解剖・栄養生理学

細胞とエネルギー代謝

参考書:

山本ら 第2章

Mader 第3章

この講義で身に付けること

• 細胞膜の構造を理解する

• 細胞膜における輸送原理の違いについて学ぶ細胞小器官の働きを理解する

• 細胞内で起こる働き（同化と異化）について学ぶ

• エネルギー代謝の原理について理解する

• 推定必要量、推奨量、目安量、目標量、上限量について学ぶ

細胞は生物の基本的な単位である

• 動物に対しては1839年にドイツのテオドール・シュワンがこの説を提唱した

• その後構築された考え方 – 現存する細胞から分裂することで増殖する

– 細胞は生理学的な機能を持つ最小単位である

– 各細胞レベルでホメオスタシスを維持している各組織、器官、系、個体レベルでのホメオスタシスの維持は複数の細胞が協調した結果を反映している

Theodor Schwann

1810~1882

http://sites.google.com/site/pl99323/_/rsrc/1243897289397/genetics1/schwann.jpg

細胞は原核細胞と真核細胞

に分けられる

• DNAを収容する「核」があるのが真核細胞

http://www.biological-j.net/blog/%E7%B4%B0%E8%83%9E%E6%AF%94%E8%BC%83.jpg

動物性と植物性細胞

• 両方にある

–核

–細胞質

–細胞膜

• 植物細胞にある

–葉緑体（光合成）

–細胞壁（葉や茎を丈夫にする）

http://www.science-art.com/gallery/58/58_1126200417216.jpg

ヒトにおける細胞

• ヒトの細胞は体細胞と生殖細胞に分類される

– ほぼ全ての細胞は核と細胞質から形成されている（例外：赤血球や水晶体）

• 細胞膜が細胞質と間質液を仕切っている

組織

細胞質

細胞内小器官

細胞内液

細胞基質

細胞外液

(組織では間質液)

細胞膜

核

細胞膜の構造

細胞外液

細胞質

炭水化物

リン脂質

2分子層

親水性

リン酸基

（頭部）

疎水性

炭素鎖

（尾部）

膜タンパク質

糖タンパク質

糖脂質

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/da/Cell_membrane_detailed_diagram_en.svg/800px-Cell_membrane_detailed_diagram_en.svg.png

• リン脂質の間にはビタミンEが存在する

– 抗酸化作用を持ち、生体膜中の脂質の酸化を防御する

細胞膜での物質の輸送

• 酸素・二酸化炭素・水分は自由に出入りできる

• 他の分子やイオンは細胞膜によって通過が決められている（選択的透過性）

• 受動輸送と能動輸送

http://faculty.irsc.edu/FACULTY/TFischer/bio%201%20files/membrane%20transport.jpg

拡散

促進拡散

受動輸送

能動輸送

1. 受動輸送 A) 拡散：高濃度から低濃度に移動する分子運動

B) 浸透：細胞膜を超える水分子の移動(水分濃度を一定にする)

- 膜を通して水分を引き入れる力浸透圧

- 通常細胞内液と細胞外液の浸透圧は等しい

- 細胞に比べて濃度が低い溶液

水分が細胞に入り膨張や破裂（低張液）

- 細胞に比べて濃度が高い溶液

水分が細胞から抜けてしなびる（高張液） http://www.colorado.edu/intphys/Class/IPHY3430-200/image/figure0312.jpg

1. 受動輸送

C) ろ過：分子をふるいわけて大きい分子は細胞膜を通らせない

- 人体では腎臓や毛細血管でこの仕組みが働いている

D) 担体輸送（促進拡散）：細胞膜に存在する担体タンパク質を使い細胞膜を通ることのできない大きな分子（グルコースやアミノ酸）の移動を可能にする

促進拡散の例：グルコーストランスポーター(GLUT)

• 細胞内外のブドウ糖の濃度に従って取り込む

• GLUTは現在13種類見つかっている

– GLUT１：赤血球や腎臓尿細管など

– GLUT2：肝臓、小腸など

– GLUT3：脳、胎盤、腎臓、肝臓、小腸など

– GLUT4：心筋、骨格筋、脂肪細胞

2.能動輸送

ATP（エネルギー）を使い分子を輸送する

細胞内液と外液の濃度を気にする必要がない

A) 一次性能動輸送：ナトリウム、カリウム、カルシウムなどイオンの輸送

イオンパンプ（イオン輸送体）

B) 二次性能動輸送：一次性能動輸送の結果生じる濃度勾配のエネルギーによって輸送する

- 同時に複数のイオンを逆方向に輸送する（対輸送）

- 拡散によって移動する物質と濃度に関わらず一緒に同方向に輸送する（共輸送）

タンパク質を使った輸送

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/bookshelf/br.fcgi?book=bnchm&part=A326&rendertype=figure&id=A332

