栄養素の代謝と相互後変換

　日本では、過去５０年間で、カロリー摂取量は２１００Kcal／日でほとんど変化していません。しかし、カロリー摂取量に占める脂質の割合は、５０年前が約６％だったのが、最近は、２８％と、４倍に増えています。
　米食をして来た日本人は、脂肪を貯め込む「倹約遺伝子」の働きが欧米人より活発だと言われています。
　肥満や糖尿病を予防するためには、脂質の少ない食餌を摂ることが大切です。

　カロリー制限をすると、活性酸素の発生量が低下して、寿命が延びます。
　長寿の秘訣は、腹八分目に食べ、カロリーや脂質の摂取量を控え、野菜などで抗酸化物質を摂ることです。　

　注１：グルコースの小腸の細胞内への吸収は、Na⁺と一緒の共輸送なので、食塩はグルコースの吸収を良くさせます。

　注２：肝臓で、α-ケトグルタル酸（2-オキソグルタル酸とも呼ばれる）が、酵素（GDH）により、アンモニアと反応して、グルタミン酸（Glu）が出来ますので、グルコースは、アミノ酸にも、変換出来ます。
　グルコース（ブドウ糖）は、体内では、細胞のエネルギー源になる、肝臓や筋肉でグリコーゲンとして貯蔵される、中性脂肪として貯蔵される、アミノ酸に変換されるの、どれかの、運命を辿ります。

　注３：解糖では、グルコースが、ピルビン酸に、分解されます。
　グルコースの解糖の経路には、ジヒドロキシアセトンリン酸（DHAP）を経由して、
　・グルコース→グルコース6-リン酸→フルクトース6-リン酸→フルクトース1,6-ビスリン酸→ジヒドロキシアセトンリン酸（DHAP）→グリセルアルデヒド 3-リン酸（GAP）→1,3-ビスホスホグリセリン酸（1,3-BPG）→
　と分解される経路と、DHAPを経由しないで、直接、グリセルアルデヒド 3-リン酸（GAP）に分解される、
　・グルコース→グルコース6-リン酸→フルクトース6-リン酸→フルクトース1,6-ビスリン酸→グリセルアルデヒド 3-リン酸（GAP）→1,3-ビスホスホグリセリン酸（1,3-BPG）→
　と言う経路とがあります。
　ジヒドロキシアセトンリン酸（DHAP）は、グリセロール-3-リン酸に変換され、トリグリセリド（中性脂肪）の生成に使用されます。
　グリセロール-3-リン酸は、フルクトース（果糖）からも、生成されます（糖新生の経路の図に示しました）：フルクトース→フルクトース-1-リン酸→グリセルアルデヒド→グリセロール→グリセロール-3-リン酸と、生成されます。フルクトースは、筋肉では、フルクトース-6-リン酸となって、解糖系にも、導入されます。
　なお、グリセロール-3-リン酸は、α-グリセロリン酸とも呼ばれて来ましたが、解糖の経路のグリセルアルデヒド 3-リン酸（GAP）とは、異なります。

　注４：リンゴ酸（オキシコハク酸）は、ミトコンドリア内では、TCA回路に必要なオキサロ酢酸になり、TCA回路の回転（代謝）を、良くすると、考えられます。
　リンゴ酸は、林檎（リンゴ）や、ブドウの果汁に、含まれています。
　林檎（リンゴ）は、約１．２％のリンゴ酸、クエン酸、酒石酸などの有機酸を含んでいます。リンゴは、食欲を促進させ、便秘の時にも、下痢の時にも、良いと言われています。
　酵母のアルコール発酵で作られる、清酒などにも、リンゴ酸が、含まれています。

　注５：グルコース１分子当たり、肝臓、腎臓、心臓では、３８ATP、それ以外の臓器では、３６ＡＴＰが、生成されます。
　解糖では、グルコース１分子当たり、好気的条件下では、ATP２分子、NADH₂⁺２分子、ピルビン酸２分子が生成されます（嫌気的条件下では、ATP２分子、乳酸２分子が生成されます）。

　グルコース → 2 ピルビン酸＋ 2 ATP ＋ 2 NADH₂⁺
　この解糖で生成されたNADH₂⁺は、ミトコンドリア外（細胞質）から、ミトコンドリア内に輸送され、呼吸鎖で酸化され、ATP が生成されます。
　NADH₂⁺は、肝臓、腎臓、心臓では、リンゴ酸-アスパラギン酸シャトルにより、その還元当量のエネルギーが、ミトコンドリア内に輸送され、１個のNADH2+当り、３個のATP が生成されます。
　ところが、NADH2+は、筋肉などの組織では、グリセロリン酸シャトルにより、FADH₂として、ミトコンドリア内に輸送されますが、１個のFADH₂当り、２個のATPしか生成されません。

