呼吸によるエネルギー代謝【糖代謝】
こんにちは！ショウです。
いつも僕のブログを読んで頂きありがとうございます。
今回は【呼吸によるエネルギー代謝】の話をしていきます。
ATPについて
人は食糧からカロリーを摂取します。カロリーとは「エネルギー」の単位であり、１リットルの水の温度を 1℃上げるために必要なエネルギーを１kcal ということにしています。
ちなみに、エネルギーといっても目には見えないし、形にもなっていないですよね？ エネルギーを見たことがある方はいらっしゃいますか？ 今回は量子力学のような話はしません。なので９９％以上の人が「エネルギー」というものをみたことがないはずです。
ただ、エネルギーは私たち人間の生きる力であることは間違いないし、人間の体の中ではエネルギーを 運んでいたり利用したりしていることは間違いないでしょう。 では、身体の中でエネルギーはどんな形になっているのでしょうか？
① ＡＤＰ（アデノシン二リン酸）
② ＡＴＰ（アデノシン三リン酸）
※「Ｐ」=リン酸
この２つです。主な役割は「エネルギーの保存」です。 例えば、まずご飯を食べるとしましょうか。 食べた瞬間にエネルギーが生まれるかっていったら生まれないですよね？ むしろ、エネルギーを「蓄えている」といったほうが正しいかもですよね。その蓄えられていたエネルギーが必要な時に使われるイメージなんです。
言い方を変えて説明しましょう。
夫婦でデパートに買い物に行きました。妻はウキウキワクワク状態。 でも、夫は妻に半ば強引に付き合わされた状態。 いつまで経っても買い物が終わらない妻をみかねて夫はどんどんイライラしてきます。
荷物もたくさん持たされている状態。 そこでこんな会話になりました。
- 妻「もう２～３点買っていい？」
- 夫「無理無理これ以上持てないし。」
- 妻「何言ってるの！！持ちなさいよ～～！！！」
ってな感じで無理矢理荷物を持たされました。今回の場合は「怒り」でしたが、エネルギーが発生した段階で無理矢理荷物を持たされた夫の状態が【ＡＴＰ】なんです。イメージ湧きますでしょうか？
こんな感じで荷物を持たされた夫は、家についてその荷物を降ろし 「なんで毎回こんなんに付き合わされないといけないんだ！！」 と愚痴る。 このやりとりの中で【エネルギー】がデパートから家までの移動がなされたってことになるんですけど、この説明でイメージ湧きますでしょうか？ さらに言い方を変えると、ＡＤＰというリン酸を２個持っている状態からエネルギーを用いて無理矢理リン酸を３個持たせる。 このＡＴＰを血液などで身体中のエネルギーが欲しいところに運ぶ。 その器官でリン酸がとられたところでエネルギーが発生する。こんな感じです。
イメージが湧きにくい場合は 人間の身体の中では【ＡＴＰ】という形でエネルギーが保存されると思っていてください。
同化と異化
- 同化：くっついて（化合して）同じ体になること
- 異化：離れて（分解して）異なる体になること
※くだけた表現を用いています
① 同化
たとえば、おにぎり。 お米１粒１粒がまとまって出来るおにぎり。これをまとめるには、「ぎゅっぎゅっ」っと手で握らないといけないし、大きくなればなるほど大変。海苔が必要な場合だって出てきますよね。つまりはこういうことなんです。
・・・では納得しないと思うので、もう少ししっかり言うとすると、例えば、「二酸化炭素」と「水」という独立しているものを「光のエネルギー」を用いて無理矢理１つの大きなものを作る。 これは「光合成」というものです。これによって「でんぷん」と「酸素」が作られます。 このでんぷんのことを【炭水化物】といいます。二酸化炭素と水が同化して作られた物ということ。
化学式：6CO2+12H2O→C6H12O6+6O2+6H2O
② 異化
異化は同化の逆って覚えればオッケー。複雑に作られた物質を体内で分解して二酸化炭素や水蒸気（水）を作り出し、日々活動していくためのエネルギーを作り出しています。おにぎりもばらして米１粒ずつになったら海苔、必要ないですよね。
同化をするとエネルギーがいる。異化をするとエネルギーが出る
これ覚えておきましょう。これをしなくなったら人間は死んでしまいます。この作業のことを【呼吸】といいます。ここまで説明すれば、呼吸っていうのは「息を吐いたり吸ったりする動作」のことだけではなくエネルギーを産生するためにも行っていることだっていうのは分かって頂けると思います。
