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68 metabolism of carbohydrates and formation of adenosine triphosphate

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O
Osamu Yamaguchi

Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Edition

Health & Medicine
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68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 68章 炭水化物の代謝と アデノシン三リン酸の産生 UNIT XIII 代謝と温度調節
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 細胞内の多くの化学反応は,食物内のエネル ギーを,細胞の様々な生理学的システムで利用 可能にするのが目的. エネルギーは,筋肉運動,腺の分泌,神経や筋繊維 の膜電位の維持,細胞内での物質合成,胃腸管か らの食物吸収,その他多くの機能に必要. 食物からのエネルギー放出と“自由エネルギー”
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.  全てのエネルギー食品,CHO,脂肪,蛋白何れも細胞内で酸 化されることが可能で,その過程で大量のエネルギーが放出 される.  これらの食物は,体外で実際の火により純酸素と共に燃やし, 大量のエネルギーを放出することも可能だが,その際のエネル ギーは熱の形で急激に放出される.  体内の細胞が生理学的過程で必要とするエネルギーは,熱 ではなく,筋肉運動の際の機械的運動,腺分泌時の溶液濃 縮,その他多くの細胞機能に必要なエネルギー.  こうしたエネルギーを提供するために,化学反応はこうした生 理学的機能の引き金になるシステムと“共役”する必要があ る.  この共役は,特別な細胞酵素,エネルギー輸送系によって達 成される. 共役反応 coupled reaction
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ある食物を完全に酸化した際に放出されるエネ ルギー量を食物酸化の自由エネルギーと呼び, 一般にΔGで表される. 自由エネルギーは,通常物質の1moleあたりの caloryという表現で表される. 例:1mole(180g)のブドウ糖glucoseを完全に酸 化した際に放出される自由エネルギーは 686,000calory “自由エネルギー”
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. adenosine triphosphate(ATP)は,体のエネ ルギー利用機能とエネルギー産生機能との間 の必須のlink ATPは,生体の“エネルギー通貨”と呼ばれ,繰り 返し獲得,消費される. ATPは,生体の“エネルギー通貨”
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ATPがエネルギー産生-利用連鎖の中心 エネルギー産生 • 蛋白 • 炭水化物 酸化 • 脂肪 エネルギー利用 • イオンの能動輸送 • 筋肉収縮 • 分子の合成 • 細胞分裂,成⾧ ADP: adenosine diphosphate Pi: inorganic phosphate
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. adenosine triphosphate(ATP) ♣ 全ての細胞に存在する不安定な化合物 ♣ adenine,ribose,三つのリン酸基からなる. ♣ 最後の二つのリン酸基は,残りの分子と高エネルギー結合(~)でつながる. ~ ~
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ATP1moleあたりの高エネルギー結合1個の自 由エネルギー量 7300cal 生体内では,正常体温,通常の反応物のもとで 約12,000cal 生体内では,最後の二つのリン酸基の解離で 各々約12,000calのエネルギーを放出する. ATPからリン酸基一つを失うとadenosine diphosphate ADP,二つ目も失うと adenosine monophosphate AMPとなる. adenosine triphosphate(ATP)
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ATP,ADP,AMPの相互変換
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ATPは,全ての細胞の,何れの細胞形質,核質にも存在. エネルギーを要する全ての生理学的機構は,そのエネル ギーをATPから直接獲得する. 一部は,同様の高エネルギー化合物guanosine triphosphateから得るものも存在 細胞内の食物は,ゆっくり酸化され,放出されたエネルギー は新たなATP産生のために使用されるので,常にATPの供 給が維持されている. これらのエネルギー変換は,共役反応で行われている. 体内で使用されるCHOの90%以上は,このATP産生のた めに利用されている. adenosine triphosphate(ATP)
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. CHOの最終代謝産物は,ほぼ完全にglucose ブドウ糖,fructose果糖,galactoseガラクトー スで,その約80%がglucoseブドウ糖. 消化管で吸収されたfructoseの多く,galactose のほとんどは肝臓で速やかにglucoseに変換される. fructose, galactoseは,循環血液中には, ほとん ど無い. glucoseが,組織に運搬される全てのCHOの最終 共通経路となる. ブドウ糖が炭水化物代謝の中心
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 肝における単糖類の相互変換 ♣ 肝臓には,単糖類の相互変 換を促進する酵素が存在. ♣ 肝臓が,単糖類を血中に戻 した場合の,最終代謝産物は, ほとんど完全にglucose. ♣ なぜなら,肝臓が,大量の glucose phosphataseを所 有しているため,glucose-6- phosphateは,容易に glucoseとphosphateに分 解されglucoseが肝細胞膜 から血中に戻される.
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 細胞内で糖が使用されるには,細胞膜を介して 細胞質内に移送される必要がある. 細胞膜の孔poreを介して容易に拡散出来る 物質の分子量は上限は約100だが,糖の分子 量は,180と過大. 糖は,促進拡散により,ほぼ自由に拡散可能. 糖と結合する大量の移送蛋白分子が膜に存在 膜の両側の糖濃度勾配に応じて拡散可能 細胞膜を介した糖輸送
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 組織毎に,細胞膜を介した糖輸送は異なる 胃腸間膜,腎尿細管上皮細胞いずれも能動的Na- glucose共輸送による. Naの能動輸送により,濃度勾配に逆らって糖を吸 収するエネルギーが供される. 能動的Na-glucose共輸送は,特別な細胞での み機能する. –特に糖の能動的吸収に特化した上皮細胞 他の細胞膜では,膜の糖移送蛋白の結合特性によ る濃度勾配に応じた促進拡散 facilitated diffusion により移送される. 細胞膜を介した糖輸送
04 Transport of Substances through Cell Membranes Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. carrier-mediated diffusion 拡散物質の濃度が上昇すると,拡散速度が最 大に上昇する,Vmax 単純拡散では,濃度が上昇するに比例して拡 散速度が上昇. 促進拡散で,拡散速度はVmaxを超えない. 膜輸送蛋白を利用した促進拡散 O.Yamaguchi
04 Transport of Substances through Cell Membranes Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 単純拡散と促進拡散 単純な拡散 促進された 拡散 拡散の速度 物質の濃度 O.Yamaguchi
04 Transport of Substances through Cell Membranes Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 促進拡散のメカニズム1 輸送される 分子 接着部位 輸送蛋白の 形態変化 接着の 解放 O.Yamaguchi 1. 輸送される物質に比べて十分な大きさの孔を持つ輸送蛋白が膜に存在. 2. 輸送蛋白内に,結合受容体を有する. 3. 輸送される物質は,孔に入り結合する.
04 Transport of Substances through Cell Membranes Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 4. 1秒の何分の1かの間に,輸送蛋白内に形態学的ないし化学的変化が起こり,反対 側の孔が開放される. 5. 接着部位の結合力は弱く,物質の熱運動で離断され,膜の反対側へ遊離する. 輸送される 分子 接着部位 輸送蛋白の 形態変化 接着の 解放 O.Yamaguchi 促進拡散のメカニズム2
04 Transport of Substances through Cell Membranes Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 促進拡散のメカニズム3 輸送される 分子 接着部位 輸送蛋白の 形態変化 接着の 解放 O.Yamaguchi 6. この接着,開放,遊離の繰り返しの速度は変えられない. 7. 輸送される物質は,膜の双方向に拡散することが可能.
04 Transport of Substances through Cell Membranes Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucose 様々な組織で,糖を輸送する膜蛋白(GLUT)は少 なくとも14種類が発見されている. これらのGLUTのいくつかは,糖に似たgalactose やfructoseも輸送する. glucose transporter 4 (GLUT4) は,insulinによって活性化され,glucoseの拡散 を10-20倍速める. amino acids 促進拡散で輸送される物質 O.Yamaguchi
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 多くの細胞で,糖の移送速度は,insulinにより 大きく上昇. 膵臓が,大量のinsulinを分泌すると,糖の細胞内 移送速度は,insulinが無いときの10倍以上に上昇. insulinが無い場合,肝臓,脳をのぞく多くの細胞で は,エネルギー代謝に必要な糖よりはるかに少ない 量しか細胞内に供給できない. 多くの細胞のCHO利用速度は,膵臓による insulin分泌速度と,insulinに対する感受性で 決まる. insulinが糖の促進拡散を増す
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucoseのリン酸化phosphorylation ♣ glucoseは,細胞内に入ると,直ちにリン酸基と結合 ♣ この反応は,肝臓にあるglucokinaseと,他の多くの 細胞にあるhexokinaseにより促進される. ♣ glucoseのリン酸化は,肝細胞,腎尿細管上皮細胞, 腸上皮細胞を除いてほぼ完全に不可逆的
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucoseのリン酸化phosphorylation ♣ 肝細胞,腎尿細管上皮細胞,腸上皮細胞細胞では, 別の酵素glucose phosphataseが利用可能で,こ の酵素が活性化されると反応を逆転する事が可能. ♣ 体の多くの組織で,リン酸化がglucoseを捕捉する 役割を演じている. ♣ glucoseは,リン酸基と瞬時に結合するため, phosphataseを有する肝細胞を除いて,glucoseが 細胞外に逆拡散することが無い.