　従って、解糖で生成された２個のNADH₂⁺が、肝臓などで、リンゴ酸-アスパラギン酸シャトルにより、ミトコンドリア内に輸送されると、６個のATPが生成され、全体で、３８個のATPが生成されます。
　しかし　解糖で生成された２個のNADH₂⁺が、筋肉などの組織で、グリセロリン酸シャトルにより、ミトコンドリア内に輸送されると、４個のATPしか生成されないので、ATPは、２個少ない、３６個しか、生成されないことになります。
　なお、脂肪酸のパルミチン酸１分子当たり、β-酸化により、アセチル-CoAが８分子生成され、１２９分子のATPが生成されると言われます：パルミチン酸（C16:0）が、β-酸化で１回分解され、１個のアセチル-CoAが生成される際に、１個のFADH₂と１個のNADH₂⁺とが生じます。ミトコンドリアの呼吸鎖で、FADH₂やNADH₂⁺から、それぞれ、２個、及び、３個のATPが生成されます（計５個のATPが生成されます）。パルミチン酸は、アセチル-CoAに分解されるβ-酸化を７回繰り返すので、計３５個のATPが生成されます（７回のサイクル数のβ-酸化により、８個のアセチル-CoAが生成されます）。アセチル-CoAが、TCA回路で代謝されると、１１個のATPと１個のGTPが生成されます。従って、β-酸化とTCA回路で、計３５＋（１２×８）＝１３１個のATPが生成されます。しかし、パルミチン酸（C16:0）が、β-酸化される初期の段階で、Thiokinase（ACS）により、アシル-CoA（C₁₅-CO-CoA）に変化させるのに、１個のATPが消費されAMPになる（実質、2ATP消費される）ので、差し引き、１２９個のATPが生成されます（ただし、肝臓では、パルミチン酸は、β-酸化された後、TCA回路に入らず、ケトン体のアセト酢酸になるので、３５－２＝３３個のATPしか、生成されません）。
　従って、グルコース１分子（１mol）当り３８個のATP（グルコース１００g当り２１個のATP）が生成され、パルミチン酸１分子（１mol）当り１２９個のATP（パルミチン酸１００g当り５０個のATP）が生成されます（脂肪酸の方が、ブドウ糖より、エネルギー力価が高い）。

　注６：フルクトース（果糖）は、グルコース（ブドウ糖）の代謝（解糖）に組み込まれますが、筋肉と肝臓では、異なった経路を辿ります（糖新生の経路の図に示しました）。
　果糖の代謝に関しては、果糖の代謝の頁を参照して下さい。

　注７：最近は、肝臓病や、腎臓病の食事療法では、低蛋白食が良いとされています。
　例えば、ネフローゼ症候群の場合や、腎機能が低下している場合には、蛋白制限をした方が腎機能の悪化が少なくて済むと言うエビデンス（根拠）が出ているそうです。高蛋白食（蛋白負荷）は、蛋白代謝産物により、腎機能を悪化させるサイトカインが産生させたり、血管内皮細胞を障害する物質を産生させたり、腎臓の糸球体濾過量を増加させる（hyperfiltration）とされます。
　蛋白摂取量の目安としては、慢性腎不全の患者さんには、０．６～０．７g/kg体重/日、末期腎不全の患者さんには、０．４～０．５g/kg体重/日が勧奨されています。
　高蛋白食は、血液中の尿素値を増加させます。
　アスリートなどで、筋肉量を増やす為に、高蛋白食を食べていて、蛋白を過剰に取り過ぎると、尿素が、尿中に増加し、尿素の為に、浸透圧利尿が起きて、頻尿になるそうです。頻尿や、喉の渇きが出現した場合は、蛋白質を過剰に摂取しているおそれがあります。