イオンチャンネル

担体

対輸送体

共輸送体

一次性能動輸送体

3.サイトーシス（膜動輸送）

細胞の形態学的変化を伴いながらの輸送

- エンドサイトーシス（Endocytosis:飲作用）:細胞質の中に取り込む

a)受容体依存性エンドサイトーシス

b)飲作用（ピノサイトーシス）

c)食作用（ファゴサイトーシス）

- エキソサイトーシス（Exocytosis: 開口分泌）：細胞質外に放出する

受容体と情報伝達 アドレナリン

受容体 アデニリルシクラーゼ

http://biology.clc.uc.edu/fankhauser/Labs/Cell_Biology/Cell_lecture_pdfs/G_protein_signal_transduction_(epinephrin_pathway).png

情報変換体 受容体に結合した

情報を酵素に伝える

(酵素活性上昇or抑制)

アゴニストorアンタゴニスト

活性化因子が受容体に

結合することでGDP

が遊離、GTPと結合する

(活性)

酵素

セカンドメッセンジャー 細胞内に刺激の伝達を伝える

細胞小器官

http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/150/life/animal_cell.jpg

ミトコンドリア

リソゾーム リボゾーム

ゴルジ体

粗面小胞体

滑面小胞体

中心子

微小管

マイクロフィラメント

鞭毛

細胞膜

核小体

染色質

核膜 核

ペルオキシソーム

細胞死

• アポトーシス＝細胞自滅(Apoptosis)

– 遺伝子的にプログラムされた生理的な死

– ガンや奇形の発生を防ぐ

• ネクローシス＝壊死(Necrosis)

– 栄養素欠乏や毒物、紫外線などによる外因および内在的な破壊要因による代謝阻害によって引き起こされる

代謝 • 生命維持のための生体内で起きる化学反応

• 物質代謝とエネルギー代謝の違い

– 物質の変換に注目する(物質代謝)か、エネルギーの変換に注目するか(エネルギー代謝)

• 物質代謝を大別すると異化と同化に分類される

– 異化＝有機物質を分解することでエネルギーを得る過程、不必要な物質を分解・処理する過程

– 同化＝エネルギーを使い有機物質を合成する過程

• エネルギー＝(能量)

• エネルギーの単位：ジュール(仕事量)とカロリー(熱量) (1kcal (Cal) = 4.184 kJ)

食べ物にはエネルギーが存在する • 栄養素を構成している結合部位にエネルギーが存在する

• 3大栄養素のエネルギー量(アトウォーター係数)

– 炭水化物 = 4kcal/g

(~16.7kJ/g)

– たんぱく質 = 4kcal/g

(~16.7kJ/g)

– 脂質 = 9kcal/g

(~37.7kJ/g) http://cache.eb.com/eb/image?id=7054&rendTypeId=4

ボンブカロリメーター（熱量計）

エネルギーは消えて無くならない

食事

ヒト

運動エネルギー 代謝エネルギー 熱エネルギー

しかし消化率(Digestive

efficiency)を考慮する必要がある。

-脂質や炭水化物の消化率はタンパク質よりも高い(90%+)

-食物繊維が多い炭水化物では消化率が↓

アデノシン三リン酸（ATP） • アデノシン三リン酸（ATP)＝アデノシン（アデニン＋リボース）が3つのリン酸と結合したもの

• 加水分解されるとアデノシン二リン酸（ADP）と無機リン酸となり、同時に大きなエネルギーが放出される

• 体内における主なエネルギー担体（エネルギー通貨）

P ＋

＋

ADP ATP ATPアーゼ

リン酸

エネルギー 高エネルギー結合

P アデノシン P ~ アデノシン P P P ~ ~

ATPはどうやってつくられる?

• 食事に含まれるエネルギーをATPにしないと有効活用できない

• 酸素がある状況(好気性)と無い状況（嫌気性）で違うメカニズムが存在する

• 3種類

1. ATP-PCr 系 (フォスファゲン系)：嫌気性

2. 解糖系 (Glycolysis)：嫌気性＋好気性

3. 有酸素系（酸化的リン酸化）：好気性

– 酸素を使わないATP生産スピードが速い

– 酸素を使うATP生産の効率が良い（最大38ATP

分子 vs 2ATP分子）

クリアチンキナーゼ

PCr + ADP + H+ ATP + クリアチン + E

ATPアーゼ

ATP ADP + P + E

ミオキナーゼ

ADP + ADP ATP + AMP

ATP-PCr系

（フォスファゲン系、ローマン反応）

1) ATPが加水分解されてエネルギーとADPが生産される

2) ADPがPCrと反応してAＴPが生産される

3) ADP同士が反応することでもAＴPが生産される

http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc462/462b/graphics/GlycolysisGNGLehn4fig15-15.jpg

