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栄養と栄養素について

投稿日:2019年2月24日 更新日:

投稿「SmartLife NutraPakについて – スマートライフ ニュートラパックについて」に関連して栄養について知っておくべきことを以下にまとめています。栄養学・生物学・生化学・有機化学に関するもので高校の授業程度の内容ですので、理解できる範囲で飛ばし読みされればと思います。

栄養(nutrition)とは、生物が体外の外界から物質を摂取してそれを生体を構成・維持したり、生活活動を実践したりすることに役立たせる現象をいいます。摂取される物質を栄養素といいますが、これが必要とされるのはこの物質が生体内の需要を生体内で合成する生合成だけで賄うことができず、外部からの取り込みに頼ることが理由です。栄養素の摂取方法は生物種により多岐にわたります。
生育に必要な炭素を得るために有機化合物、すなわち炭素Cを含む化合物を利用する生物を従属栄養生物栄養段階の「生産者」または「消費者」)といい、生育に必要な炭素を得るために二酸化炭素CO2または重炭酸塩などの無機化合物(重炭酸塩は炭酸H2CO3の水素H1個を金属で置換し、一部の水素を残したままの塩で炭酸水素塩とも呼ばれる炭酸水素イオンHCO3を含む水素塩)だけを炭素源とし、をエネルギー源とする生物を独立栄養生物(栄養段階の「生産者」)といいます。
栄養素とは、従属栄養生物であるヒトを含む動物では、栄養学的には栄養および健康維持のために摂取する食事由来の物質を要素として指す用語であって、タンパク質脂肪炭水化物3大栄養素の他にミネラルとも呼ばれる無機質ビタミンなどをいい、また生物学的には栄養のために代謝され生体内物質の原料やエネルギー産出に利用することを目的として外部から摂取される物質をいいます。
独立栄養生物である植物は根の外で微生物などによって分解された元素を直接栄養素として水と一緒に吸収します。一般に普遍的環境に存在する酸素(、植物では光合成のための原料である二酸化炭素、エネルギー源であるも必須)やなどは栄養素に含めない傾向があります。どのような物質が栄養素となうるかは生物種によって異なります。
ヒトの栄養素は(1)有機栄養素炭水化物脂肪タンパク質ビタミン、(2)無機栄養素無機塩類(ナトリウム塩である食塩カリウム塩カルシウム塩マグネシウム塩の他、ヨウ素といったミネラル)などです。有機栄養素の場合、それらを構成する物質の種類、例えばタンパク質の場合の構成アミノ酸なども重要となります。ヒトの細胞を構築するための物質やエネルギー産出のための物質はその必要量も多く主要栄養素と呼ばれ、調節機構にかかわる物質は取り込み量も少量であるので微量栄養素と呼ばれます。
主要栄養素は、元素的に見れば、タンパク質核酸糖類を構成する酸素O、炭素C、水素Hおよび窒素Nであり、これらは主要四元素と呼ばれます。その他、リンPおよび硫黄S、ならびに細胞内外に存在し様々な働きをするカルシウムイオンCa2+(神経の伝達、筋肉の収縮、骨や歯をつくる、血液を固めるなどの働きをします。)、食塩NaCl由来のナトリウムイオンNa+(身体の水分量および浸透圧の調節、神経の伝達、筋肉の収縮など)および塩素イオンCl(身体の水分量および浸透圧の調節、胃酸の分泌など)、マグネシウムイオンMg2+(筋肉の収縮、骨や歯をつくる、酵素の活性化など)、カリウムイオンK+(神経の伝達、筋肉の収縮、心臓の収縮など)などの供給源となる水などの溶媒中で陽イオンと陰イオンに電離する物質である電解質(イオンそのものを指す場合もあります。)があります。
栄養素は細胞に取り込まれる際に能動的あるいは受動的に細胞膜を通過して輸送されます。これを能動輸送受動輸送といいます。分子量の小さい有機栄養素や水溶性が高いイオンなどの無機栄養素は受動輸送の一種である拡散輸送されることがほとんどですが、グルコースなどの分子量180以上の大きな有機栄養素の多くは、選択的に、これも受動輸送の一種である促進拡散により輸送されます。ヒトを含む従属栄養生物は消化酵素などを分泌して生体外や消化管で食餌を摂取可能な物質に分解して栄養素として取り込みます。生体内に取り込まれたほとんどの有機栄養素は代謝作用により一旦分解され、また別の化合物として再合成されて利用されます。エネルギー産出機構である細胞呼吸は、グルコース(ブドウ糖)ないしはフルクトース(果糖)かその代謝過程の中間代謝物である低分子の有機酸をエネルギー源として利用しています。またアミノ酸や脂肪酸の代謝も同様です。主要栄養素のエネルギー量は平均すると脂肪で9 kcal/g(37.7 kJ/g)、タンパク質と炭水化物で4 kcal/g(16.7 kJ/g)です。生体内に取り込まれた栄養素はプールされ、リサイクルされています。