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 細胞内に吸収されたglucoseは直ちにエネル ギー放出のために使用されるか,大きな重合体 glycogenとして貯蔵される. 体内のほぼ全ての細胞は,多少のglycogenを 蓄えることが可能だが,肝臓は,その重量の5- 8%に及ぶglycogenを貯蔵可能で,筋細胞は, その重量の1-3%に及ぶglycogenを貯蔵可能. glycogen分子は,幾重にも重合可能で,平均 分子量は5百万以上で,多くは固体の顆粒とし て沈殿している. glycogenが肝,筋肉で貯蔵される
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 単糖類であるglucoseから,高分子量の沈殿 化合物(glycogen)への変換は,細胞内液の浸 透圧を変えること無く,大量のCHOを蓄えること を可能にしている. 低分子量で可溶性の単糖類が高濃度で存在 すると,細胞内液と細胞外液との間の浸透圧関 係上,大混乱を生じる. glycogenが肝,筋肉で貯蔵される
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glycogenesis 糖生成,糖原形成 ♣ G-6-Pは,G-1-Pと なり,さらにuridine diphosphate glucoseに変換さ れ,最終的に glycogenに変換 される. ♣ 反応を起こすため には,いくつかの特 異的な酵素が必要.
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glycogenesis 糖生成,糖原形成 ♣ glucoseに変換 可能な単糖類は, いずれもこの反応 に入ることができる. ♣ 乳酸,glycerol,ピ ルビン酸,脱アミノさ れたアミノ酸なども glycogenに変換 可能.
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 細胞内で貯蔵されているglycogenを分解し て,glucoseを再形成し,エネルギー源とする過程. glycogen形成反応を,逆行させるのではな く,phosphorylaseの触媒によるリン酸化反応 phosphorylationによりglycogenの枝から glucose一つ一つを剥ぎ取る 安静時は,phosphorylaseは不活性状態 で,glycogenは,貯蔵され続ける. glucoseを再生成する必要が生じた際に は,phosphorylaseが真っ先に活性化される.活 性化は,epinephrine,glucagonなどによってなさ れる. glycogenolysis 糖原分解
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. epinephrine,glucagonがphosphorylaseを 活性化し,迅速な糖原分解を果たす. 当初,cyclic AMPの生成を促進 次に,phophorylaseを活性化させる化学反応のカス ケードを開始. epinephrineは,交感神経系が刺激を受けると, 副腎髄質から放出される. 交感神経系の機能の一つが,迅速なエネルギー代謝の ために利用可能なglucoseを増やす事. この作用は,肝細胞,筋肉で特に顕著で,体の運動負荷 に対応する事に貢献 phosphorylaseの活性化
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucagonは,血糖が低くなりすぎた際に,膵臓 のα細胞から分泌される. 肝細胞のcyclic AMPの生成を刺激し,肝臓の glycogenをglucoseに変換して血中に放出. 結果として,血糖が上昇. phosphorylaseの活性化
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucose 1moleの完全な酸化により686,000cal のエネルギーを放出 ATP 1moleの生成には僅か12,000calのエネル ギーを要するのみ わずか一つのATPを生成する間に,glucoseが一変に 水と二酸化炭素に分解されると,かなりのエネルギーが 浪費される事になる. 幸い,体には特別な酵素があり,glucose分子を, 多くの連続的な段階を介して一度にすこしづつ分 解し,ATP一分子を生成するのに小さなエネルギー のセットを放出すため,glucose1moleを代謝する 毎に,38moleのATPが生成される. 解糖経路によるエネルギー放出
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucoseからエネルギーを放出する最も重要な 手段は,glycolysis解糖により開始される. 解糖の最終産物が,酸化されてエネルギーを供 する. 解糖とは,glucose分子を分解して,二分子の ピルビン酸pyruvic acidを形成すること. 解糖glycolysis
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 解糖の化学反応順序 ♣ 解糖は,連続する10の化学 反応による. ♣ 各反応は,少なくとも一つの 特異的な蛋白酵素が触媒. ♣ glucoseは,当初 fructose-1,6- diphosphateに変換される. ♣ 次に二つの三炭素原子分 子のglyceraldehyde-3- phosphateに分れる. ♣ 各々は,5つの反応を経て pyruvic acidに変換.
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 解糖によるATP生成 ♣ 各反応段階では,glucose 分子の自由エネルギーのほ んの一部しか放出されない. ♣ ①,②の反応に限っては, ATP1モルを生成するのに必 要な12,000calより多いエネ ルギーセットが放出されるの で,ATP産生と共役している. ♣ 各fructose-1,6- diphosphateがpyruvic acidに分解されるまでに計 4moleのATPが生成される. ① ②
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 解糖によるATP生成 ♣ 解糖を始める前に,基の glucoseをfructose-1,6- diphosphateにリン酸化す るのに二つのATPが必要. ♣ 正味,解糖によりglucose 一つあたり2個のATPが得ら れるのみ. ♣ 2個のATPは,24,000calの エネルギーに相当するが,基 のglucoseから56,000cal が失われるため,ATP形成の 全体的な効率は43%で,残 り57%は熱の形で失われる.
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 二つのpyruvic acidをacetylcoenzyme A(acetyl-CoA)二分子へ変換する二段階 ピルビン酸からacetyl-CoAへの変換 ♣ この反応によりCO2二分子と,四個の水素原子が放出 ♣ Vit.pantothenic acidに由来する補酵素A (coenzyme A,CoA)と pyruvic acidの残りの部分が結合して二つのacetyl-CoAができる. acetyl-CoA Coenzyme A Pyruvic acid
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 二つのpyruvic acidをacetylcoenzyme A(acetyl-CoA)二分子へ変換する二段階 ピルビン酸からacetyl-CoAへの変換 ♣ この反応では,ATPの産生は得られない. ♣ 放出された4Hが,後に酸化されることにより,ATP6分子が 生成される. acetyl-CoA Coenzyme A Pyruvic acid
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. Hans Krebsが発見 tricarboxylic acid cycleとも acetyl-CoAのacetyl部分が,CO2とH原子に 分解される化学反応過程 全て,mitochondriaの基質matrixで起こる反 応 放出されたH原子は,数を増して,その後酸化さ れて膨大な量のエネルギーを放出してATPを形 成 クエン酸回路(Krebs cycle)
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. クエン酸回路(Krebs cycle) ♣ はじめacetyl-CoAが oxaloacetic acidと結合して citric acidクエン酸を生成. ♣ 放出されたCoA部分は pyruvic acidと反応してさらな るacetyl-CoAを繰り返し合成. ♣ acetyl部分は,クエン酸分子と 一体化.
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. クエン酸回路(Krebs cycle) ♣ 反応中に,いくつかの水分 子が加えられ,CO2と水素原 子が放出される.
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. クエン酸回路(Krebs cycle) glucose1分子あたりの正味の反応結果 ♣ クエン酸回路そのものは,大きなエネルギーを生じない. ♣ α-ketoglutaric acidからsuccinic acidに変換する場面で 一つのATPを生成. ♣ glucose一分子から二つのacetyl-CoAがクエン酸回路に至 り,各々が一分子のATPを生成することから,計二分子のATPが 生成される.
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. クエン酸回路で計2ATPを生成 ♣ α-ketoglutaric acidから succinic acidに変換する 場面で一つのATPを生成. ♣ glucose一分子から二つ のacetyl-CoAがクエン酸 回路に至り,各々が一分子 のATPを生成することから, 計二分子のATPが生成さ れる.
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucoseの代謝中,いくつかのポイントで水素 原子が放出される. 解糖glycolysisで4原子 pyruvic acidからacetyl-CoAを作成する際に４ 原子 クエン酸回路で16原子 合計24個の水素原子がglucose一分子の代謝 から放出される. dehydrogenaseとNADの機能
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 水素原子は,細胞内液の中で,単純に開放され ているわけではない. 水素のpacketの放出はdehydrogenaseと 呼ばれる特異的な蛋白酵素の触媒による. 24個の水素原子の内20個は,Vit.niacin由来 のnicotinamide adenine dinucleotide (NAD+)と直ちに結合 dehydrogenaseとNADの機能
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. dehydrogenaseとNADの機能 ♣ この反応は,dehydrogenaseの介在無しには起きないし,水素 担体のNAD+無しには起きない. ♣ freeの水素イオンと水素イオンと結合したNAD+とが,大量の ATPを生成する複数の酸化的化学反応に進行.