グルコース

解糖系 糖新生

ピルビン酸 x 2

フルクトース1,6二リン酸

変換までで2ATPを消費

この過程で

4ATPと2NADH

を生産

解糖系

(Glycolysis)

ヘクソサキナーゼ

(その他の臓器)

ホスホフルクトキナーゼー1

ピルビン酸キナーゼ

グルコキナーゼ

(肝臓) または

酵素と補酵素 • 酵素は自然界における触媒の役割を果たす

– 反応に必要なエネルギー量を減らす

– 反応にかかる時間を短縮する

– pHや温度によって性質が変性する

適切な役割を果たすことができなくなる

• 補酵素は酵素の働きを補助する

– タンパク質ではない有機物

– 補酵素の例：脱水素酵素(反応物（基質）から水素原子（H）を取り除く)の補酵素

1. NAD+(コチンアミドアデニンジヌクレオチド)

2. FAD(フラビンアデニンジヌクレオチド)

代謝ではビタミンB群が重要

• ピルビン酸からアセチルCoAになる脱水素反応にはビタミンB１が必要

欠乏症が脚気

• NAD＋はナイアシンを、FADはビタミンB２(リボフラビン)を含む

• アミノ酸もTCAサイクル(クレブス回路、クエン酸回路)

に合流する際の代謝でビタミンB６を必要とする

http://www.mediage.co.jp/img/tenteki-ninniku/4.jpg

乳酸のその後

• 嫌気性の状況で激しい運動が続いた場合、乳酸は肝臓へ送られ糖新生によってグルコースへと変換される（コリ回路）

• 2ATP生産後6ATPを使うため結果的に4ATPを消費するが、乳酸の増加によるアシドーシスを防ぐことができる

http://souko.ggtt.net/bunsei_chinnen/minitest/images/cori_cycle.jpg

解糖系＋酸素系

http://blog-imgs-31.fc2.com/f/p/t/fptsukioka555/ROS-9.jpg

http://phy.asu.edu/phy598-bio/D6%20Notes%2006_files/image018.jpg

ミトコンドリア内膜 ミトコンドリア外膜

ピルビン酸 脂肪酸

アセチルCoA

TCA

サイクル

電子

伝達系

アセチルCoA

ピルビン酸

グルコース

グリコーゲン タンパク質

アミノ酸 グリセロール 脂肪酸

中性脂肪

ATP ATP

解糖

糖新生

CO2

CO2

H

O2

H2O 異化

同化

Martini, 1995, p955

•運動をすると時間と共にエネルギー生産経路が移行していく

– 最初はATP-

PCr系

– 次に解糖系

– 最後に酸素系

運動時間(分)

エネルギー産生(

％) ATP-PCｒ系 解糖系 酸素系

酸素を使う際のデメリット

• 酸素を使うエネルギー代謝の過程で電子を一つしか持たない(不対電子)酸素を産生(活性酸素)

– 不対電子を持つ分子：フリーラジカル不安定

• フリーラジカルや活性酸素は核酸や脂質、たんぱく質を攻撃

– 血管への障害、酸化LDLによる動脈硬化、がん、老化や痴呆

• 抗酸化作用があるβカロテンやVit. C、Vit. Eで除去

フリーラジカル 活性酸素

ヒドロキシラジカル：・OH

スーパーオキシドラジカル：O2-

脂質ラジカル：LO・など

過酸化水素：H2O2

スーパーオキシドラジカル：O2-

ヒドロキシルラジカル：・OHなど 佐久間慶子．栄養と遺伝子のはなし．技法堂出版．2011

ヒトのエネルギー消費の内訳

総エネルギー消費量(TEE)

24時間の期間で同化と異化に利用したエネルギー量 0

20

40

60

80

100

総エネルギー

食事誘発性体熱生産

身体活動

基礎代謝60-75％

15-30％

~10％

非運動性活動(NEAT)

と運動性エネルギー消費

を含む

産生

基礎代謝(BMR)と安静時代謝(RMR)の違いは? RMRはBMRよりも1割ほど高い

http://www.physics.ohio-state.edu/~wilkins/writing/Assign/topics/life-pulse.gif

安静時代謝に影響を与える因子

• 体のサイズ

• 体組成

• 性別

• 年齢

• 発育

• ホルモン

• 温度

• 計測前に摂取した栄養素

骨格筋、脳、肝臓が

基礎代謝の半分以上を占めている

組織

肝臓

脳

心臓

腎臓

骨格筋

脂肪組織

その他

(骨、腸など)

