン酸からPEPを作るThermoproteus uzoniensisの系は、ATPを消費してADPではなくAMPを形成する。AMPからATPの再生を考えると、ヒトの系と効率は同じになる。ああ、安心したと思われる人がいるかも知れないが（私はなんとも思わない）、それでもまだ少しだけ問題が残る。酵素EC2.7.9.1を使う系ではPEPとともにリン酸ではなくピロリン酸が生成するのである。ピロリン酸にはまだエネルギーが保存されているため、これを考慮すると、またもやThermoproteus uzoniensisの方が優位に立ってしまう。

　さて、合理的な説明は可能なのであろうか？

過剰と蕩尽16に続く

　12月に入って10日余り、昨日から雨が降っているとはいえ、かなり暖かい日が続いている。11月に一度寒い時期があったことが原因かも知れないが、畑のパクチョイは全て抽苔してしまい花盛りである。抽苔すると葉が硬くなり味が落ちるので全てを切ろうかと思ったが、よく見るとミツバチが多数訪れて採密している。夏の間、仕方なく使った殺虫剤でミツバチも殺していたはずである。ここは罪滅ぼしだなと考えて、しばらくそのまま維持することにした。

　暖かさにつられたのか、ボリジも芽を出し順調に生長し蕾までつけかけている。6月末に虫害で枯れてしまっていたが、種子が落ちていたのだろう。

　ついでにエンドウを植えていたのだが，これも順調に生育中である。このエンドウ、ファラオバイオレットと云われる品種で、いまではさほど珍しくなくなったとはいえ、ツタンカーメンの副葬品のなかにあったという由来の品種である。エンドウの種子が、いくら乾燥状態にあったとしても3,200年余りの保存に耐えるのかどうか、私には分からない。とはいえ、1つのロマンとして楽しめばよい。豆が実る頃のさやの色が美しいので、その頃再度アップする予定である。

　さらにムギ、麦わらを買ってブルーベリーのマルチ代わりに敷いていた。ところが、10月の半ば頃からムギの芽がぐんぐん伸び始め、元気よく出穂までしてしまった。しばらく前から花も咲いていたので、稔るかもしれないと放置していたら種子ができはじめたようである。これらのムギは収穫に至るのだろうか。

これから書き続けていくに際して、一言だけ言い訳をしておきたい。以前に解糖系とTCA回路について、幾分詳しく書いた。今後の話において、繰り返し、重複が頻発する可能性が高い。惚けているわけではなく、これからの内容を書きたいが故に、一部を先行させたと理解して欲しい。とはいうものの、惚けている可能性も否定できない。
解糖系（グリコリシス）についての説明を読むと、ヒトの立場からの認識だなと感じる。何しろ、グルコースが出発物質でありピルビン酸が生成物と定義してある。ヒトがヒトの立場から考えて何が悪いと問われるかもしれない。この捉え方を否定はしないが、ヒトの立場で見た解糖系があるのであれば、バクテリアの立場で見た解糖系、古細菌の立場から見た解糖系などが、同じヒエラルキー上にあってもおかしくはない。私の立場は、ヒトの視座を絶対化せずに、相対化した視座から解糖系を眺めたらいかなる風景が見えるか考えましょうと云う立場である。
いきなり熱水噴出口周辺に生きる微生物の話に戻ることにする。前々回に私は、「炭素源を二酸化炭素に求めるか、それともマントルから湧出する炭化水素に求めるかが問題だとは思うが、いずれにしても栄養源は十分にある条件下に生物の発生は起こったと考える」と書いた。個人的には二酸化炭素が炭素源であると思っている。何故ならば、分子系統樹の根本付近にいる真正細菌であるAquifex、Thermotoga、及び古細菌であるThermoproteus、Thermococcusに属する細菌類の中で、独立栄養を営むThermotogaとThermoproteus、そして化学合成独立栄養を営むThermococcusの仲間が、酢酸からつくられるアセチルCoAを用いて二酸化炭素を固定する系路とともに、得られるピルビン酸にもう1分子の二酸化炭素を固定してリンゴ酸を生合成する系路を持つからである。要するに、これらの菌は炭素化合物の代謝を酢酸から出発させていると云ってよい。とすれば、これらの菌体内で先に動くのは糖新生系であることは自明のことだろう。糖新生系で多糖類が、あるいはグルコースが合成された後で、その逆反応としての解糖系が機能し始めたと考えるべきであろう。こうした視座からKEGGの説明文を読むと、2つの系の関係が逆転しているとしか思えない。独立栄養細菌はアセチルCoAとして、いやグリコリシスであればピルビン酸として初発物質を投入するのである。その結果、ピルビン酸の一部は糖新生系を通って多糖類へと流れ、また一部はさらに1分子の二酸化炭素を固定しリンゴ酸へと変換されるのである。こうした理解から私が2つの系を説明するとすれば、
「グルコネオジェネシスはピルビン酸を多糖に変換するプロセスであり、少量のATP(エネルギー)とNADH(還元力)を消費する。それは重要な代謝前駆体群：6炭素化合物であるグルコース-6-リン酸とフルクトース-6-リン酸、及び3-炭素化合物であるグリセロン-リン酸、グリセルアルデヒド-3-リン酸、3-ホスホグリセリン酸、そしてホスホエノールピルビン酸を生産する中心系路である。反応の出発物質であるピルビン酸は、もう一つの重要な代謝前駆体であるアセチルCoAからフェレドキシンを補酵素とする炭素固定反応により供給される。グリコリシスは従属栄養生物に分布するグルコースをピルビン酸まで分解する系路で、主に従属栄誉生物で機能する系路である。この系路は、いくつかの別反応を含むにしろ、本質的にはグリコネオジェネシスの逆反応である。」となる。
要するに、エネルギーは熱水中に含まれるポリリン酸、あるいは硫化水素、メタン、鉄イオンなどに依存し、二酸化炭素を固定することで生きている嫌気的細菌がいまでもいるわけである。彼等の持つ代謝系は、間違いなく好気性の生物が持つ系より古い起源を持つ。グリコリシスとグルコネオジェネシス、ほとんど同じだが逆のベクトルを持つ2つの系路だが、歴史的にはグリコネオジェネシスが先行する。グルコネオジェネシスが成立した後で、グリコリシスが機能しはじめた。この解釈に間違いはないだろう。
先日、何処で読んだか記憶を失ったのだが、一種類の動物しか診断できない獣医を「医者」と呼ぶと書いてあった。思わず笑ったのだが、ヒトしか相手にしない医学教育でよく使われる生化学の教科書、レーニンジャー新生化学、リッピンコット生化学、ハーパー生化学などの書籍において、現状のグリコリシスの概念を記述するのは構わない。しかし、植物あるいは微生物を対象とする書籍においては、グルコネオジェネシスに対する記述をもっと増やすべきではないだろうか。植物であっても、グリコリシスの位置づけは我々とは違うのだから。
次回は、少しだけ詳しくグルコネオジェネシスを追いかけてみたい。

過剰と蕩尽　14　に続く