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 24個の水素原子の内,残りの4個,クエン酸回 路のsuccinic acidとfumaric acidの間で放 出された4個の水素原子は特異的な dehydrogenaseと結合するが,NAD+とは反 応せず, dehydrogenaseから直接酸化過程 に至る. dehydrogenaseとNADの機能
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. pyruvic acidからacetyl-CoAを生成する際 に,CO2が放出される三つの段階が存在. 特異的蛋白酵素decarboxylaseがCO2を基質か ら裂いて, CO2を放出. 放出されたCO2は,体液に溶け込み,肺から呼出さ れる. CO2を放出するdecarboxylase
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 酸化 還元 酸素を中心に考えて 酸素と化合する 酸素を失う 水素を中心に考えて 水素を失う 水素と化合する 電子を中心に考えて 電子を失う(与える) 電子を得る(受け取る) 参加数を中心に考えて 増加する 減少する 酸化還元 大学受験化学 気鋭の講師岡野の化学をはじめからていねいに 理論化学編
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 1)解糖 2)クエン酸回路 3)脱水素 4)脱二酸化炭素 いずれも複雑なわりにATPの生成量は僅かで,解糖で2 個,クエン酸回路で2個 糖代謝により生成される総ATPの90%は,代謝初期に 放出された水素原子が,その後に酸化されることにより生 成. 糖代謝初期の上記の4段階の主要な機能は,glucose 分子内の水素を,酸化可能な形にすること. 水素の酸化により大量のATPを生成
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 水素原子の酸化 内膜 外膜 拡散 促進 拡散 食物 ADP:adenosine diphosphate FeS:iron sulfide protein FMN:flavin mononucleotide NAD+:nicotinamide adenine dinucleotide NADH:reduced nicotinamide adenine dinucleotide Q:ubiquinone
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 水素原子の酸化 内膜 外膜 拡散 促進 拡散 食物 1. 各水素原子を,水素イオンH+と 電子e-に分離 2. 電子e-を使用して,流体の溶存 酸素と水分子を結合し,OH-を 形成 3. 水素と水酸基イオンを結合して 水を形成. • この酸化反応の間に,ATP生 成用の大量のエネルギーが放 出される. • このATP生成方法を,酸化的リ ン酸化と呼ぶ. • この反応は,ミトコンドリア内で chemiosmotic mechanism 化学浸透機構 により行われる.
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ATP生成のための化学浸透機構 chemiosmotic mechanism
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ミトコンドリア内の酸化的リン酸化反応の第一段 階は,食物から摂取された水素原子をイオン化する 事. この水素原子は対で摂取される 一つは,直ちに水素イオンH+となる. 他の一つは,NAD+と結合して 還元型nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) を形成. – このNADHから水素原子を放出して,別の水素イオン H+を形成し,この過程によりNAD+も再生され,繰り返 し再利用に供される. 水素のイオン化,電子伝達鎖,水の生成
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.  水素イオン化のために水素原子から除去された電子は,直ち にミトコンドリアの内膜(shelf membrane)に統合された電 子受容体electron acceptorの電子伝達鎖に入る.  electron acceptorは,電子の授受により,可逆的に酸化,還元が 可能  重要な電子伝達鎖は,以下のとおり  flavoprotein(flavin mononucleotide)  いくつかのiron sulfide protein  ubiquinone  cytochromes B,C1,C,A,A3など  電子は,最終的にcytochrome A3に至るまで,これらの受容 体の間を行き来する.  cytochrome A3は,cytochrome oxidaseと呼ばれ,二つの電 子を供与し酸素をイオン化酸素に還元し,イオン化酸素は水素イ オンと結合して水を生成. 水素のイオン化,電子伝達鎖,水の生成
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.  水素イオン化のために水素原子から除去された電子は,直ち にミトコンドリアの内膜(shelf membrane)に統合された電 子受容体electron acceptorの電子伝達鎖に入る.  electron acceptorは,電子の授受により,可逆的に酸化,還元が 可能  重要な電子伝達鎖は,以下のとおり  flavoprotein(flavin mononucleotide)  いくつかのiron sulfide protein  ubiquinone  cytochromes B,C1,C,A,A3など  電子は,最終的にcytochrome A3に至るまで,これらの受容 体の間を行き来する.  cytochrome A3は,cytochrome oxidaseと呼ばれ,二つの電 子を供与し酸素をイオン化酸素に還元し,イオン化酸素は水素イ オンと結合して水を生成. 水素のイオン化,電子伝達鎖,水の生成
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 電子鎖上の電子伝達 内膜 外膜 拡散 促進 拡散 食物 ♣ 電子鎖上の電子伝達を 示す. ♣ 最終的には, cytochrome oxydase(cytochrome A3)により酸素が酸素イ オンに還元され水素イオン と反応してH2O水を生成 ♣ 電子伝達鎖を介した電 子の移送の間にATP合 成に供されるエネルギーが 放出される.
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 膜間腔へのH+の汲み出し 内膜 外膜 拡散 促進 拡散 食物 ♣ 電子伝達鎖により大量 のエネルギーが放出され, これは,ミトコンドリアの内 側の基質から膜間腔へH+ を汲み出すために使用さ れる. ♣ この過程により,膜間腔 内に高濃度の陽性荷電 H+を生成. ♣ 内側基質内には,強い陰 性電位をもたらす. 膜間腔
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ATP synthetaseによるATP生成 内膜 外膜 拡散 促進 拡散 食物 ♣ ADPをATPに変換する 過程 ♣ ミトコンドリアの内膜を貫 通し,内側基質内に取手 様の頭部を突き出してい る大きな蛋白分子 で,ATP合成酵素(ATP synthetase)と呼ばれる ATPase. 膜間腔
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. synthase synthetase 分類 lyase ligase ATP 使わない 使う 2 重結合にある基を付加す る. 2 つの分子を結びつける. 化学結合を作る ため,lyaseであるsynthaseよりもエネル ギーを必要とする反応. 基質から非加水分解的にあ る基をとり去り 2 重結合を残 す (または逆反応により 2 重結合にある基を付加する) 反応を触媒する酵素 を lyase と総称するが,特に 反応の平衡が付加 (合成) に傾いているときこれを synthaseとよぶ . 合成酵素のうち ATP などのピロリン酸結 合の加水分解と共役して 2 個の分子を結 合させる反応を触媒する酵素の総称.EC 6 群。分子 X と Y を結合させるこれらの酵素 は系統名では X:Y リガーゼ と呼ばれるが、 常用名では生成した分子 X-Y に基づき X- Y synthetaseとよばれることが多い. ATP synth(et)ase?訳注
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ATP synthetaseによるATP生成 内膜 外膜 拡散 促進 拡散 食物 ♣ 陽性荷電したH+が膜間腔に 高濃度で存在するため,内膜を 挟んだ大きな電位差を生 じ,ATPase分子の基質内を 通ってH+がミトコンドリアの基 質内に流入. ♣ この水素イオンの流れに由来 するエネルギーにより,ATPase によってADPとフリーのリン酸イ オン基(Pi)との結合によるATP への変換が行われ,分子内に高 エネルギーリン酸結合が付加さ れる. 膜間腔
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 生成されたATPは,細胞質内へ 内膜 外膜 拡散 促進 拡散 食物 ♣ 生成されたATPは,ミトコ ンドリアの内膜を介した促 進拡散により膜間腔へ. ♣ さらに,外膜から細胞質へ の移動は,単純拡散による. ♣ ADPは,持続的にATPに 変換され続けて,外に移動 する. ♣ 二つの電子が電子伝達 鎖を通過する(二つの水素 原子がイオン化される)毎 に,3個のATP分子が合成 される. 膜間腔
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucose1分子の分解によるATP生成数 1. 解糖により4分子のATPが生成され,2分子が最初のリン 酸化により消費され,正味２分子のATPが獲得される. 2. クエン酸回路1回転で,１分子のATPが生成される が,glucose1分子は,二つのピルビン酸分子に別れるた め,glusose1分子あたりクエン酸回路2回転に相当し,正 味2分子のATPが生成される. 3. 解糖,クエン酸回路の間に,合計24個の水素原子が放出 され,このうち20個がchemiosmotic mechanismにより 酸化される.水素2原子毎に3個のATPが放出されるため, 合計30分子のATPが追加される. 4. のこり4個の水素原子は,dehydrogenaseによって,最初 の段階を超えて化学浸透酸化反応に至り,通常,2つの水 素原子が酸化される毎に２つのATP分子が放出されるた め,合計でさらに４つのATP分子が生成される. 糖分解によるATP生成の要約
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucose1分子から,ATP最大38分子が生成 され,水と炭酸ガスに分解される. ATPの形で456,000calのエネルギーが貯留される. glucose１分子の完全な酸化により686,000cal のエネルギーが放出される. 全体のエネルギー変換効率は66% のこり34%は,熱となり,細胞の特異的な機能のため に使用する事は出来ない. 糖分解によるATP生成の要約
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 細胞が,エネルギーを必要としていない間も,持 続的に糖からエネルギーを放出するのは,非常 に無駄な過程となり得る. 実際は,細胞のATPに対する需要に応じて,解 糖とそれに続く水素原子の酸化が,持続的に調 節されている. この調節は,複数のfeedback機構による. 細胞内のADP,ATP濃度が,代謝速度を調節して いる. 細胞内ATP濃度と糖の代謝
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. phosphofructokinaseは,解糖系の最初の 反応,fructose-1,6-diphosphateの生成を触 媒する酵素. 細胞内の過剰なATPが,phosphofructokinase を抑制 ADP(とAMPも同様)は,この酵素の活性を刺激 phosphofructokinase抑制による代謝制御
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. クエン酸回路で生成されるクエン酸イオンが,過 剰になるとphosphofructokinaseを強力に 抑制. 解糖過程で生成されるピルビン酸をクエン酸回 路が利用して先に進行するのを防ぐ. 過剰なクエン酸イオンがphosphofructokinaseを抑制
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ATP-ADP-AMP systemが,CHO代謝を制御 し,脂肪,蛋白質からのエネルギー放出を制御. すでに細胞内のADPがすべてATPに変換されてい る場合,追加的にATPを形成する事は出来ない. 結果として,栄養源となる糖,脂肪,蛋白を利用して ATPを生成過程は停止される. 細胞内で,様々な生理学的機能にエネルギーを供 与するためにATPが消費されると,新たに形成され たADP,AMPがエネルギー過程を再開し, ADP, AMPは瞬時にATP状態に戻る. ATP-ADP-AMPシステムによるCHO代謝制御機構
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 酸素が利用できない場合でも,glucoseをピル ビン酸に代謝する過程は,酸素を必要としない ため,少量ながらエネルギーを細胞に供給するこ とは可能. この過程は,glucose１分子あたりわずか 24,000calのエネルギーしか得られず,glucoseの 浪費が甚だしい. glucose1分子が持つエネルギー(686,000cal)の 3%を少し上回る程度に過ぎない. それでも,酸素が利用できな場合には,数分間の救 命的な時間を提供出来る. 嫌気的なエネルギー放出-嫌気的解糖
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 質量作用の法則では,化学反応の最終生成物が 反応媒体に蓄積すると,反応速度が低下し,ゼロに 近づくとされている. 解糖反応の最終生成物は, 1. ピルビン酸 2. NAD+と結合してNADHとH+を形成する水素原子 これらの物質のいずれか,または両方が蓄積すると,解糖 過程が停止し,ATPのさらなる形成が妨げられる. これらの物質が過剰になり始めると,次の式に従って,互 いに反応し乳酸を形成する. 嫌気的解糖時の乳酸形成
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 嫌気的解糖時の乳酸形成 ♣ 嫌気的環境では,ピルビン酸のかなりの部分が乳酸に変換され, 細胞外液に出たり,より活性の低い他の細胞の細胞内液に移動. ♣ 乳酸は,解糖最終産物が消失する”陥没穴”のようなもので,乳 酸形成が無ければ続かない解糖時間を延⾧している.