■ 3大栄養素について
タンパク質、脂肪、炭水化物を指す「3大栄養素」は、栄養素の中でも特に摂取量が多く体を動かし体温を保つためのエネルギーとなるもので「エネルギー生産栄養素」とも呼ばれます。3大栄養素に加えて代謝を補助するための必須物質であることから無機質ビタミンも含めて「5大栄養素」と呼ばれるようになり、また最近は5大栄養素に食物繊維フィトニュートリエントと呼ばれる植物由来成分も加えて「7大栄養素」とされることが一般的になっています。以下、7大栄養素として順次説明します。

● 炭水化物
近年は糖質化学、分子生物学の影響で「糖質」と呼ばれることも多い炭水化物は、または単糖(単純糖とも)と消化酵素で分解されずエネルギー源とはなりにくい食物繊維から構成されており、穀物に多く含まれています。主にはコメ(ご飯、餅)、(パン、麺類)、果実砂糖に多く含まれます。
糖は、それ以上加水分解されない糖類である単糖を基礎的なものとして単糖分子の結合度合いにより二糖三糖四糖少糖多糖に区別され、また糖を構成する炭素原子の数により三炭糖(トリオース)、四炭糖(テトラオース)、五炭糖(ペントース)、六炭糖(ヘキソース)、七炭糖(ヘプトース)などに区別されます。

単糖
グルコース(ブドウ糖)やフルクトース(果糖、ハチミツ、果樹の果実、ベリー類、ある種の根菜に含まれます。)、ガラクトース(乳製品や甜菜などに含まれます。)などは水に溶解させても化学的構造・性質が変化しない単糖類に分類されます。グルコース、フルクトース、ガラクトースなどの分子式C6H12O6は同じですが構造が異なり、この関係を構造異性体といいます。
無水状態の単糖類はアルデヒド基またはケトン基をいずれか一つを持つ直鎖構造を取り、アルデヒド基を持つものをアルデヒド型、ケトン基を持つものをケトン型といいます。水溶液中では、グルコースとガラクトースはアルデヒド型直鎖構造体、α型環式構造体、β型環式構造体の3種類の平衡状態を取ります。環式構造体について特に指定しない場合には六員環と見なしてください。α型、β型というのは糖が環式構造を取るときの光学異性体を区別するための標識で、炭素環の1位の炭素原子のヒドロキシ基(水酸基)が環の外向きであるものをα型、環の内向きであるものをβ型といいます。フルクトースは、ケトン型直鎖構造体、五員環と六員環それぞれのα型環式構造体、β型環式構造体の5種類の平衡状態を取ります。五炭糖であるリボースはリボ核酸の構成糖としても知られていますが、水溶液中では、アルデヒド型直鎖構造体、五員環と六員環それぞれのα型環式構造体、β型環式構造体の5種類の平衡状態を取ります。
水溶液中の環状の単糖類は、α型、β型にかかわらず炭素環の1位の炭素原子にヒドロキシ基を持ち、自己のヒドロキシ基を巻き込んで環状アセタールという化合物を形成します。この時に自己のヒドロキシ基と共に他の糖のヒドロキシ基も巻き込んで環を形成することで単糖が多数連結された多糖を形成します。
アセタールの形成過程において、すなわちアルデヒド、ケトンがアルコールと可逆反応してエーテル(2個の炭化水素基R, R’が酸素原子により結合されたR-O-R’の総称であり、この酸素原子による結合をエーテル結合といいます。)の一種であるアセタールを生成する場合の反応中間体である環が開かれた鎖状のヘミアセタールは自らのヒドロキシ基がH+を得るプロトン化により水H2Oとして脱離し、ヘミアセタールは炭素原子上に正電荷を持つ陽イオンである安定的なカルボカチオンになり、可逆性は維持されます。したがって反応条件に応じて鎖状ヘミアセタールは環状アセタールの合成またはアルデヒドもしくはケトンとアルコールへ還元のいずれかに可逆的に進みます。
上述の多糖が形成される場合のアセタールの結合はグリコシド結合と一般的に呼ばれます。いずれも環状構造を持つグルコースとフルクトースがグリコシド結合したスクロース(ショ糖)は二糖の1種で、水溶液中でグルコースとフルクトースに加水分解されますがスクロース分子自体にヘミアセタールに相当する部分が存在しないため還元性を示さないのに対し、同じ二糖の1種でもあるグルコース2分子がグリコシド結合したマルトース(麦芽糖)はヘミアセタール部分が存在するため還元性を示します

二糖
砂糖の原料でもあるショ糖(スクロース)、麦芽糖(マルトース)や乳糖(ラクトース)などで、単糖2分子が結合(脱水縮合)した糖です。少糖であるオリゴ糖の一種とされることもあります。