　注８：アミノ酸の分解は、アミノ基転移反応と言って、アミノ酸のアミノ基を、α-ケトグルタル酸（2-オキソグルタル酸）などのアミノ基受容体に転移、α-ケト酸を生じます。
　ALT（アラニンアミノトランスフェラーゼ：alanine : 2-oxoglutarate aminotransferase）、旧名、GPT（glutamate pyruvate transaminase）は、肝臓に相対的に多く存在し（絶対量は、ASTの方が多い）、下記の反応を触媒します。
　アラニン＋α-ケトグルタル酸⇔ピルビン酸＋Ｌ-グルタミン酸
　アラニンは、血漿中で最も濃度が高いアミノ酸で、肝臓では、ピルビン酸の供給源になり、糖新生などに利用されます。
　なお、AST（アスパラギン酸アミノトランスフェラーゼ：asparate : 2-oxoglutarate aminotransferase）、旧名、GOT（glutamate oxaloacetate transaminase）は、心筋、骨格筋にALTより多く存在し、下記の反応を触媒します。
　アスパラギン酸＋α-ケトグルタル酸⇔オキサロ酢酸＋Ｌ-グルタミン酸
　AST（GOT）は、特に、ミトコンドリア内で、リンゴ酸から変換されるオキサロ酢酸や、グルタミン酸を、α-ケトグルタル酸やアスパラギン酸に変換するのに、重要な酵素です。　
　グルタミン酸は、アミノ酸の分解で生じるアミノ基を、最終的に集める役割をしています。
　グルタミン酸は、α-ケトグルタル酸となって、TCA回路に導入されます。
　グルタミン酸は、アンモニアを処理するのに大切です。
　アスパラギン酸は、アンモニアを処理する尿素回路において、ミトコンドリア内で生成されたシトルリンを、ミトコンドリア外でアルギニノコハク酸にする際に、必要です。

　注９：グリセロール（グリセリン）は、エタノール（エチルアルコール）や、酢酸同様に、両新媒性の低分子化合物であり、生体膜（細胞膜）を自由に通過出来ます。

　注１０：β-酸化（β-oxidation）とは、脂肪酸分解（脂肪燃焼）のこと。
　運動時や絶食時に、脂肪酸（アシル-CoA）は、ミトコンドリア内でβ-酸化され、アセチル-CoAにまで分解され、その際、NADH₂⁺やFADH₂が生成されます。これらの、NADH₂⁺やFADH₂は、筋肉（骨格筋や心筋）では、ミトコンドリア内で呼吸鎖により、ATPに変換され、また、NADH₂⁺は、肝臓では、ミトコンドリア外に輸送され糖新生に利用されます。
　脂肪酸がβ-酸化（脂肪燃焼）される際には、NADH₂⁺やFADH₂に加え、熱が放出されます（熱産生）。
　筋肉（骨格筋や心筋）では、運動時に、脂肪酸がβ-酸化され、生成されるアセチル-CoAは、TCA回路で代謝され二酸化炭素にまで分解され（脂肪酸は完全燃焼）、NADH₂⁺などが生成されます。NADH₂⁺をエネルギー源にして、運動時には、ミトコンドリアの呼吸鎖で、ATPが生成されます。このように、脂肪酸は、骨格筋や心筋のエネルギー供給源で、ミトコンドリアでβ-酸化され、生成されるアセチル-CoAは、TCA回路で代謝され、二酸化炭素と水にまで分解されます。　
、また、肝臓では、絶食時に、取り込まれた遊離脂肪酸がβ-酸化され、アセチル-CoAにまで分解され、その際に生成されるNADH₂⁺の還元当量は、リンゴ酸として、細胞質ゾルに輸送され、糖新生が、行われます。肝臓では、アセチル-CoAは、ケトン体に変換され（脂肪酸は不完全燃焼）、ケトン体は、特に脳のエネルギー源になります。このように、脂肪酸は、肝臓では、β-酸化により、アセチル-CoAに分解された後、ケトン体が合成され、ケトン体は、特に脳のエネルギー源になります。　
　β-酸化系（の酵素活性）は、筋肉では、運動などに適応して、合成されます。普段、余り運動をしていない人は、β-酸化活性（脂肪酸をβ-酸化で分解する能力）が、非常に弱いと言われます。β-酸化活性は、高脂肪食（長鎖脂肪酸）や特殊な脂質化合物（の摂取）によって、増強されます。従って、β-酸化活性は、運動などの訓練で、増強するには、血中の遊離脂肪酸濃度が高くなる空腹時（低血糖時）に行うのが良いと言われます。ダイエットなど、体脂肪を減少させるのが目的なら、運動は、空腹時（低血糖時）に行う方が、β-酸化活性を増強する効果が高まります（ダイエットの為には、空腹時に運動した方が、脂肪燃焼効果が高まります。なお、普段、余り運動をしていない人は、ミトコンドリアの呼吸鎖（電子伝達系と酸化的リン酸化）の活性（酸化活性）も弱いですが、ミトコンドリアの呼吸鎖の活性（効率）は、訓練（持久運動など）によって、適応的に増強されます。