重量 体重比％

エネルギー代謝の

調査方法

心拍計 運動記録

PAQ 国際標準化

身体活動質問表

二重標識水法

間接的

カロリメトリー 直接的

カロリメトリー

モーションセンサー 万歩計

加速度計

直接的カロリメトリー

－どれだけ熱を産出したか－

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ab/Wilbur_Atwater.jpg

Wilbur Olin Atwater

1844 - 1907

http://www.sportsci.org/news/history/atwater/atwater_calorimeter.jpg

Atwater – Benedict Human Calorimeter

間接的カロリメトリ―

－どれだけ酸素を消費したか－

• RQ（呼吸商）： O2

の消費に対してのCO2の産出の比率

–食物に含まれている栄養素の比率によって違う

–炭水化物の酸化によるRQ＝1

–脂質の酸化によるRQ～0.7

基質＋O2⇒熱＋CO2＋H2O

http://www.carefusion.com/Images/Respiratory/Pulmonary_Funct

ion_Testing/vmaxencoremetaboliccart-3.jpg

総エネルギー消費量の計測

• 最も正確とされる計測方法二重標識水法(DLW)

• 水素と酸素の同位元素(アイソトープ)の計測

–酸素は尿(H2O)と二酸化炭素(CO2)として排出

–水素は尿(H2O)から排出

–約2週間追跡することで代謝状況を把握できる

–制約を受けずに日常生活を送れる

Prof. Tom Preston 講義スライドより

日本人の基礎代謝量

日本人の食事摂取基準(2010年版)．2009．厚生労働省

基礎代謝基準値：体重1kg当たりの基礎代謝量(kcal/kg体重/日)

海外における基礎代謝量の推定

• 広く使われている方程式は二つ

– Harris Benedict (1919)の式 男性：BMR (kcal/日) = 66.5 + (13.8 x体重) + (5 x身長) – (6.76 x年

齢) [SEE = 119]

女性：BMR (kcal/日) = 655 + (9.56 x体重) + (1.85 x身長) – (4.68

x年齢) [SEE = 103] ※体重(kg)、身長(cm)、年齢(歳)

出典：Harris JA and Benedict FG. (1919).

– Schofield (1985)の式WHOで採用されている

• 推定式を使用する際の限界点⇒あくまでも推定

– 個別のエネルギー必要量を正確に把握できない

– 運動もしくは食事摂取制限がお互いに与える影響を考慮できない(Schoeller, Nutr Rev, 2009)

推定エネルギー必要量

• 理想のエネルギー必要量＝エネルギー消費量

–小児・乳児・妊婦・授乳婦では成長や組織増加分のエネルギー(エネルギー蓄積量)や、組織形成に必要なエネルギーを考慮する必要がある

• 推定エネルギー必要量(Estimated Energy Requirement: EER)

EER = 基礎代謝量(BMR) x 身体活動レベル(PAL)

= 基礎代謝基準値 x 基礎体重 x 身体活動レベル

推定平均必要量

目安量 耐容上限量

推奨量

日本人の栄養摂取基準

日本人の栄養摂取基準2010年度版

確率の概念を導入

目標量

2005年からの所要量→推奨量へと変更

2015年版についての検討結果

日本人の食事摂取基準(2015年版)の概要

食事摂取基準指標の定義(1) 1. 摂取不足の回避目的の指標

• 推定平均必要量(EAR)：特定の集団を対象として推定された必要量から、性別・年齢階級別に日本人の必要量の平均の推定値

–集団の50％が必要量を満たすと推定される

• 推奨量(RDA)：特定の性別･年齢階級に属する人の殆ど(97～98％)が1日の必要量を満たすとされる推定値(EAR+2SD)

• 目安量(AI)：推定平均必要量・推奨量を算定するのに十分な科学的根拠が得られていない場合一定の栄養状態の維持に十分と考えられる量

食事摂取基準指標の定義(2) 2. 過剰摂取による健康障害の回避

• 耐容上限量(UL)：特定の集団に属する殆ど全ての人が健康障害をもたらす危険が無いとみなされる習慣的な摂取量の上限を与える量

3. 生活習慣病の予防

• 目標量(DG)：生活習慣病の一次予防のために現在の日本人が当面の目標とすべき摂取量

–循環器疾患(高血圧・脂質異常症・脳卒中・心筋梗塞)

とがん(特に胃がん)

–対象：脂質、コレステロール、炭水化物、食物繊維、ナトリウム(食塩)、カリウム

UL・NOAEL(健康障害非発現量)

＆LOAEL(最低健康障害発現量)

2010年度版 食事摂取基準