少糖
オリゴ糖とも呼ばれ、三糖、四糖も含みます。単糖が2~20個結合したもので、分子量は300~3,000程度です。

多糖
多数の単糖が重合した物質の総称でいずれもグルコース由来のデンプングリコーゲンセルロースなどがあります。

糖質の摂取と輸送
天然のD-グルコースは、血糖として動物の血液中を循環している糖です。糖は植物中の葉緑体において水H2Oと二酸化炭素CO2から合成されます(光合成)。食事から摂取された植物由来の炭水化物は小腸でグルコースなどに分解・吸収されますが、グルコースの分子は極性を有しており、生体膜を通過するためには特定の膜輸送タンパク質を必要とします。小腸の頂端膜や腎臓の上皮細胞を通るグルコースの輸送は、小腸や腎尿細管などの限られた臓器にのみ存在するポンプと呼ばれるNa+/グルコース-共役輸送タンパク質SGLTの存在に依存します。これらは、ATPをエネルギー源とするナトリウムポンプのつくるNa+電気化学的勾配を利用して二次的に活性化される二次性能動輸送タンパク質で、グルコースの細胞内濃度を高めます。さらにグルコーストランスポーターである膜輸送タンパク質GLUTが高濃度となったグルコースを効率的に促進拡散により輸送します。SGLTは細胞外の高いナトリウムイオンNa+濃度を利用してグルコースとNa+を細胞内へ同時輸送(共役輸送)するもので2015年時点でSGLT1からSGLT6までが見つかっています。
グルコースは細胞呼吸のための最も重要なエネルギー源であり、脳の一部、腎臓髄質、赤血球はグルコースを唯一のエネルギー源とする臓器または細胞であるといわれている他、脳は体重の2%を占めるに過ぎませんが、グルコース消費量は全体の20%にも達するといわれています。植物ではデンプンとして、動物では血液中のグルコース濃度が十分高くなると肝臓がグリコーゲンとして貯蔵(合わせて「貯蔵多糖」と呼ばれます。)します。
トランスポーターにより細胞内に運ばれた糖は解糖反応、エネルギー通貨であるATPの生成反応を経て異化反応で生成された物質はミトコンドリアに運ばれ、TCA回路(クレブス回路またはクエン酸回路とも呼ばれます。)に関わる酵素群が最終的に二酸化炭素CO2と水素原子Hにします。ミトコンドリアの中の水素Hは酸素O2と結合させられ水(H2O)を生じ、この時に放出されるエネルギーを使いATP合成酵素が、ATPを作ります。

● タンパク質
プロテインとも呼ばれるタンパク質は主に肉類魚介類乳製品豆類に多く含まれます。タンパク質はアミノ酸が鎖状に多数連結(重合)した高分子化合物(ポリマー)です。構成するアミノ酸の数や種類、結合の順序によって種類が異なり、分子量4,000前後のものから数千万、億単位にまで多種類が存在しますが、連結するアミノ酸の個数が少ない場合にはペプチドと呼ばれます。タンパク質は消化の過程で消化酵素により遊離アミノ酸にまで分解された上で吸収され体内で再びタンパク質として構成されます。

アミノ酸
アミノ酸は溶媒中でプラスに荷電するアミノ基-NH2とマイナスに荷電するカルボキシ基-COOHを持ち、天然には500種類ほどのアミノ酸が発見されていますが、ヒトのタンパク質では20種類のアミノ酸から構成されています。アミノ酸にも糖と同じく鏡像体が存在しますが、糖がほとんどD体であるのに対し、生命体のタンパクを構成するアミノ酸はほとんどがL体です(左右不斉問題)。生体内で合成できないアミノ酸は特に必須アミノ酸と呼ばれ、ヒトでは9種類の必須アミノ酸を食事から摂取する必要があります。必須アミノ酸ではないアミノ酸は「可欠アミノ酸」と呼ばれますが、摂取バランスが乱れると代謝異常や欠乏症を起こす場合があります。ちなみに栄養学では「たんぱく質」、生物学では「タンパク質」と表記される傾向があるようです。アミノ酸の定義として広義では、特に化学分野などではアミノ基-NH2とカルボキシ基-COOHの両方の官能基を持つ有機化合物の総称とされるのに対し、狭義には、特に生化学分野を含む一般的な場合などでは生体のタンパク質の構成単位となるα-アミノ酸を指します。

左右不斉問題
不斉炭素原子とは、1分子中の炭素原子に4個の互いに異なる原子または原子団が結合したものをいいC*と表記します。炭素原子には最大4個の原子や原子団が共有結合することができ、このとき4個の結合はすべて単結合であり4個の原子は炭素原子を中心とする正四面体の各頂点に位置することになります。たとえばメタンは炭素原子に4個の水素原子が単結合しており各水素原子は正四面体の各頂点に位置しています。メタンはどのように回転させても、またその鏡像体であっても同じ構造となりますが、水素の代わりに4個の互いに異なる原子または原子団が結合すると重ね合わせることができない鏡像体(「光学異性体」と呼びます。)が必ず存在することになります。