ちなみに、１回まとまったものを再度小さいグループに戻していくのって大変ですよね？ 実際の世界だと、例えば政治の世界で、一度大きくなった政党が意見の相違や政権交代などで枝分かれするときっていうのは少なからず多少のダメージを受けるというか無傷ではいられないというか。
なので、これがうまくスムーズにいくためには、一度バラバラにしてから小さいグループでまとまりやすくさせるというようにしているんです。 このバラバラにするエネルギーのことを「活性化エネルギー」といいます。まさにＡＤＰとＡＴＰがこんな感じ。
ここ、ちょっとイメージしにくいのですが、 活性化（反応できる）エネルギーが低いとバラバラにしやすいです。 別のもので例えるとなると、例えば目玉焼き。生卵をフライパンで焼くと目玉焼きになりますよね。 このとき、生卵を目玉焼きに変化させることができるエネルギーのことを活性化エネルギーと呼ぶと考えるとどうでしょうか？ 実際身体の中では「酵素」が使われてバラバラにしやすくなっています。この場合も「目玉焼きが作りやすくなる酵素」というものがあるとしたら、この酵素のおかげで活性化エネルギーが低くなる（活性化エネルギーが少なくて済む）ということになります。
炭水化物も同じで、水と炭水化物はなかなか簡単に分離しません。 なので、呼吸（異化）をするときにも酵素の力を利用してバラバラにしやすくしています。 さらに酸素を使い炭素と結び付けバラバラにしやすくしているのです。だから呼吸で二酸化炭素を吐くんです。
化学式：C6H12O6+ 6O2+6H2O→6CO2+12H2O
呼吸によるエネルギー生成
呼吸には大きく分けて２通りあります。
① 酸素を使わない呼吸（嫌気呼吸）
② 酸素を使う呼吸（好気呼吸）
ここは、管理栄養士の試験などでは詳細に勉強しないといけないところなのですが、 一般人はそんなに詳しい知識は必要ありません。 概要だけ説明します。これから書く程度の知識があれば問題ありません。 炭素（Ⅽ）の数に注目してください。
【解糖系】
細胞の中の細胞質基質(核やミトコンドリアなど細胞小器官以外のところ)で行われます。 使われるのは、グルコース（Ⅽ６Ｈ１２Ｏ６）です。これはブドウ糖のことです。 まずはＡＴＰが登場してリン酸を渡します。
↓
リン酸を渡したＡＴＰはＡＤＰになります。１つのグルコースに対して２つのＡＴＰが使われるので ２ＡＴＰ➡２ＡＤＰ
リン酸を渡されたグルコースは２つに切り離されてそこに「ＮＡＤ＋」と「脱水素酵素」というものが出てきます。 脱水素酵素は水素を抜くもの。これはあとで使われます。 ＮＡＤ＋は逆に水素が好きなので、脱水素酵素で抜かれた水素をＮＡＤ＋につけたりします。
↓
無理矢理水素を抜かれて困っていたら、２つに切り離された炭素のところに、リン酸が１つつきます。（イメージとしてはＣの両側にリン酸が２つついた感じ）
ただ、この状態もしんどいということで、ＡＤＰを４つ呼び出して両側にあるリン酸を渡します。 ということで４ＡＤＰ➡４ＡＴＰになるわけです。
要するに解糖系では最初２ＡＴＰ使われるけど、結果的に４ＡＴＰ得られるので、その合計の２ＡＴＰが発生するということになります。 なぜ解糖系といわれるかというと、糖であるグルコースを分解してエネルギーを生み出すからです。 ちなみに両側にあったＰを抜かれたものはピルビン酸（Ｃ３Ｈ４Ｏ３）と呼ばれています。
♦解糖系：グルコースを分解してピルビン酸を作る過程の中でＡＴＰが２つ発生する仕組み
【クエン酸回路】
ミトコンドリアの中の【マトリクス】という場所で行われます。 解糖系で作られた２つのピルビン酸を脱水素酵素や脱炭酸酵素が働いて水素や炭酸を奪っていきます。 その結果、どうなるかというと炭素の数が２つの活性酢酸（アセチルＣoＡ）になります（Ｃ２Ｈ４Ｏ２） それが、ミトコンドリア内にあったオキサロ酢酸（Ｃ４Ｈ４Ｏ５）とくっついて、炭素が６つのクエン酸（Ｃ６Ｈ８Ｏ７）になります。 このあと、色んなものに変化しまして（α－ゲトグルタル酸やコハク酸など） ＧＤＰなどの手助けもあって１ＡＴＰを作り出します。
この回路でもＮＡＤ＋やＦＡＤなどがいて脱水素酵素が働いて水素をたくさん奪っていったり、脱炭酸酵素にＣＯ２が奪われていきます。ちなみに、呼吸をする際に出るＣＯ２はこれです。 一般的な感覚だと呼吸って酸素を吸って、二酸化炭素を吐き出す感じですが、順番は実は逆で、二酸化炭素を吐き出して酸素を吸収しているんです。 水素や炭酸が、ちょっとずつ奪われていく結果最終的にオキサロ酢酸になります。 これがずっとぐるぐる回っているからクエン酸回路と呼ばれています。 「クエン酸」から始まる回路だからこの名前なんです。 ここでは２ＡＴＰが作られることになります。ピルビン酸１つで１ＡＴＰできて、 グルコース１つにつき２つのピルビン酸が出来るから、前からの続きで考えるとグルコース１つでクエン酸回路では２ＡＴＰが作られることになります。
