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
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.jpg1. 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 ~ PATP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 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://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 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
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