不斉炭素原始

炭素に限らず一般にn個の不斉原子を有する化合物には2n個の鏡像関係にある光学異性体が存在します。不斉炭素原子を持ち、光学異性体が存在する糖やアミノ酸を実験室で合成すると等量のL体とD体の混合物となるのに対し、生命体が取り込む単糖がほとんどD-糖であり、また生命体のタンパク質を構成するアミノ酸がほとんどL-アミノ酸であることを研究する問題で、生命の起源に関する研究でもあります。解明はまだ済んでいませんが、数十億年前に偶然合成された最初のアミノ酸が50%の確率でL-アミノ酸であったと仮定し、同じく合成された最初の糖が50%の確率でD-糖であったと仮定し、いずれかが最初の1個の生命として進化の途中で他方を利用するようになり、そこからL-アミノ酸とD-糖を利用する唯一の生命が増殖し、現在のすべての生物まで進化したのではともいわれています。ちなみにD、Lは「右」、「左」のギリシャ語「dextro」、「levo」の頭文字です。

● 脂肪
脂肪は、近年は「脂質」とも呼ばれますが、正しくは脂質は摂食された脂肪から生体内で代謝誘導されたものを指し、主に植物油バターラードなどに含まれます。中性脂肪(グリセリン脂肪酸エステルを指しますが、狭義には常温で固体の中性脂質を呼びます。脂肪酸とグリセリンが結合して中性を示すことから「中性脂肪」と呼ばれます。)はヒトを含む動物のエネルギー源であるグルコース(ブドウ糖)が不足した場合にそれを補うための代用エネルギー源となるものです。グリセリン脂肪酸エステルにはモノグリセリド、ジグリセリド、トリグリセリドが存在しますがヒトの血液中に含まれる中性脂肪のほとんどがトリグリセリドであるため、中性脂肪をトリグリセリドと同義とする場合も多いようです。体内で余ったグルコースは肝臓で中性脂肪に変換され、血液により運搬され体脂肪皮下脂肪内臓脂肪)として蓄えられます。ヒトを含む高等動物においては体表近くに脂肪を蓄積することで外部からの打撃を吸収し、体温を維持し、体表に分泌することで表皮や体毛を健全に維持するなどの役割を果たします。また脂質は生体の細胞膜を維持する機能も有しています。中性脂肪は肝臓で増え過ぎれば脂肪肝に、皮下組織で増え過ぎれば肥満につながります。
トランス型不飽和脂肪酸、いわゆるトランス脂肪酸は、LDLコレステロールを増加させ心血管疾患のリスクを高めるとして、2003年に世界保健機関WHO/国際連合食糧農業機関FAO合同専門委員会によって摂食を1日1%未満に控えるとの勧告が発表され話題になりました。LDLコレステロールは、以前は「悪玉コレステロール」と呼ばれていましたが、近年LDLの目標値を設定するエビデンスはないとされ、この呼び方は否定されています。同じく、血管内皮など末梢組織に蓄積したコレステロールを肝臓に運ぶ働きがあることから「善玉コレステロール」と呼ばれていたHDLコレステロールが存在しますが、HDLコレステロールとLDLコレステロールは、コレステロール分子自体は同じものでコレステロールが結合するタンパク質が違うだけです。コレステロールは、血液中で脂質とタンパク質からある機能を持った部分を取り除いたアポタンパク質が結合したものであるリポタンパク質と呼ばれる粒子を媒体として輸送されます。リポタンパク質は集積度により分類されており、LDL-低集積リポタンパク質は肝臓から他の臓器にコレステロールを運び、HDL-高集積リポタンパク質は逆に他の臓器から肝臓にコレステロールを運ぶものとして役割が違うと考えられるようになっています。
シス型不飽和脂肪酸であるオレイン酸は、オリーブ油から初めて単離されたことが名前の由来であり、ω 9(オメガ9、二重結合の位置が9番目であることを示します。)に分類されます。オレイン酸は融点が16度と低く体温環境下で脂肪酸を液体に保ち流動性を増加させます。ラード(豚の体脂肪)やヘット(牛の体脂肪)にはオレイン酸が全脂肪中50%近く含まれており、母乳では1/3を占めています。植物は、オレイン酸からベニバナ油、コーン油、大豆油に多く含まれるリノール酸(ω 6に分類)を生成し、さらにエゴマ油、セイヨウアブラナ油(キャノーラ油)に多く含まれるα-リノレン酸(ω 3に分類、エイコサペンタエン酸(EPA)、ドコサペンタエン酸(DPA)の生成に必須です。)を生成します。リノール酸、α-リノレン酸はヒトの必須脂肪酸でもあります。

