解剖・栄養生理学

栄養生理学

細胞の生理とエネルギー代謝

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

の基礎について学ぶ

• 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

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

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

体細胞の分化

• ヒトの細胞は体細胞と生殖細胞_{に分類される} • 性質の違う（特定の性質に特化した）細胞が生まれるこ とを「_{分化(Differentiation)」という} • 性質の違う細胞と細胞間質（細胞外基質）という物質が 違う_{組織(Tissue)を構成している} 上皮細胞 支持組織細胞 筋細胞 神経細胞 生殖細胞 ヒトの細胞 体細胞

組織の種類

• 上皮組織：全ての表面を覆い体腔を裏打ちする

膜状の細胞層

– 増殖の速度が速く分泌など特殊な機能を持つ

• 支持組織：体の各部位の結合と支持に働いてい

る組織

– 骨や軟骨、結合組織(腱や靭帯) – 血液やリンパ液を含む場合も

• 筋組織：心筋・骨格筋・平滑筋

• 神経組織：脳・脊髄・末梢神経

上皮細胞

の種類

• 単層もしくは重層

• 扁平上皮：肺や血管の内部

– 血管やリンパ管の上皮内皮

• 立方上皮：腎臓の尿細管

• 円柱上皮：円形もしくは方形

の底面をした細胞

– 胃や腸の粘膜表面 – 円柱上皮の上面には線毛が 生えている線毛上皮

• 移行上皮-表層の細胞が厚く

面積を拡大することができる

– 膀胱や尿管 扁平(Squamous) 立方(Cuboidal) 円柱(Columnar)

上皮と結合組織の間には基底膜がある

• 糖タンパク質の膜

• 構造が違う2層構造

– 基底層(きていそう)：細か いタンパク質線維で大きな 分子が結合組織から移動 することを防ぐ – 細網層(さいもうそう)：粗い タンパク質線維の束で基底 膜の強度を維持する 基底層 細網層 結合組織 基底膜

細胞間の構造

http://www.bio.miami.edu/~cmallery/150/cells/junctions.jpg

密着結合

接着班

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

2013年のノーベル医学生理学賞

• 細胞内での小胞を用いた物質輸送を発見

した研究者3名が2013年のノーベル医学

生理学賞を受賞

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

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 B1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

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 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、 老化や認知症

• 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 _{カロリメトリー} 直接的 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

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）： O

₂

の消費に対しての

CO

₂

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

BMRの推定 (Harris Benedict)

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). A biometric

study of basal metabolism in men. Carnegie Institute of

BMRの推定(Schofield)

出典：FAO/WHO/UNU Expert Consultation. 2001. Human energy requirement.

Schofield WN. (1985). Predicting basal metabolic rate, new standards and review of

CO₂ H₂O H₂O 水素原子の同位体 酸素原子の同位体 0.0149 atom% 2_H 0.204 atom% 18_O 99.759 atom% 16_O 0.037 atom % 17_O 99.985 atom% 1_H 1×10-15 atom% 3_H

二重標識水法の原理 同位体の天然存在比

総エネルギー消費量の計測

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

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

身体活動レベルとは?

• 身体活動レベル(Physical Activity Level: PAL)

• 身体活動量の指標

• PAL区分

– 低い(Ｉ)：1.40～1.60 (生活の大部分が座位) – ふつう(Ⅱ)：1.75～1.90 (座位中心の仕事＋立位) – 高い(Ⅲ)：1.90～2.20 (移動や立位の多い仕事)

PAL =1日当たり総エネルギー消費量÷1日当たり

の基礎代謝量