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 嫌気的解糖時の乳酸形成 ♣ 乳酸形成が無ければ,数秒で解糖は終了しているはずが,数分 間は持続可能となり,酸素無しで,余分なATPを供給することが 可能となる.
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 嫌気的代謝の後,酸素の吸入を始めると,乳酸は 急速にピルビン酸,NADH+H+に再変換される. 再変換されたこれらの物質の大部分は,大量のATPを 生成すべく直ちに酸化される. この過剰なATPにより,残りの過剰なピルビン酸の75% 位までがglucoseに再変換されうる. 嫌気的解糖時に生成された大量の乳酸は体内か ら喪失するのでは無く,酸素が利用可能になった時 点で,糖に再変換されるか,エネルギーとして直接利 用される. この再変換の大部分は肝臓で,少量はその他の組織で 行われる. 乳酸からピルビン酸への再変換
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 心筋は,乳酸をピルビン酸に変換する能力があ り,エネルギーとして利用可能. この過程は,重労働の際にかなりの割合で起こ り,骨格筋から大量の乳酸が血中に放出され, 心筋の余剰エネルギー源として使用される. 心臓による乳酸の利用
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 体内の殆ど全ての筋肉では,基本的にエネルギー利用に 供される全てのCHOは,解糖によりピルビン酸に分解され, その後酸化される.  ただし,この解糖反応だけがglucoseを分解してエネルギー を供する手段では無い.  glucose消化,酸化の,二番目に重要な機構としてペントー スリン酸経路(pentose phosphate pathway,phosphogluconate pathway)がある. 当経路は,肝臓では,glucose分解の30%位までを担当し, 脂肪細胞では,さらに比率が高まる. クエン酸回路の酵素とは無関係にエネルギーを供すること が出来る点,重要. 複数の細胞合成過程で,エネルギーを供することが出来る. ペントースリン酸経路
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ペントースリン酸経路中のCO2,Hの放出 ♣ gludoseは,一つのCO2,水素４原子 を放出し,五炭糖のD-ribuloseを形成. ♣ D-ribuloseは,その後五,四,七,三炭 糖に変換され,最終的にはこれらの炭糖 が様々に結合してglucoseが再合成さ れる. ♣ 再合成されるglucoseは,当初反応に 入ったglucose6分子のうち,5分子の み. ♣ 経路を繰り返して,最終的には全ての glucoseがCO2とH原子に変換され,H 原子は酸化的リン酸化反応に進み ATPが産生される. ♣ ほかに,脂肪や他の物質合成にも供さ れる.
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ペントースリン酸経路中に放出された水素原子 は,解糖経路中のようにNAD+と結合せ ず,nicotinamide adenine dinucleotide phosphate(NADP+)と結合 NADP+は,ほとんどNAD+と同一で,リン酸基が一つ 余分についている点が異なるだけ. NADPHの中のNADP+と結合してるH原子だけが, 炭水化物から脂肪や他の物質を合成する際に利 用可能な点,非常に重要 水素原子を使用した脂肪合成
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucoseを使用した解糖経路が,細胞の活性 低下で減速した場合でも,肝臓のペントースリン 酸経路は,余剰glucoseを分解し続け, 豊富 となったNADPHが,acetyl-CoAを経て⾧い脂 肪酸鎖に変換される. この反応により,glucose分子内のエネルギー をATP産生に供する以外に,体内で脂肪として 貯蔵するために使用される. 水素原子を使用した脂肪合成
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucoseが,エネルギー源として直ぐに必要無けれ ば,細胞内に流入し続ける余剰のglucose は,glycogenとして貯蔵されるか,脂肪へと変換さ れる. 細胞が貯留できるglycogen量以内であれ ば,glucoseは,優先的にglycogenとして蓄えられ る. そのglycogen量で,12-24時間は必要なエネルギーを 供給可能. 細胞のglycogen貯留量が,飽和に達すると,さら なるglucoseは肝臓や脂肪細胞で脂肪に変換さ れる. glucoseからglycogen,脂肪への変換
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 糖新生(gluconeogenesis) 体内のHCOの貯留量が正常以下になると,アミノ酸,脂 肪のglycerol部分から中等量のglucoseが産生され る. 飢餓時の低血糖予防に重要 glucoseは,脳やRBCの主要なエネルギー源で,食間の 数時間でも適切な量の血糖が存在する必要がある. 血糖維持の上で,肝臓が主体的な役割を演じていて, 飢餓時にglycogenからglucose(glycogenolysis) を,乳酸,アミノ酸からglucose(gluconeogenesis)を 合成する. 糖新生-蛋白,脂肪からのCHO産生
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.  糖新生(gluconeogenesis)  飢餓時に肝臓が産生するglucoseの約25%は gluconeogenesisにより,脳へのglucose安定供給を保証して いる.  飢餓がさらに延⾧している場合には,腎臓がかなりの量の glucoseをアミノ酸その他の前駆物質から合成する.  体内のアミノ酸の約60%は,容易にCHOに変換されうる. 残りの 40%は,化学的形状から変換が困難. 各アミノ酸のglucoseへの変換は,異なる過程で行われる. – alanineは,単純に脱アミノにより直接ピルビン酸に変換され,ピ ルビン酸はglucoseに変換されるかglycogenとして貯留. – 他のもう少し複雑なアミノ酸は,三,四,五,あるいは七炭素原子 を含む異なる糖に変換され,phosphogluconate経路(ペン トースリン酸経路)をへてglucoseに変換.  glycerolも,同様の相互変換によりglucose,glycogenに変換 できる. 糖新生-蛋白,脂肪からのCHO産生
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 基本的に,細胞内のCHOの減少,血糖低下が gluconeogenesis速度を刺激. CHO減少は, 解糖反応,phosphogluconate反 応を直接,逆行させ,脱アミノされたアミノ酸および glycerolを炭水化物に変換. この調節に,cortisolが重要な役を演じて着る. gluconeogenesisの調節
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 細胞が正常量の炭水化物を利用できない場 合,adenohypophysis腺性下垂体が adenocorticotropichormoneACTH(corti cotropin,adrenocorticotropin)分泌量を増 加. 副腎髄質が,大量の糖質コルチコイドホルモン,特に cortisolを分泌 cortisolが体内の全ての細胞から蛋白質を移動さ せアミノ酸として利用可能にする. このアミノ酸のかなりの部分が,肝臓で脱アミノ化さ れglucoseへ変換される理想的な基質を供給. 副腎皮質ホルモン,糖質コルチコイドが糖新生に与える影響
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 過去3,4時間の間に,食事を摂取していない人 の正常血糖値は約90mg/dL. 大量のCHOを含む食事の後でも,糖尿病がな い人では,めったに血糖は約140mg/dLを超え ない. 血糖調節は,膵ホルモンのinsulin,glucagon と密接に関係している. 血糖
68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 68章 炭水化物の代謝と アデノシン三リン酸の産生 UNIT XIII 代謝と温度調節

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68 metabolism of carbohydrates and formation of adenosine triphosphate

  • 1. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
  • 2. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 68章 炭水化物の代謝と アデノシン三リン酸の産生 UNIT XIII 代謝と温度調節
  • 3. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 細胞内の多くの化学反応は,食物内のエネル ギーを,細胞の様々な生理学的システムで利用 可能にするのが目的. エネルギーは,筋肉運動,腺の分泌,神経や筋繊維 の膜電位の維持,細胞内での物質合成,胃腸管か らの食物吸収,その他多くの機能に必要. 食物からのエネルギー放出と“自由エネルギー”
  • 4. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.  全てのエネルギー食品,CHO,脂肪,蛋白何れも細胞内で酸 化されることが可能で,その過程で大量のエネルギーが放出 される.  これらの食物は,体外で実際の火により純酸素と共に燃やし, 大量のエネルギーを放出することも可能だが,その際のエネル ギーは熱の形で急激に放出される.  体内の細胞が生理学的過程で必要とするエネルギーは,熱 ではなく,筋肉運動の際の機械的運動,腺分泌時の溶液濃 縮,その他多くの細胞機能に必要なエネルギー.  こうしたエネルギーを提供するために,化学反応はこうした生 理学的機能の引き金になるシステムと“共役”する必要があ る.  この共役は,特別な細胞酵素,エネルギー輸送系によって達 成される. 共役反応 coupled reaction