■ 5大栄養素 – 代謝を補助するための必須物質

無機質またはミネラル(灰分、供給会社によっては電解質(電解質は正しくはミネラルの一部))とも呼ばれる栄養素であって、身体の組織を構成し、体内で合成されないという特徴を持ち、主に牛乳乳製品小魚海藻果実などに含まれます。一般的な有機物に含まれる4元素(炭素C、水素H、窒素N、酸素O)以外の必須元素で、元素原子、塩、イオンの形を取り、Fe(不足すると貧血、動悸、息切れを誘発、鉄を多く含む大豆やアサリとビタミンCを含むブロッコリー、小松菜、サツマイモ、ジャガイモと一緒に摂食すると鉄の吸収を促進)、亜鉛Zn、マンガンMn、Cu、ヨウ素I、セレンSe、クロムCr、モリブデンMoなどの微量ミネラルとある程度まとまった量が必要とされるナトリウムNa(過剰摂取による脳卒中や高血圧を誘発)、カリウムK、カルシウムCa(不足すると骨粗鬆症やいらいらしやすくなりますが、炭酸飲料はCaの吸収を阻害する他、リンPを含むリン酸はCaと結合して吸収されにくいリン酸カルシウムとなるためCa不足を誘引、牛乳や乳製品とビタミンDを含むきのこ類や卵、鮭と一緒に摂食するとCaの吸収を促進)、マグネシウムMg、リンP、塩素Cl、硫黄Sは多量ミネラルと呼ばれます。多過ぎても少なすぎても健康を害します。

● 必須栄養素のうち、炭水化物、タンパク質、脂肪以外の有機化合物の総称であるビタミン補酵素(コエンザイムとも呼ばれる、酵素反応の化学基の授受に作用する低分子量の有機化合物)や補因子(酵素の触媒活性に必要なタンパク質以外の化学物質)として作用する有機物質が生合成で不足する場合に摂食されてその不足が補われます。主に緑黄色野菜果実レバーなどに含まれます。水に溶ける水溶性ビタミン(ビタミンB1、B2、B6、B12、C、ナイアシン(ビタミンB3、ニコチン酸およびニコチン酸アミドの総称)、パントテン酸(旧ビタミンB5、補酵素A)、葉酸(ビタミンB9)、ビオチン(ビタミンB7))と油脂に溶ける脂溶性ビタミン(ビタミンA、D、E、K)があります。水溶性ビタミンは尿などとともに体外へ排出されやすいので、頻繁に摂取する必要があります。また、脂溶性ビタミンは油と一緒にとると吸収がよくなり、排出されにくいため過剰摂取による肥満に注意する必要があります。特にパントテン酸とも呼ばれる有名な補酵素A(コエンザイムA、コエンチームA、CoA)は生体内でエネルギーを産出するTCA回路(クエン酸回路)およびβ酸化に関与します。TCA回路とβ酸化は機会があれば説明します。

■ 7大栄養素 – その他の物質

食物繊維はヒトが体内で消化・吸収できない食物成分で、水に溶けにくい不溶性食物繊維と水に溶ける水溶性食物繊維があります。不溶性食物繊維は、胃腸で水分を吸収し、腸を刺激し、蠕動運動を活発にするため便秘の解消に効果があります。主に、穀類きのこ類イモ類豆類に多く含まれます。水溶性食物繊維は、大腸内での発酵によりビフィズス菌などが増えるといった整腸効果があります。リンゴミカンなどの果実コンブワカメなどの海藻に多く含まれます。

フィトケミカル(ファイトケミカルphytochemicalとも呼ばれ、「植物性化学物質」と訳されます。)またはフィトニュートリエント(ファイトニュートリエントphytonutrientとも呼ばれ、「植物由来栄養素」と訳されます。)は前者で呼ばれる場合は毒素を含む植物中に存在する化学物質全般を指しますが、後者で呼ばれる場合には人の健康や美容に様々な恩恵をもたらす植物由来成分、つまり天然の化学成分であって、自ら動くことができない植物が昆虫や草食動物からの被食の回避、色や匂いを見分ける昆虫の誘引、あるいは紫外線から身を守るために生成する物質であり、活性酸素から身体や肌を守り、免疫力を高める作用があるなどといわれています。分類の仕方は様々ありますが、ポリフェノール群カロテノイドを含むテルペノイド群有機イオウ化合物群に大別され、その他のものに糖関連化合物アミノ酸類があります。ポリフェノール群は、光合成によってできた色素成分と渋み、苦味、えぐみ、アクの成分で抗酸化作用があるといわれています。またポリフェノール群は、フラボノイド系フェノール酸系に分類することができます。フラボノイド系は植物が光合成する際に産出される色素系成分であり、蓄積したLDLコレステロールの酸化を阻害し、高血圧、動脈硬化などにも有効といわれています。フェノール酸系は特に色素以外の成分を指す場合に用いられていることが多いようです。カロテノイド群は、植物、動物、微生物などが持つ黄色、赤色、紫色などの色素および辛味、苦味、香り成分の総称で抗酸化作用があり、β-カロテンに似た構造を持つ他、美肌や目の健康維持にも効果的といわれています。カロテノイド群はカロテン類とキサントフィル類に分類することができます。カロテン類は炭素と水素から成る化合物、アルコールに溶け細胞膜脂質に働くいわれています。キサントフィル類は炭素、水素および酸素から成る化合物、アルコールには溶けず細胞内で働くといわれています。イオウ化合物群は、ニンニクやネギなどの刺激のある香り成分の総称で抗酸化、抗血栓作用があり、血栓の詰まりをスムーズにし、血液をサラサラにするといわれています。下記リンクをクリックすると50種類以上のフィトニュートリエントの名称、成分、多く含む植物、作用・効能をまとめた一覧表が表示されます。このページに戻る場合にはブラウザの戻るボタンをクリックしてください。