【電子伝達系】
ミトコンドリアの内膜で行われます。 ここでは解糖系やクエン酸回路の際に脱水素酵素がとってきた水素が使われます。 特にクエン酸回路からはめーっちゃ水素を取ってきます。
●ＮＡＤ＋
●ＦＡＤ
これらが水素が大好きなんでここにくっついて
●ＮＡＤＨ
●ＦＡＤＨ２
になります。 （厳密にいうと少し違うけどこれでいいです。）
内膜は【関所】みたいなイメージで。
これはたんぱく質の壁になってます。
そして関所には、関所を守る怖い【番人】がいるイメージで。
さっき書いたＮＡＤ＋とＦＡＤが水素をくっつけてもらってとっても喜んでいます。でも喜びすぎてたんぱく質の壁にドーン！とぶつかっていきます。
何度も何度もぶつかっていった結果、どうなるかというと、番人はキレます。
その結果、くっついていた水素は離されてＨ＋になり電子はそのまま壁を流れていきます。 ただ・・・これで終わればいいんですがキレた結果、Ｈ＋をつかまえて壁の中に入れてしまいます。※外膜と内膜の間で「膜空間」と呼ばれる場所です。
また、それだけじゃなく離れた電子とくっつけてＨに戻して酸素につけたりもします。 こんな感じで一件落着となればいいのですが、解糖系もクエン酸回路も絶えず動きまわり続けているのでＮＡＤ＋もＦＡＤが水素をつけては喜んでまた暴れ続けます。 そうしてまたたんぱく質の壁にぶつかって番人怒る・・・この繰り返しがずっと続きます。 となったらどうなるかというと、膜空間内にＨ＋がたくさん詰まるんです。
膜空間内のＨ＋は離れ合う性質なのでまた壁を通りこして元に戻ろうとします。 元に戻ろうとするときに通る関所がありますが、そこにはＡＴＰ合成酵素があるんです。 そしてその付近にはＡＤＰとリン酸もあって勢いよくＨ＋が通過する際に、ＡＤＰとリン酸がくっついてＡＴＰが発生します。 強引な説明なのは重々承知ですが、イメージとしてはこんな感じでいいと思います。
ちなみに電子伝達系では１つのグルコースに対し３４ＡＴＰを作ります。 ミトコンドリアこそが身体の中の最大のエネルギー生成工場なのです。 ただ、ミトコンドリアでエネルギーを生成するために必要なものがあります。 それを次から説明いたします。
酸素とビタミンＢ群（特にＢ１）
【酸素】
上で説明したミトコンドリア内でのエネルギー生成が行われるためには 「酸素」が絶対に必要です。 これ、みんな当たり前に酸素を吸ってるから当然だろと思うかもしれないけど、たくさんの酸素を身体に入れてあげることがとっても大事なことなんです。 例えば、短距離走だったり筋トレだったり身体に負荷をかけることありませんか？ そういう時って、息を止めて力を入れたりしますよね？この場合ってすっごいエネルギーを必要とするんだけど、この場合に使われるのって 「解糖系」のエネルギーなんです。
そして、酸素が十分に足りていないのでミトコンドリアでのエネルギー生成に回っていきません。 この場合はどうなるかというと「乳酸」が生成されます。乳酸の性質の１つとして硬くなるというものがあります。 普段からトレーニングなどせずに筋トレをずっとしたりすると乳酸がたまって筋肉痛になりやすくなります。 つまりはこういうことも一因にあるんですよね。
そもそも、エネルギーの生成ってなんで２パターンもあるか不思議に思いませんか？ 酸素を使わないエネルギー生成と、酸素を使うエネルギー生成。 これってもちろん理由があるみたいなのです。
＜生命体と酸素の格闘＞
（２８億年前）
地球の大気中の酸素濃度はゼロ。私たちの先祖の単細胞生物（原核細胞）は、無酸素の政界で活発に分裂増殖できる不老不死の解糖系生命体でした。
（２０億年前）
葉緑体が登場。光合成が行われ、その結果副産物として酸素が発生。大気中の酸素濃度は２％程度に。酸素を使ってエネルギーを作るミトコンドリアが登場。 長く無酸素の世界で生息してきた酸素嫌いの生物にとって、大気中に漂う酸素は猛毒。ミトコンドリアと合体して危機酸素濃度が上昇しても生き残ることができました。
（１２億年前）
私たちの直接の先祖にあたる真核細胞が出現。 先祖細胞が生き残りをかけて合体を図った結果、私たちはエネルギーを２系統で作るようになりました。