  • 5. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ある食物を完全に酸化した際に放出されるエネ ルギー量を食物酸化の自由エネルギーと呼び, 一般にΔGで表される. 自由エネルギーは,通常物質の1moleあたりの caloryという表現で表される. 例:1mole(180g)のブドウ糖glucoseを完全に酸 化した際に放出される自由エネルギーは 686,000calory “自由エネルギー”
  • 6. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. adenosine triphosphate(ATP)は,体のエネ ルギー利用機能とエネルギー産生機能との間 の必須のlink ATPは,生体の“エネルギー通貨”と呼ばれ,繰り 返し獲得,消費される. ATPは,生体の“エネルギー通貨”
  • 7. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ATPがエネルギー産生-利用連鎖の中心 エネルギー産生 • 蛋白 • 炭水化物 酸化 • 脂肪 エネルギー利用 • イオンの能動輸送 • 筋肉収縮 • 分子の合成 • 細胞分裂,成⾧ ADP: adenosine diphosphate Pi: inorganic phosphate
  • 8. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. adenosine triphosphate(ATP) ♣ 全ての細胞に存在する不安定な化合物 ♣ adenine,ribose,三つのリン酸基からなる. ♣ 最後の二つのリン酸基は,残りの分子と高エネルギー結合(~)でつながる. ~ ~
  • 9. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ATP1moleあたりの高エネルギー結合1個の自 由エネルギー量 7300cal 生体内では,正常体温,通常の反応物のもとで 約12,000cal 生体内では,最後の二つのリン酸基の解離で 各々約12,000calのエネルギーを放出する. ATPからリン酸基一つを失うとadenosine diphosphate ADP,二つ目も失うと adenosine monophosphate AMPとなる. adenosine triphosphate(ATP)
  • 10. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ATP,ADP,AMPの相互変換
  • 11. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ATPは,全ての細胞の,何れの細胞形質,核質にも存在. エネルギーを要する全ての生理学的機構は,そのエネル ギーをATPから直接獲得する. 一部は,同様の高エネルギー化合物guanosine triphosphateから得るものも存在 細胞内の食物は,ゆっくり酸化され,放出されたエネルギー は新たなATP産生のために使用されるので,常にATPの供 給が維持されている. これらのエネルギー変換は,共役反応で行われている. 体内で使用されるCHOの90%以上は,このATP産生のた めに利用されている. adenosine triphosphate(ATP)
  • 12. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. CHOの最終代謝産物は,ほぼ完全にglucose ブドウ糖,fructose果糖,galactoseガラクトー スで,その約80%がglucoseブドウ糖. 消化管で吸収されたfructoseの多く,galactose のほとんどは肝臓で速やかにglucoseに変換される. fructose, galactoseは,循環血液中には, ほとん ど無い. glucoseが,組織に運搬される全てのCHOの最終 共通経路となる. ブドウ糖が炭水化物代謝の中心
  • 13. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 肝における単糖類の相互変換 ♣ 肝臓には,単糖類の相互変 換を促進する酵素が存在. ♣ 肝臓が,単糖類を血中に戻 した場合の,最終代謝産物は, ほとんど完全にglucose. ♣ なぜなら,肝臓が,大量の glucose phosphataseを所 有しているため,glucose-6- phosphateは,容易に glucoseとphosphateに分 解されglucoseが肝細胞膜 から血中に戻される.
  • 14. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 細胞内で糖が使用されるには,細胞膜を介して 細胞質内に移送される必要がある. 細胞膜の孔poreを介して容易に拡散出来る 物質の分子量は上限は約100だが,糖の分子 量は,180と過大. 糖は,促進拡散により,ほぼ自由に拡散可能. 糖と結合する大量の移送蛋白分子が膜に存在 膜の両側の糖濃度勾配に応じて拡散可能 細胞膜を介した糖輸送
  • 15. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 組織毎に,細胞膜を介した糖輸送は異なる 胃腸間膜,腎尿細管上皮細胞いずれも能動的Na- glucose共輸送による. Naの能動輸送により,濃度勾配に逆らって糖を吸 収するエネルギーが供される. 能動的Na-glucose共輸送は,特別な細胞での み機能する. –特に糖の能動的吸収に特化した上皮細胞 他の細胞膜では,膜の糖移送蛋白の結合特性によ る濃度勾配に応じた促進拡散 facilitated diffusion により移送される. 細胞膜を介した糖輸送
  • 16. 04 Transport of Substances through Cell Membranes Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. carrier-mediated diffusion 拡散物質の濃度が上昇すると,拡散速度が最 大に上昇する,Vmax 単純拡散では,濃度が上昇するに比例して拡 散速度が上昇. 促進拡散で,拡散速度はVmaxを超えない. 膜輸送蛋白を利用した促進拡散 O.Yamaguchi
  • 17. 04 Transport of Substances through Cell Membranes Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 単純拡散と促進拡散 単純な拡散 促進された 拡散 拡散の速度 物質の濃度 O.Yamaguchi
  • 18. 04 Transport of Substances through Cell Membranes Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 促進拡散のメカニズム1 輸送される 分子 接着部位 輸送蛋白の 形態変化 接着の 解放 O.Yamaguchi 1. 輸送される物質に比べて十分な大きさの孔を持つ輸送蛋白が膜に存在. 2. 輸送蛋白内に,結合受容体を有する. 3. 輸送される物質は,孔に入り結合する.
  • 19. 04 Transport of Substances through Cell Membranes Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 4. 1秒の何分の1かの間に,輸送蛋白内に形態学的ないし化学的変化が起こり,反対 側の孔が開放される. 5. 接着部位の結合力は弱く,物質の熱運動で離断され,膜の反対側へ遊離する. 輸送される 分子 接着部位 輸送蛋白の 形態変化 接着の 解放 O.Yamaguchi 促進拡散のメカニズム2
  • 20. 04 Transport of Substances through Cell Membranes Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 促進拡散のメカニズム3 輸送される 分子 接着部位 輸送蛋白の 形態変化 接着の 解放 O.Yamaguchi 6. この接着,開放,遊離の繰り返しの速度は変えられない. 7. 輸送される物質は,膜の双方向に拡散することが可能.
  • 21. 04 Transport of Substances through Cell Membranes Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucose 様々な組織で,糖を輸送する膜蛋白(GLUT)は少 なくとも14種類が発見されている. これらのGLUTのいくつかは,糖に似たgalactose やfructoseも輸送する. glucose transporter 4 (GLUT4) は,insulinによって活性化され,glucoseの拡散 を10-20倍速める. amino acids 促進拡散で輸送される物質 O.Yamaguchi
  • 22. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 多くの細胞で,糖の移送速度は,insulinにより 大きく上昇. 膵臓が,大量のinsulinを分泌すると,糖の細胞内 移送速度は,insulinが無いときの10倍以上に上昇. insulinが無い場合,肝臓,脳をのぞく多くの細胞で は,エネルギー代謝に必要な糖よりはるかに少ない 量しか細胞内に供給できない. 多くの細胞のCHO利用速度は,膵臓による insulin分泌速度と,insulinに対する感受性で 決まる. insulinが糖の促進拡散を増す
  • 23. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucoseのリン酸化phosphorylation ♣ glucoseは,細胞内に入ると,直ちにリン酸基と結合 ♣ この反応は,肝臓にあるglucokinaseと,他の多くの 細胞にあるhexokinaseにより促進される. ♣ glucoseのリン酸化は,肝細胞,腎尿細管上皮細胞, 腸上皮細胞を除いてほぼ完全に不可逆的
  • 24. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucoseのリン酸化phosphorylation ♣ 肝細胞,腎尿細管上皮細胞,腸上皮細胞細胞では, 別の酵素glucose phosphataseが利用可能で,こ の酵素が活性化されると反応を逆転する事が可能. ♣ 体の多くの組織で,リン酸化がglucoseを捕捉する 役割を演じている. ♣ glucoseは,リン酸基と瞬時に結合するため, phosphataseを有する肝細胞を除いて,glucoseが 細胞外に逆拡散することが無い.