フィトニュートリエント

● 水は生体で行われるすべての水溶性化学反応の溶媒であり、排泄された分は摂食により補給されます。

〔ビタミンの項の補足〕

TCA回路(クエン酸回路)とは細胞内(細胞質基質)で行われるグルコースの代謝における解糖や脂肪酸の代謝におけるβ酸化により生成されるアセチルCoAが送り込まれるミトコンドリア内のATP生産を行う回路です。解糖または解糖系と呼ばれる一連の生化学反応はATPを生産しながらグルコースピルビン酸に分解(異化)するものです。アデノシン三リン酸 ATPは、アデノシンの糖(リボース)に3分子の化学式H3PO4の無機酸であるリン酸が付いた2個の高エネルギーリン酸結合を持つヌクレオチドnucleotide(ヌクレオシドnucleosideにリン酸からヒドロキシ基(-OH、水酸基)を取り除いたリン酸基H2PO4-が結合した物質でDNAやRNAを構成する単位でもあります。)です。ATP自体がリン酸供与体としても機能します。ATPは加水分解によりエネルギーを放出してアデノシン二リン酸ADPとリン酸に、またはアデニル酸とも呼ばれるアデノシン一リン酸AMPとピロリン酸に変化し、逆にリン酸と無水結合するときはエネルギーを吸収・蓄積します。このようにATPは、リン酸1分子が解離・結合するだけでエネルギーの放出・貯蔵、物質の代謝・合成などの活動において重要な役割を果たし、「生体のエネルギー通貨」とも形容される物質です。ATPは先の解糖で産出される他、蓄積したグリコーゲンを再変換するなどしても生じます。 解糖でグルコースからピルビン酸までの反応とATP収支は、次表のとおりです。

反応 反応物 生成物 ATP収支
リン酸化 グルコース+ATP グルコース-6-リン酸+ADP -1
異性化 グルコース-6-リン酸 フルクトース-6-リン酸 0
開裂 フルクトース-6-リン酸+ATP 2×グリセルアルデヒド-3-リン酸+ADP -1
酸化 2×グリセルアルデヒド-3-リン酸+2NAD+ 2×1,3-ビスホスホグリセリン酸+2NADH2+2P+ 0
リン酸基転移反応 2×1,3-ビスホスホグリセリン酸+2ADP 2×3-ホスホグリセリン酸+2ATP 2
脱水反応 2×3-ホスホグリセリン酸 2×ホスホエノールピルビン酸+H2O 0
リン酸基転移反応 2×ホスホエノールピルビン酸+2ADP 2×ピルビン酸+2ATP 2
グルコース→ピルビン酸(解糖系)のATP収支

1分子のグルコースを2分子のピルビン酸に異化することで2ATPの収入となります。解糖系で生成されたNADH2やプロトンH+などの酸化還元に関わる物質は輸送系を経由してミトコンドリア内に運ばれます。 解糖で生成されたピルビン酸はH+/ピルビン酸-共役輸送体により細胞質からミトコンドリアへ輸送され、以下の方式でアセチルCoAとなります。

ピルビン酸+NAD++CoA→アセチルCoA+NADH2+CO2

NAD+とはニコチンアミドアデニンジヌクレオチドという電子伝達体で様々な脱水素酵素の補酵素として機能し、酸化型(NADまたはNAD+)および還元型(NADHまたはNADH2とも表記)の2つの状態を取ることができます。NAD+はニコチンアミドジヌクレオチドとアデノシン(核酸塩基のプリン塩基であるアデニンと糖であるリボースからなるヌクレオシド(リン酸を含まない核酸塩基と糖の化合物で、リン酸を含む場合はヌクレオチド(核酸)になります。))から成りアデノシンの-OH基がリン酸基に置換されると同じ脱水素酵素であるNADP+になります。2電子酸化還元反応に関与するのはニコチンアミドです。同様の電子伝達体であるFADは酸化還元反応の補因子でFADは還元されて2個の水素を受容しFADH2となります。 CoA(補酵素A、コエンザイムA、パントテン酸、旧ビタミンB5)とは酵素反応の化学基の授受に作用する低分子量の有機化合物である補酵素(コエンザイム)の1種でこれが不足した場合にはビタミンとして補給する必要があります。アセチルCoAは脂肪酸の代謝を行うβ酸化によっても生成されます。