＜解糖系の特徴＞
- 瞬時に作られ、瞬時にパワーを発揮し、瞬時に消費されます。
- ミトコンドリア系の１００倍のスピードで作られます。
- 瞬発力を必要とされる行動や突発的な危機から身を守るとき、細胞分裂に使われます。
- 持続力に欠けます。∵エネルギーの生成過程で乳酸が生じるから
- 低体温（深部体温で 32℃）、低酸素という条件下で活発に働きます。
＜ミトコンドリアの特徴＞
- 十分な酸素と３７℃前後の高い体温（深部体温では３７℃～３９℃）で活性化し、 持久力に必要なエネルギーを作ったりたんぱく質を合成するエネルギーを供給しています。
- エネルギー生成効率が高いです。
- 生成速度は遅いが、 １つのグルコースから解糖系の１８倍のエネルギーを作り出します。
- 解糖系エネルギーだけでは、細胞はすぐにエネルギー不足に陥ります。ミトコンドリアがエネルギーを供給して持続力を維持することで、安定した生命活動を営むことができます。
- 細胞分裂を抑制する遺伝子を持っています。ミトコンドリアが多いのは、脳神経細胞や心筋、赤筋、卵子、肝臓の細胞です。絶え間なくエネルギーが補給されるおかげで、 心筋のように休むことができない細胞も働き続けることができます。
＜解糖系優位の身体になると？＞
健康を損なうのは、頑張りすぎたり、ストレス過多になって無理な生き方を続けたときです。エネルギーバランスが解糖系に偏り、様々な病気になりやすいです。
チャート式な説明をすると
仕事で無理重ねる 精神的な悩みを抱え続ける
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身体は危機を乗り切るために交感神経を緊張させます。
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血流障害
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低体温・低酸素状態に。さらに、交感神経が優位なるとアドレナリンやコルチゾールなども分泌され ともに血糖上昇作用があるため、血糖値が高くなります。 すなわち≪低体温・低酸素・高血糖≫の状態は、解糖系が最も活性化する環境。高体温、有酸素で活性化するミトコンドリアにとっては最悪な環境です。エネルギーを作ったり、たんぱく質の合成がうまくいかなくなります。
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細胞は正常な生命活動を営めなくなります。たんぱく質合成も滞ることで、様々な組織 の新陳代謝の低下します。
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疲労、やつれ、内臓機能の低下
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身体のピンチなのでさらに解糖系は活性化、細胞分裂を強力に促進 「がん細胞」が生まれます。
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ミトコンドリア系はどんどん働かなくなり、細胞の分裂抑制遺伝子は機能しなくなっていきます。
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細胞分裂に歯止めがかからなくなり、がん細胞の増殖は止まらなくなります。 ただ、がんは凶悪な病気っていうわけじゃなくて、身体が生き残りをかけた結果発症したものです。低体温、低酸素状態の体内は２８億年前の地球環境と酷似しているのです。
※この状態から脱却するためには？
働きすぎない、仕事で無理をし続けない、精神的な悩みを抱え続けないということが大事で、副交感神経を優位にしていくことです。 血流を回復させて、体温を上げていく。 そうすればミトコンドリアが酸素をたっぷりと取り込んで元気になります。
また、分裂抑制遺伝子が働き、がん細胞の分裂にブレーキをかけることができます。持久力のエネルギー供給ややたんぱく質の合成も促進され、身体も回復していきます。
※日々の生活で意識すること
- 身体を温める、冷やさないようにする
- 血流をよくする
- 深呼吸をする
- ウォーキングなどの有酸素運動を行う
などなど。難しいことではなく、日々の生活習慣に組み込めることです。