  • 25. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 細胞内に吸収されたglucoseは直ちにエネル ギー放出のために使用されるか,大きな重合体 glycogenとして貯蔵される. 体内のほぼ全ての細胞は,多少のglycogenを 蓄えることが可能だが,肝臓は,その重量の5- 8%に及ぶglycogenを貯蔵可能で,筋細胞は, その重量の1-3%に及ぶglycogenを貯蔵可能. glycogen分子は,幾重にも重合可能で,平均 分子量は5百万以上で,多くは固体の顆粒とし て沈殿している. glycogenが肝,筋肉で貯蔵される
  • 26. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 単糖類であるglucoseから,高分子量の沈殿 化合物(glycogen)への変換は,細胞内液の浸 透圧を変えること無く,大量のCHOを蓄えること を可能にしている. 低分子量で可溶性の単糖類が高濃度で存在 すると,細胞内液と細胞外液との間の浸透圧関 係上,大混乱を生じる. glycogenが肝,筋肉で貯蔵される
  • 27. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glycogenesis 糖生成,糖原形成 ♣ G-6-Pは,G-1-Pと なり,さらにuridine diphosphate glucoseに変換さ れ,最終的に glycogenに変換 される. ♣ 反応を起こすため には,いくつかの特 異的な酵素が必要.
  • 28. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glycogenesis 糖生成,糖原形成 ♣ glucoseに変換 可能な単糖類は, いずれもこの反応 に入ることができる. ♣ 乳酸,glycerol,ピ ルビン酸,脱アミノさ れたアミノ酸なども glycogenに変換 可能.
  • 29. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 細胞内で貯蔵されているglycogenを分解し て,glucoseを再形成し,エネルギー源とする過程. glycogen形成反応を,逆行させるのではな く,phosphorylaseの触媒によるリン酸化反応 phosphorylationによりglycogenの枝から glucose一つ一つを剥ぎ取る 安静時は,phosphorylaseは不活性状態 で,glycogenは,貯蔵され続ける. glucoseを再生成する必要が生じた際に は,phosphorylaseが真っ先に活性化される.活 性化は,epinephrine,glucagonなどによってなさ れる. glycogenolysis 糖原分解
  • 30. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. epinephrine,glucagonがphosphorylaseを 活性化し,迅速な糖原分解を果たす. 当初,cyclic AMPの生成を促進 次に,phophorylaseを活性化させる化学反応のカス ケードを開始. epinephrineは,交感神経系が刺激を受けると, 副腎髄質から放出される. 交感神経系の機能の一つが,迅速なエネルギー代謝の ために利用可能なglucoseを増やす事. この作用は,肝細胞,筋肉で特に顕著で,体の運動負荷 に対応する事に貢献 phosphorylaseの活性化
  • 31. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucagonは,血糖が低くなりすぎた際に,膵臓 のα細胞から分泌される. 肝細胞のcyclic AMPの生成を刺激し,肝臓の glycogenをglucoseに変換して血中に放出. 結果として,血糖が上昇. phosphorylaseの活性化
  • 32. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucose 1moleの完全な酸化により686,000cal のエネルギーを放出 ATP 1moleの生成には僅か12,000calのエネル ギーを要するのみ わずか一つのATPを生成する間に,glucoseが一変に 水と二酸化炭素に分解されると,かなりのエネルギーが 浪費される事になる. 幸い,体には特別な酵素があり,glucose分子を, 多くの連続的な段階を介して一度にすこしづつ分 解し,ATP一分子を生成するのに小さなエネルギー のセットを放出すため,glucose1moleを代謝する 毎に,38moleのATPが生成される. 解糖経路によるエネルギー放出
  • 33. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucoseからエネルギーを放出する最も重要な 手段は,glycolysis解糖により開始される. 解糖の最終産物が,酸化されてエネルギーを供 する. 解糖とは,glucose分子を分解して,二分子の ピルビン酸pyruvic acidを形成すること. 解糖glycolysis
  • 34. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 解糖の化学反応順序 ♣ 解糖は,連続する10の化学 反応による. ♣ 各反応は,少なくとも一つの 特異的な蛋白酵素が触媒. ♣ glucoseは,当初 fructose-1,6- diphosphateに変換される. ♣ 次に二つの三炭素原子分 子のglyceraldehyde-3- phosphateに分れる. ♣ 各々は,5つの反応を経て pyruvic acidに変換.
  • 35. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 解糖によるATP生成 ♣ 各反応段階では,glucose 分子の自由エネルギーのほ んの一部しか放出されない. ♣ ①,②の反応に限っては, ATP1モルを生成するのに必 要な12,000calより多いエネ ルギーセットが放出されるの で,ATP産生と共役している. ♣ 各fructose-1,6- diphosphateがpyruvic acidに分解されるまでに計 4moleのATPが生成される. ① ②
  • 36. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 解糖によるATP生成 ♣ 解糖を始める前に,基の glucoseをfructose-1,6- diphosphateにリン酸化す るのに二つのATPが必要. ♣ 正味,解糖によりglucose 一つあたり2個のATPが得ら れるのみ. ♣ 2個のATPは,24,000calの エネルギーに相当するが,基 のglucoseから56,000cal が失われるため,ATP形成の 全体的な効率は43%で,残 り57%は熱の形で失われる.
  • 37. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 二つのpyruvic acidをacetylcoenzyme A(acetyl-CoA)二分子へ変換する二段階 ピルビン酸からacetyl-CoAへの変換 ♣ この反応によりCO2二分子と,四個の水素原子が放出 ♣ Vit.pantothenic acidに由来する補酵素A (coenzyme A,CoA)と pyruvic acidの残りの部分が結合して二つのacetyl-CoAができる. acetyl-CoA Coenzyme A Pyruvic acid
  • 38. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 二つのpyruvic acidをacetylcoenzyme A(acetyl-CoA)二分子へ変換する二段階 ピルビン酸からacetyl-CoAへの変換 ♣ この反応では,ATPの産生は得られない. ♣ 放出された4Hが,後に酸化されることにより,ATP6分子が 生成される. acetyl-CoA Coenzyme A Pyruvic acid
  • 39. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. Hans Krebsが発見 tricarboxylic acid cycleとも acetyl-CoAのacetyl部分が,CO2とH原子に 分解される化学反応過程 全て,mitochondriaの基質matrixで起こる反 応 放出されたH原子は,数を増して,その後酸化さ れて膨大な量のエネルギーを放出してATPを形 成 クエン酸回路(Krebs cycle)
  • 40. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. クエン酸回路(Krebs cycle) ♣ はじめacetyl-CoAが oxaloacetic acidと結合して citric acidクエン酸を生成. ♣ 放出されたCoA部分は pyruvic acidと反応してさらな るacetyl-CoAを繰り返し合成. ♣ acetyl部分は,クエン酸分子と 一体化.
  • 41. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. クエン酸回路(Krebs cycle) ♣ 反応中に,いくつかの水分 子が加えられ,CO2と水素原 子が放出される.
  • 42. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. クエン酸回路(Krebs cycle) glucose1分子あたりの正味の反応結果 ♣ クエン酸回路そのものは,大きなエネルギーを生じない. ♣ α-ketoglutaric acidからsuccinic acidに変換する場面で 一つのATPを生成. ♣ glucose一分子から二つのacetyl-CoAがクエン酸回路に至 り,各々が一分子のATPを生成することから,計二分子のATPが 生成される.
  • 43. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. クエン酸回路で計2ATPを生成 ♣ α-ketoglutaric acidから succinic acidに変換する 場面で一つのATPを生成. ♣ glucose一分子から二つ のacetyl-CoAがクエン酸 回路に至り,各々が一分子 のATPを生成することから, 計二分子のATPが生成さ れる.
  • 44. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucoseの代謝中,いくつかのポイントで水素 原子が放出される. 解糖glycolysisで4原子 pyruvic acidからacetyl-CoAを作成する際に４ 原子 クエン酸回路で16原子 合計24個の水素原子がglucose一分子の代謝 から放出される. dehydrogenaseとNADの機能
  • 45. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 水素原子は,細胞内液の中で,単純に開放され ているわけではない. 水素のpacketの放出はdehydrogenaseと 呼ばれる特異的な蛋白酵素の触媒による. 24個の水素原子の内20個は,Vit.niacin由来 のnicotinamide adenine dinucleotide (NAD+)と直ちに結合 dehydrogenaseとNADの機能
  • 46. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. dehydrogenaseとNADの機能 ♣ この反応は,dehydrogenaseの介在無しには起きないし,水素 担体のNAD+無しには起きない. ♣ freeの水素イオンと水素イオンと結合したNAD+とが,大量の ATPを生成する複数の酸化的化学反応に進行.