　β-酸化系の酵素活性は、内臓では、肝臓で最も多いと言われます（糖新生、ケトン体の産生等が行われます）。
　β-酸化系の酵素活性は、肝臓に次いで、心臓（心筋）、腎臓など、ATP消費が大きい臓器で、多いとされます。なお、β-酸化系の酵素活性は、加齢と共に、減少します。
　脳のミトコンドリアには、β-酸化系（の酵素）が存在しないので、脳は、グルコースやケトン体をエネルギー源にします。
　通常の筋肉（骨格筋）は、β-酸化系（の酵素活性）が強くなく、β-酸化系が最も強いのは、肝細胞と言われます。
　肝細胞は、絶食時（血糖低下時）に、血中に増加した遊離脂肪酸（脂肪組織のトリグリセリドがHSLにより分解され生成される）を取り込み、ミトコンドリア内でβ-酸化します。
　肝細胞が遊離脂肪酸をβ-酸化しますと、ミトコンドリア内にNADH₂⁺やFADH₂が増加し、呼吸鎖（電子伝達系）の燃焼容量が満杯になり、TCA回路は、作動しなくなります。遊離脂肪酸のβ-酸化により、アセチル-CoAが増加しますと、ケトン体が生成されますが、ケトン体のアセト酢酸は、NADH₂⁺により還元され、β-ヒドロキシ酪酸となって、放出されます。また、遊離脂肪酸のβ-酸化により、ミトコンドリア内に増加したNADH₂⁺は、ミトコンドリア外にリンゴ酸として還元当量が輸送され、糖新生が、行われます。
　このように、肝臓では、遊離脂肪酸のβ-酸化に伴い、糖新生、ケトン体の産生が増加しますが、TCA回路は作動しません（TCA回路の代謝によっては、NADH₂⁺は、電子伝達系に供給されません）。
　β-酸化（脂肪酸分解）では、酸素は必要でありませんが、β-酸化により生成されたNADH₂⁺やFADH₂、それに、アセチル-CoAが、呼吸鎖で代謝される（脂肪燃焼）際には、酸素が必要です。

　注１１：脂肪酸がβ-酸化され、生成されるアセチル-CoAは、オキサロ酢酸と結合しないと、TCA回路で代謝されないので、NADH₂⁺も生成されず、呼吸鎖でATPが生成されません。「脂肪は、糖の炎によって燃える」と書きましたが、脂肪酸が分解（β-酸化）され、燃焼（代謝）されるには、オキサロ酢酸を供給するに足るグルコース（ブドウ糖）の補給が、必要とされています。
　オキサロ酢酸は、ミトコンドリア内外を、移動出来ません。しかし、リンゴ酸は、リンゴ酸-アスパラギン酸シャトルにより、ミトコンドリア内外を、移動出来ます。「脂肪は、糖の炎によって燃える」（Fat burns in the flame of carbohydrates.）と書きましたが、リンゴ酸は、ミトコンドリア内で、オキサロ酢酸に変換され、TCA回路の回転を高め、脂肪酸のβ-酸化で生成されるアセチル-CoAを、迅速に処理し、脂肪の代謝を促進し、TCA回路でのNADH₂⁺生成を高め、呼吸鎖でのATP生成を高めると、考えられます。

　注１２：奇数個の炭素原子を有する脂肪酸からは、β-酸化によってプロピオニル-CoAが作られ、スクシニル-CoA（succinyl-CoA）を経て、オキサロ酢酸に代謝されて、糖新生が行われます。

　注１３：コレステロールは、１日約０．３ｇが食餌から吸収され、約１．５～２ｇが体内で合成されます。
　生体内のコレステロール合成は、ヒトでは、肝臓が５０％、小腸が１５％、皮膚が３５％を分担しているとされます。コレステロールを多く含む食餌を摂取すると、肝臓で合成される内因性コレステロール量は減少しますが、完全に抑制されることはありません。胆汁酸は、小腸内でのコレステロールの合成を抑制します
　コレステロール合成は、摂食時には肝臓と（小）腸で行われ、空腹時には肝臓で行われます。