細胞内小器官の一つであるミトコンドリアは外膜と内膜という二枚の脂質膜から構成され内膜に囲まれた内部をマトリックスと呼びます。外膜は分子量5,000以下の分子が自由に透過できるチャネルが形成されています。内膜はマトリックス側へ陥入することで表面積を大きくし、マトリックスで行われる電子伝達系の能力を高めています。内膜と外膜の表面積比は細胞のATP需要と相関しており、肝臓では平均の5倍程度、筋細胞ではさらに大きな値となります。内膜は水H2O、酸素O2、二酸化炭素CO2、アンモニアNH3以外は基本的に不透過性ですが、内膜には呼吸鎖複合体という4種類(それぞれI, II, III, IV)の電子伝達鎖とATP合成酵素からなるイオンチャネルが存在しており、各々の電子供与体は電気陰性度がより低い電子受容体に電子を渡し、この電子は次の電子受容体に与えられてこの鎖で最も電気陰性度が低い酸素に電子が届くまで続きます。電子供与体から電子受容体に電子が渡されるとエネルギーが放出され、IIを除く呼吸鎖複合体はこのエネルギーによりプロトンポンプを働かせ、マトリックスのプロトン(特に軽水素原子(1H+)をプロトンと呼びます。)を膜間腔と呼ばれる内膜と外膜間に汲み出すことで内膜内外にプロトン勾配を生じさせます。膜間腔のプロトンはプロトン勾配に従ってマトリックスに戻り酸素と結合してエネルギーを放出しATP合成酵素によりADPを酸化的リン酸化してATPが生成されます。解糖系では嫌気呼吸の場合1分子のグルコースから2分子のATPを得るのみでしたがミトコンドリアによる好気呼吸では1分子のグルコースから38分子のATPを合成できるためはるかに効率が高くなっています。

TCA回路(クエン酸回路)はアセチルCoAが下記の反応系に組み込まれることで開始され、特定の酵素の触媒により反応が進みます。

# 反応のタイプ 反応物 生成物
1 アルドール縮合 オキサロ酢酸
アセチルCoA
H2O
クエン酸
CoA
2 脱水反応 クエン酸 cis-アコニット酸
H2O
3 水和反応 cis-アコニット酸
H2O
イソクエン酸
4 酸化反応 イソクエン酸
NAD+
オキサロコハク酸
NADH2
P+(プロトン)
5 脱炭酸 オキサロコハク酸 α-ケトグルタル酸
CO2
6 酸化脱炭酸 α-ケトグルタル酸
NAD+
CoA-SH
スクシニルCoA
NADH2
P+
CO2
7 リン酸化 スクシニルCoA
GDP(植物などではADP)
Pi(無機リン酸)
コハク酸
CoA-SH
GTP(植物などではATP)
8 酸化 コハク酸
ユビキノン(Q)
フマル酸
ユビキノール(QH2)
9 水和 フマル酸
H2O
L-リンゴ酸
10 酸化 L-リンゴ酸
NAD+
オキサロ酢酸
NADH2
P+

※ 第2段階と第3段階の反応は同一の酵素により触媒されるため同一段階とされることがあります。

TCA回路の一巡ではそれぞれ1分子のオキサロ酢酸とアセチルCoAを入力すると2分子の二酸化炭素と1分子のオキサロ酢酸が最終生成物として出力されます。オキサロ酢酸が入力出力両方に現れることが「回路」と呼ばれる所以です。この間に生成され次の段階で異化される中間生成物が回路外から別途ミトコンドリア内に加えられるとその物質もTCA回路の反応に取り込まれて異化され最終生成物が増加することになります。逆に中間生成物がTCA回路の異化反応以外の生体分子の生合成などの同化反応により消費されるとこれらの不足を補充するための反応が起こります。例えばTCA回路が停滞することでミトコンドリア内に蓄積したアセチルCoAはピルビン酸がアセチルCoAを経てオキサロ酢酸となる反応を触媒する酵素を活性化します。TCA回路の異化反応によりCoA、3NADH2、3P+、H2O、2CO2、GTP(動物のみで植物や原核生物ではATP)、ユビキノール(QH2)が生じますが、エネルギー通貨であるATPの発生および電子伝達系で酸化的リン酸化で必要とされるNADH2の生産にTCA回路は寄与しています。グルコースの代謝経路であるTCA回路および脂肪酸の代謝経路であるβ酸化の最終ステージである電子伝達系(電子伝達鎖、呼吸鎖)は電子供与体から電子受容体へ電子を移動する一連の酸化還元反応であり最終的な電子受容体は酸素分子です。