  • 47. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 24個の水素原子の内,残りの4個,クエン酸回 路のsuccinic acidとfumaric acidの間で放 出された4個の水素原子は特異的な dehydrogenaseと結合するが,NAD+とは反 応せず, dehydrogenaseから直接酸化過程 に至る. dehydrogenaseとNADの機能
  • 48. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. pyruvic acidからacetyl-CoAを生成する際 に,CO2が放出される三つの段階が存在. 特異的蛋白酵素decarboxylaseがCO2を基質か ら裂いて, CO2を放出. 放出されたCO2は,体液に溶け込み,肺から呼出さ れる. CO2を放出するdecarboxylase
  • 49. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 酸化 還元 酸素を中心に考えて 酸素と化合する 酸素を失う 水素を中心に考えて 水素を失う 水素と化合する 電子を中心に考えて 電子を失う(与える) 電子を得る(受け取る) 参加数を中心に考えて 増加する 減少する 酸化還元 大学受験化学 気鋭の講師岡野の化学をはじめからていねいに 理論化学編
  • 50. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 1)解糖 2)クエン酸回路 3)脱水素 4)脱二酸化炭素 いずれも複雑なわりにATPの生成量は僅かで,解糖で2 個,クエン酸回路で2個 糖代謝により生成される総ATPの90%は,代謝初期に 放出された水素原子が,その後に酸化されることにより生 成. 糖代謝初期の上記の4段階の主要な機能は,glucose 分子内の水素を,酸化可能な形にすること. 水素の酸化により大量のATPを生成
  • 51. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 水素原子の酸化 内膜 外膜 拡散 促進 拡散 食物 ADP:adenosine diphosphate FeS:iron sulfide protein FMN:flavin mononucleotide NAD+:nicotinamide adenine dinucleotide NADH:reduced nicotinamide adenine dinucleotide Q:ubiquinone
  • 52. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 水素原子の酸化 内膜 外膜 拡散 促進 拡散 食物 1. 各水素原子を,水素イオンH+と 電子e-に分離 2. 電子e-を使用して,流体の溶存 酸素と水分子を結合し,OH-を 形成 3. 水素と水酸基イオンを結合して 水を形成. • この酸化反応の間に,ATP生 成用の大量のエネルギーが放 出される. • このATP生成方法を,酸化的リ ン酸化と呼ぶ. • この反応は,ミトコンドリア内で chemiosmotic mechanism 化学浸透機構 により行われる.
  • 53. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ATP生成のための化学浸透機構 chemiosmotic mechanism
  • 54. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ミトコンドリア内の酸化的リン酸化反応の第一段 階は,食物から摂取された水素原子をイオン化する 事. この水素原子は対で摂取される 一つは,直ちに水素イオンH+となる. 他の一つは,NAD+と結合して 還元型nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) を形成. – このNADHから水素原子を放出して,別の水素イオン H+を形成し,この過程によりNAD+も再生され,繰り返 し再利用に供される. 水素のイオン化,電子伝達鎖,水の生成
  • 55. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.  水素イオン化のために水素原子から除去された電子は,直ち にミトコンドリアの内膜(shelf membrane)に統合された電 子受容体electron acceptorの電子伝達鎖に入る.  electron acceptorは,電子の授受により,可逆的に酸化,還元が 可能  重要な電子伝達鎖は,以下のとおり  flavoprotein(flavin mononucleotide)  いくつかのiron sulfide protein  ubiquinone  cytochromes B,C1,C,A,A3など  電子は,最終的にcytochrome A3に至るまで,これらの受容 体の間を行き来する.  cytochrome A3は,cytochrome oxidaseと呼ばれ,二つの電 子を供与し酸素をイオン化酸素に還元し,イオン化酸素は水素イ オンと結合して水を生成. 水素のイオン化,電子伝達鎖,水の生成
  • 56. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.  水素イオン化のために水素原子から除去された電子は,直ち にミトコンドリアの内膜(shelf membrane)に統合された電 子受容体electron acceptorの電子伝達鎖に入る.  electron acceptorは,電子の授受により,可逆的に酸化,還元が 可能  重要な電子伝達鎖は,以下のとおり  flavoprotein(flavin mononucleotide)  いくつかのiron sulfide protein  ubiquinone  cytochromes B,C1,C,A,A3など  電子は,最終的にcytochrome A3に至るまで,これらの受容 体の間を行き来する.  cytochrome A3は,cytochrome oxidaseと呼ばれ,二つの電 子を供与し酸素をイオン化酸素に還元し,イオン化酸素は水素イ オンと結合して水を生成. 水素のイオン化,電子伝達鎖,水の生成
  • 57. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 電子鎖上の電子伝達 内膜 外膜 拡散 促進 拡散 食物 ♣ 電子鎖上の電子伝達を 示す. ♣ 最終的には, cytochrome oxydase(cytochrome A3)により酸素が酸素イ オンに還元され水素イオン と反応してH2O水を生成 ♣ 電子伝達鎖を介した電 子の移送の間にATP合 成に供されるエネルギーが 放出される.
  • 58. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 膜間腔へのH+の汲み出し 内膜 外膜 拡散 促進 拡散 食物 ♣ 電子伝達鎖により大量 のエネルギーが放出され, これは,ミトコンドリアの内 側の基質から膜間腔へH+ を汲み出すために使用さ れる. ♣ この過程により,膜間腔 内に高濃度の陽性荷電 H+を生成. ♣ 内側基質内には,強い陰 性電位をもたらす. 膜間腔
  • 59. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ATP synthetaseによるATP生成 内膜 外膜 拡散 促進 拡散 食物 ♣ ADPをATPに変換する 過程 ♣ ミトコンドリアの内膜を貫 通し,内側基質内に取手 様の頭部を突き出してい る大きな蛋白分子 で,ATP合成酵素(ATP synthetase)と呼ばれる ATPase. 膜間腔
  • 60. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. synthase synthetase 分類 lyase ligase ATP 使わない 使う 2 重結合にある基を付加す る. 2 つの分子を結びつける. 化学結合を作る ため,lyaseであるsynthaseよりもエネル ギーを必要とする反応. 基質から非加水分解的にあ る基をとり去り 2 重結合を残 す (または逆反応により 2 重結合にある基を付加する) 反応を触媒する酵素 を lyase と総称するが,特に 反応の平衡が付加 (合成) に傾いているときこれを synthaseとよぶ . 合成酵素のうち ATP などのピロリン酸結 合の加水分解と共役して 2 個の分子を結 合させる反応を触媒する酵素の総称.EC 6 群。分子 X と Y を結合させるこれらの酵素 は系統名では X:Y リガーゼ と呼ばれるが、 常用名では生成した分子 X-Y に基づき X- Y synthetaseとよばれることが多い. ATP synth(et)ase?訳注
  • 61. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ATP synthetaseによるATP生成 内膜 外膜 拡散 促進 拡散 食物 ♣ 陽性荷電したH+が膜間腔に 高濃度で存在するため,内膜を 挟んだ大きな電位差を生 じ,ATPase分子の基質内を 通ってH+がミトコンドリアの基 質内に流入. ♣ この水素イオンの流れに由来 するエネルギーにより,ATPase によってADPとフリーのリン酸イ オン基(Pi)との結合によるATP への変換が行われ,分子内に高 エネルギーリン酸結合が付加さ れる. 膜間腔
  • 62. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 生成されたATPは,細胞質内へ 内膜 外膜 拡散 促進 拡散 食物 ♣ 生成されたATPは,ミトコ ンドリアの内膜を介した促 進拡散により膜間腔へ. ♣ さらに,外膜から細胞質へ の移動は,単純拡散による. ♣ ADPは,持続的にATPに 変換され続けて,外に移動 する. ♣ 二つの電子が電子伝達 鎖を通過する(二つの水素 原子がイオン化される)毎 に,3個のATP分子が合成 される. 膜間腔
  • 63. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucose1分子の分解によるATP生成数 1. 解糖により4分子のATPが生成され,2分子が最初のリン 酸化により消費され,正味２分子のATPが獲得される. 2. クエン酸回路1回転で,１分子のATPが生成される が,glucose1分子は,二つのピルビン酸分子に別れるた め,glusose1分子あたりクエン酸回路2回転に相当し,正 味2分子のATPが生成される. 3. 解糖,クエン酸回路の間に,合計24個の水素原子が放出 され,このうち20個がchemiosmotic mechanismにより 酸化される.水素2原子毎に3個のATPが放出されるため, 合計30分子のATPが追加される. 4. のこり4個の水素原子は,dehydrogenaseによって,最初 の段階を超えて化学浸透酸化反応に至り,通常,2つの水 素原子が酸化される毎に２つのATP分子が放出されるた め,合計でさらに４つのATP分子が生成される. 糖分解によるATP生成の要約
  • 64. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucose1分子から,ATP最大38分子が生成 され,水と炭酸ガスに分解される. ATPの形で456,000calのエネルギーが貯留される. glucose１分子の完全な酸化により686,000cal のエネルギーが放出される. 全体のエネルギー変換効率は66% のこり34%は,熱となり,細胞の特異的な機能のため に使用する事は出来ない. 糖分解によるATP生成の要約
  • 65. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 細胞が,エネルギーを必要としていない間も,持 続的に糖からエネルギーを放出するのは,非常 に無駄な過程となり得る. 実際は,細胞のATPに対する需要に応じて,解 糖とそれに続く水素原子の酸化が,持続的に調 節されている. この調節は,複数のfeedback機構による. 細胞内のADP,ATP濃度が,代謝速度を調節して いる. 細胞内ATP濃度と糖の代謝
  • 66. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. phosphofructokinaseは,解糖系の最初の 反応,fructose-1,6-diphosphateの生成を触 媒する酵素. 細胞内の過剰なATPが,phosphofructokinase を抑制 ADP(とAMPも同様)は,この酵素の活性を刺激 phosphofructokinase抑制による代謝制御
  • 67. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. クエン酸回路で生成されるクエン酸イオンが,過 剰になるとphosphofructokinaseを強力に 抑制. 解糖過程で生成されるピルビン酸をクエン酸回 路が利用して先に進行するのを防ぐ. 過剰なクエン酸イオンがphosphofructokinaseを抑制
  • 68. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ATP-ADP-AMP systemが,CHO代謝を制御 し,脂肪,蛋白質からのエネルギー放出を制御. すでに細胞内のADPがすべてATPに変換されてい る場合,追加的にATPを形成する事は出来ない. 結果として,栄養源となる糖,脂肪,蛋白を利用して ATPを生成過程は停止される. 細胞内で,様々な生理学的機能にエネルギーを供 与するためにATPが消費されると,新たに形成され たADP,AMPがエネルギー過程を再開し, ADP, AMPは瞬時にATP状態に戻る. ATP-ADP-AMPシステムによるCHO代謝制御機構
  • 69. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 酸素が利用できない場合でも,glucoseをピル ビン酸に代謝する過程は,酸素を必要としない ため,少量ながらエネルギーを細胞に供給するこ とは可能. この過程は,glucose１分子あたりわずか 24,000calのエネルギーしか得られず,glucoseの 浪費が甚だしい. glucose1分子が持つエネルギー(686,000cal)の 3%を少し上回る程度に過ぎない. それでも,酸素が利用できな場合には,数分間の救 命的な時間を提供出来る. 嫌気的なエネルギー放出-嫌気的解糖
  • 70. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 質量作用の法則では,化学反応の最終生成物が 反応媒体に蓄積すると,反応速度が低下し,ゼロに 近づくとされている. 解糖反応の最終生成物は, 1. ピルビン酸 2. NAD+と結合してNADHとH+を形成する水素原子 これらの物質のいずれか,または両方が蓄積すると,解糖 過程が停止し,ATPのさらなる形成が妨げられる. これらの物質が過剰になり始めると,次の式に従って,互 いに反応し乳酸を形成する. 嫌気的解糖時の乳酸形成
  • 71. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 嫌気的解糖時の乳酸形成 ♣ 嫌気的環境では,ピルビン酸のかなりの部分が乳酸に変換され, 細胞外液に出たり,より活性の低い他の細胞の細胞内液に移動. ♣ 乳酸は,解糖最終産物が消失する”陥没穴”のようなもので,乳 酸形成が無ければ続かない解糖時間を延⾧している.