【ビタミンＢ群（特にＢ１）】
今回は、クエン酸回路に入る前の話です。 これは解糖系で作られた２つのピルビン酸を脱水素酵素や脱炭酸酵素が働いて水素や炭酸を奪っていき、炭素の数が２つの活性酢酸になるんでした（上記参照）。 その際に起こる酵素反応の１つで「酸化的脱炭酸反応」というものがあります。 どんな反応かっていうと、ピルビン酸から二酸化炭素が離れる反応のことです。 もちろん勝手に離れていくわけじゃなくてこれには様々な酵素が関与しているのですが、その際に使われる様々な酵素の総称を「ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体」といいます。
ただ、そのこの酵素を活性化させるためには「チアミンピロリン酸」という ＜補酵素＞が必要なんです。酵素の働きを助けるために無くてはならない存在なのが補酵素です。 身体の中には酵素単体で働くことができるものも、もちろんあるのですが、補酵素がないと働くことができない酵素も存在するのです。そして、酵素はたんぱく質からできていますが、補酵素はビタミンやミネラルから出来ています。 主に補酵素として働くビタミンが【ビタミンＢ群】なんです。 ちなみにさっき書いた「チアミンピロリン酸」のチアミンとはビタミンＢ１のことをいいます。 チアミンピロリン酸とはビタミンＢ１の活性型なんです。 ここで整理しますね。今までの説明の逆をしていきます。
↓
チアミンピロリン酸がないとピルビン酸ゲヒドロゲナーゼ複合体は活性化しない（働かない）
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ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体が活性化しないと酸化的脱炭酸反応が起きない。
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活性酢酸に変換されないからクエン酸回路が回らない。
↓
クエン酸回路が回らないってことはエネルギーが作り出されない。
ということなのです。エネルギーを生み出すうえでビタミンＢ１の役割ってめっちゃでかいんです。嫌気的反応（酸素が十分でないときに起きるエネルギー産生）では乳酸が作られるんですが、乳酸って疲れの原因にもなります。 疲れやすい人ってビタミンＢ１不足の人が多いから、スタミナつけるために、肉食べなさいとかとかビタミンＢ１の働きを上げるニンニクなどのハーブ系がスタミナ料理とか言われるんです。 ビタミンＢ１が多く含まれているものは、豚肉 ・うなぎ ・玄米 ・大豆 などなどです。
発酵
最後に発酵についても触れておきましょう。
発酵とは、酸素を使わないでエネルギー（ＡＴＰ）を得ることです。乳酸菌や酵母菌やカビなどの微生物は、酸素なしでも生存し続けていけます。
ちなみに、発酵食品とは発酵することで変化した食べ物のことです。微生物の働きによって人間にとって有益をもたらした食べ物
cf.腐敗：人間にとって有益な作用をしないもの
発酵は酸素を使わないので、エネルギー生成効率が悪いです。ただ、そのおかげで色々なカスのようなものが発生し、これが人間にとって 【うまみ】を感じるものだったりします。 発酵食品がそれ以外のものと違って何ともいえない複雑なうま味を出すのもこのプロセスがあるからです。 通常の食品の製造過程では出しえない味を発酵食品では成し得ます。
（発酵食品の良さと特徴）
① 保存性が良い
ex)乳酸菌: 乳酸が生成されて酸性になります。多くの発酵食品の pH は４～５になり、 この pH 領域では他の微生物はほとんど生育できず、長期間の保存が可能になります。
② 食品を食べやすくし、美味しくしてくれる
ex)塩麹 肉などの食材を美味しくする。塩麹に含まれるプロアテーゼが肉のたんぱく質を分解し、 さらにペプチダーゼが分解されたたんぱく質に働きかけ分解を進めることで、 身体に取り込みやすい成分を増やしてくれることが要因となっています。 さらにアミノ酸を多く含むようになり、まろやかな味わいやうま味を形成します。
③ 腸内環境を良くしてくれる菌が多く含まれている
などなどです。発酵食品は積極的に取り入れて欲しいです。今回の話は内容が難しいところなので、分からないところがあれば読み返して頂けると嬉しいです。
では、今回の投稿は以上になります。
ここまで読んで頂きありがとうございます！
次回の投稿も楽しみにしてくださいね＾＾