β酸化とは細胞内で行われる脂肪酸の代謝において脂肪酸を酸化して脂肪酸アシルCoAを一時的に生成し、そこからアセチルCoAを取り出す4つの反応の繰り返しから成る代謝経路をいい、一巡毎にアセチルCoAが1分子生成され最終生産物もアセチルCoAとなります。β酸という物質があるわけではありません。脂肪酸は脂肪細胞中に水和することのない形態(トリアシルグリセロール)で脂質滴として凝集して蓄積されており同じ質量のタンパク質や糖質の2倍以上のエネルギーを持っています。エネルギー生産のために骨格筋や心臓などの脳以外の各組織に脂肪酸が運搬される場合はまず脂質滴表面に酵素が移動して加水分解により脂肪酸を遊離させ、血清アルブミンと呼ばれる可溶性タンパク質と遊離脂肪酸が結合して血流に乗って各組織まで運ばれ、脂肪酸トランスポーターと呼ばれる細胞膜輸送タンパク質に乗り換えて細胞内に運ばれます。細胞内に運ばれた脂肪酸はミトコンドリア外膜のβ酸化酵素群の一つである酵素に触媒されて活性化されます。

脂肪酸+CoA+ATP⇄脂肪酸アシルCoA+AMP+ピロリン酸

上記反応では、まず脂肪酸のカルボン酸イオン(R-C=O)-がATPのリン酸H3PO4と置換することで脂肪酸アシルアデニル酸とピロリン酸が生成され、次いでCoAが脂肪酸アシルアデニル酸と反応して脂肪酸アシルCoAとAMPが生成されます。生成された脂肪酸アシルCoAはミトコンドリア内膜(動物の場合)に運ばれ(1)β酸化されるか、(2)細胞質内での膜脂質合成に利用されます。β酸化される場合、内膜を通過するためにカルニチンと呼ばれる脂肪酸アシルCoAトランスポーターと一旦結合し脂肪酸アシルカルニチンとなり、また別のカルニチントランスポーターを介する、受動輸送の一種で溶液の濃度勾配を利用しての促進拡散により内膜を通過し、内部に局在する酵素の触媒によりカルニチンを内部に存在するCoAに転移して脂肪酸アシルCoAを再生します。脂肪酸アシルCoAの輸送系はカルニチンシャトルと呼ばれます。脂肪酸アシルCoAはミトコンドリア内の酵素により酸化され炭素2分子から成るアセチルCoA(源分子の炭素数が奇数の場合は最後に炭素3分子から成るプロピオニルCoA)に解離されます。

β酸化の第1段階(FAD酸化)ではα炭素(官能基と隣接した1番目の炭素をいい、以下順にβ、γ、δ、…とされます。炭素に結合した原子や原子団にも流用され、例えばカルボキシ基-O=C-のα炭素に結合した水素をα水素、アミノ酸をα-アミノ酸と呼ぶことがあります。)とβ炭素間を二重結合にすることでFADという酵素の一種に水素イオンであるプロトン2個を渡します。この2個の電子は水溶性タンパク質に結合した別のFADにより受け取られます。第2段階(水和)ではまた別の酵素が触媒して先の二重結合に水H2Oを結合させL体のみの物質アシルCoAファミリを生成します(トランス型のみ、シス型については後述)。第3段階(NAD+酸化)では更に別の酵素が触媒して先のL体物質を酸化し、NAD+に電子が移りその電子は電子伝達系に渡されます。ここまでの3段階は比較的安定しているC-C結合を不安定化させるための反応です。第4段階(チオール開裂)ではこれもまた別の酵素が触媒して第3段階で生成された物質とCoAがチオール開裂(CoAのチオール基-SHが物質のカルボニル炭素と置換することでα-β炭素の結合を解離すること)を起こし、2炭素分短くなった脂肪酸アシルCoAと1分子のアセチルCoAを生成します。α-β炭素間を切断することからβ酸化と呼ばれます。上記のプロセスは脂肪酸アシルCoAがアセチルCoA(またはプロピオニルCoA)に酸化されるまで繰り返されます。プロピオニルCoAも別の代謝経路で脱炭酸化されてアセチルCoAになります。アセチルCoAはTCA回路に送られます。

β酸化の第2段階(水和)で反応を触媒する酵素はトランス型脂肪酸のみ触媒し、シス型脂肪酸には触媒できないため、別の酵素が働きます。β酸化は脂肪酸の代謝のステージ(β酸化~TCA回路~電子伝達系)の最初のステージであり、生成されたアセチルCoAはTCA回路に送られてCO2へと酸化され、最終ステージである電子伝達系で水素が酸化され、エネルギーが放出されます。β酸化は動物細胞では脂肪酸からエネルギーを取り出すための重要な代謝経路となっているのです。
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