  • 72. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 嫌気的解糖時の乳酸形成 ♣ 乳酸形成が無ければ,数秒で解糖は終了しているはずが,数分 間は持続可能となり,酸素無しで,余分なATPを供給することが 可能となる.
  • 73. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 嫌気的代謝の後,酸素の吸入を始めると,乳酸は 急速にピルビン酸,NADH+H+に再変換される. 再変換されたこれらの物質の大部分は,大量のATPを 生成すべく直ちに酸化される. この過剰なATPにより,残りの過剰なピルビン酸の75% 位までがglucoseに再変換されうる. 嫌気的解糖時に生成された大量の乳酸は体内か ら喪失するのでは無く,酸素が利用可能になった時 点で,糖に再変換されるか,エネルギーとして直接利 用される. この再変換の大部分は肝臓で,少量はその他の組織で 行われる. 乳酸からピルビン酸への再変換
  • 74. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 心筋は,乳酸をピルビン酸に変換する能力があ り,エネルギーとして利用可能. この過程は,重労働の際にかなりの割合で起こ り,骨格筋から大量の乳酸が血中に放出され, 心筋の余剰エネルギー源として使用される. 心臓による乳酸の利用
  • 75. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 体内の殆ど全ての筋肉では,基本的にエネルギー利用に 供される全てのCHOは,解糖によりピルビン酸に分解され, その後酸化される.  ただし,この解糖反応だけがglucoseを分解してエネルギー を供する手段では無い.  glucose消化,酸化の,二番目に重要な機構としてペントー スリン酸経路(pentose phosphate pathway,phosphogluconate pathway)がある. 当経路は,肝臓では,glucose分解の30%位までを担当し, 脂肪細胞では,さらに比率が高まる. クエン酸回路の酵素とは無関係にエネルギーを供すること が出来る点,重要. 複数の細胞合成過程で,エネルギーを供することが出来る. ペントースリン酸経路
  • 76. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ペントースリン酸経路中のCO2,Hの放出 ♣ gludoseは,一つのCO2,水素４原子 を放出し,五炭糖のD-ribuloseを形成. ♣ D-ribuloseは,その後五,四,七,三炭 糖に変換され,最終的にはこれらの炭糖 が様々に結合してglucoseが再合成さ れる. ♣ 再合成されるglucoseは,当初反応に 入ったglucose6分子のうち,5分子の み. ♣ 経路を繰り返して,最終的には全ての glucoseがCO2とH原子に変換され,H 原子は酸化的リン酸化反応に進み ATPが産生される. ♣ ほかに,脂肪や他の物質合成にも供さ れる.
  • 77. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ペントースリン酸経路中に放出された水素原子 は,解糖経路中のようにNAD+と結合せ ず,nicotinamide adenine dinucleotide phosphate(NADP+)と結合 NADP+は,ほとんどNAD+と同一で,リン酸基が一つ 余分についている点が異なるだけ. NADPHの中のNADP+と結合してるH原子だけが, 炭水化物から脂肪や他の物質を合成する際に利 用可能な点,非常に重要 水素原子を使用した脂肪合成
  • 78. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucoseを使用した解糖経路が,細胞の活性 低下で減速した場合でも,肝臓のペントースリン 酸経路は,余剰glucoseを分解し続け, 豊富 となったNADPHが,acetyl-CoAを経て⾧い脂 肪酸鎖に変換される. この反応により,glucose分子内のエネルギー をATP産生に供する以外に,体内で脂肪として 貯蔵するために使用される. 水素原子を使用した脂肪合成
  • 79. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. glucoseが,エネルギー源として直ぐに必要無けれ ば,細胞内に流入し続ける余剰のglucose は,glycogenとして貯蔵されるか,脂肪へと変換さ れる. 細胞が貯留できるglycogen量以内であれ ば,glucoseは,優先的にglycogenとして蓄えられ る. そのglycogen量で,12-24時間は必要なエネルギーを 供給可能. 細胞のglycogen貯留量が,飽和に達すると,さら なるglucoseは肝臓や脂肪細胞で脂肪に変換さ れる. glucoseからglycogen,脂肪への変換
  • 80. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 糖新生(gluconeogenesis) 体内のHCOの貯留量が正常以下になると,アミノ酸,脂 肪のglycerol部分から中等量のglucoseが産生され る. 飢餓時の低血糖予防に重要 glucoseは,脳やRBCの主要なエネルギー源で,食間の 数時間でも適切な量の血糖が存在する必要がある. 血糖維持の上で,肝臓が主体的な役割を演じていて, 飢餓時にglycogenからglucose(glycogenolysis) を,乳酸,アミノ酸からglucose(gluconeogenesis)を 合成する. 糖新生-蛋白,脂肪からのCHO産生
  • 81. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.  糖新生(gluconeogenesis)  飢餓時に肝臓が産生するglucoseの約25%は gluconeogenesisにより,脳へのglucose安定供給を保証して いる.  飢餓がさらに延⾧している場合には,腎臓がかなりの量の glucoseをアミノ酸その他の前駆物質から合成する.  体内のアミノ酸の約60%は,容易にCHOに変換されうる. 残りの 40%は,化学的形状から変換が困難. 各アミノ酸のglucoseへの変換は,異なる過程で行われる. – alanineは,単純に脱アミノにより直接ピルビン酸に変換され,ピ ルビン酸はglucoseに変換されるかglycogenとして貯留. – 他のもう少し複雑なアミノ酸は,三,四,五,あるいは七炭素原子 を含む異なる糖に変換され,phosphogluconate経路(ペン トースリン酸経路)をへてglucoseに変換.  glycerolも,同様の相互変換によりglucose,glycogenに変換 できる. 糖新生-蛋白,脂肪からのCHO産生
  • 82. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 基本的に,細胞内のCHOの減少,血糖低下が gluconeogenesis速度を刺激. CHO減少は, 解糖反応,phosphogluconate反 応を直接,逆行させ,脱アミノされたアミノ酸および glycerolを炭水化物に変換. この調節に,cortisolが重要な役を演じて着る. gluconeogenesisの調節
  • 83. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 細胞が正常量の炭水化物を利用できない場 合,adenohypophysis腺性下垂体が adenocorticotropichormoneACTH(corti cotropin,adrenocorticotropin)分泌量を増 加. 副腎髄質が,大量の糖質コルチコイドホルモン,特に cortisolを分泌 cortisolが体内の全ての細胞から蛋白質を移動さ せアミノ酸として利用可能にする. このアミノ酸のかなりの部分が,肝臓で脱アミノ化さ れglucoseへ変換される理想的な基質を供給. 副腎皮質ホルモン,糖質コルチコイドが糖新生に与える影響
  • 84. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 過去3,4時間の間に,食事を摂取していない人 の正常血糖値は約90mg/dL. 大量のCHOを含む食事の後でも,糖尿病がな い人では,めったに血糖は約140mg/dLを超え ない. 血糖調節は,膵ホルモンのinsulin,glucagon と密接に関係している. 血糖
  • 85. 68 Metabolism of Carbohydrates and Formation of Adenosine Triphosphate O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 68章 炭水化物の代謝と アデノシン三リン酸の産生 UNIT XIII 代謝と温度調節