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01-活性酸素とミトコンドリア

私たちが呼吸している空気の中には21%の酸素が含まれています。 酸素はラジカルの一種ですが、特殊な分子構造をしているため他の物質と反応することほとんどありません。しかし、高い熱が加わると活性化されて他の物質と反応し易くなります

活性酸素は他の物質と反応して安定になろうとする性質があります。そのため活性酸素はタンパク質・脂質・核酸などと反応し、酸化して変性してしまうことがあるのです(酸化傷害)。この点では、活性酸素は“悪玉”ということになります。

ミトコンドリアは、活性酸素の産生源として特に注目されています。私たちが呼吸で取り込んだ酸素の90%以上はミトコンドリアで使われますミトコンドリアの最も重要な機能は、その酸素を使って成長や生存のためのエネルギー(ATP)を作ることです。この過程で酸素の0.1-2%が活性酸素に変わるのは避けられないと考えられています(酸素の2-3%が活性酸素になると書いてある文献が多いのですが、これは初期の報告に見られる不正確な数字を使っているためと思われます。実際はもっと少ないようです)  生きるために必要な過程で生命を脅かしかねない物質が出来てしまうのは皮肉なことです。ミトコンドリアからの活性酸素の産生は老齢動物で増加するという報告が多くあります(図15を参照)。

活性酸素は、しばしば悪者扱いされますが、身体にとって必要な場合もあります。
例えば、私たちの身体にバクテリアが侵入した場合、生体防御の第一線で働く白血球は活性酸素を産生・放出してこれを殺そうとします(なお最近、活性酸素が 直接バクテリアを殺すのではなく、間接的に関わっているという報告も出ています)。この機能が損なわれるとひどい感染症を起こすことになります。リンパ球の一種ナチュラルキラー(NK)細胞が、がん細胞を殺す場合も活性酸素を使っています。




酸素が熱を持つ(=高エネルギー?)と活性化する。

活性化すると反応が高くなる。

高い反応力によって周囲・自身を傷つけたり、外部からの侵入者を撃退したりする。

「善」「悪」という評価がありますが単なる主観的な見方の評価。

活性酸素はそれが何であるかに関わらず反応するということです。




ATPと熱エネルギーについて

電子伝達系はミトコンドリア内膜と外膜の間に水素イオン勾配を作る回路といえます。

で、脱共役タンパク質はこの濃度勾配をATP産生なしに解消させ、その代わりに熱を産生するタンパク質だという事ですね。

ミトコンドリアにおけるATP産生はこの水素イオン濃度勾配によって、その勾配が解消される形で産生されていく訳なのですが、

この脱共役タンパク質はその濃度勾配を熱エネルギーへ変換させるため、ATP産生なしに……つまり、運動などATPの消費を行わずに可能であるということです。

ATPが消費されなければATP産生系はストップします。ATP産生系がストップすれば、水素イオンの濃度勾配は解消されず、と、なれば電子伝達系も止まります。電子伝達系を動かし続けるには水素イオンの濃度勾配を解消させる必要があるのですが、これを行うのが脱共役タンパク質という事ですね。




ATPを作る必要がないのに「電子伝達系を動かし続ける」必要性があるのでしょうか。


2)これにより電子伝達系はATP産生なしに動き続ける。……つまり、脂肪酸代謝が促進され、これにより熱が産生される。



脂肪酸代謝?


脂肪の代謝とその調節

動物の油脂は、一般に飽和脂肪酸の割合が高いために融点が高く、常温では固体(すなわち脂肪または脂)であることが多い。それに対して植物では、不飽和脂肪酸を多く含むために融点が低く、常温では液体(すなわち油)のものが多い。

脂肪は、生物が利用できる他のエネルギー源、たとえば炭水化物のグルコース(ブドウ糖)などに比べて、もともと同じ重さ当たりに含まれているエネルギーがはるかに大きい(表1)。また動物の重要なエネルギー貯蔵物質のひとつであるグリコーゲンは、グルコースが多数連なったものであり、生体内では多くの水分子と結合するため、さらに重くなる。それに対して脂肪は疎水性(水となじみにくい性質)が高いので、水とは結合しない。このため生体内では、結合している水を含めた実質的な重量当たりで比較すると、脂肪はグリコーゲンの約6倍ものエネルギーを蓄えることができる。したがって脂肪は、からだの機動性を損なうことなく大量のエネルギーを貯蔵するのに、最も適した生体物質である。実際、普通の成人では、数ヶ月間、食べなくてもよいくらいのエネルギーが脂肪として蓄えられているが、グリコーゲンはせいぜい 24 時間分しか蓄えられていない。

空腹時や運動時など、エネルギーが不足した際には、脂肪細胞に蓄えられた脂肪は加水分解され、脂肪酸とグリセロールとなって血中に放出される。細胞内に取り込まれた脂肪酸は、ミトコンドリアで完全に酸化され、大きなエネルギーを放出する。運動時には、まずグリコーゲンが優先的に利用されるが、やがて脂肪の利用が始まる。また、脂肪酸の酸化には大量の酸素を必要とする。脂肪を消費するには、瞬発的な激しい運動よりも、持続的な有酸素運動の方が有効であるといわれるのは、そのためである。




β酸化とケトン体

脂肪酸の分解をβ酸化と呼び、このβ酸化によってアセチルCoA、NADH、FADH2を生み出すことができる。

β酸化に関与している酵素はミトコンドリアのマトリックスに存在する。そのため、細胞質の脂肪酸はミトコンドリアに移行する必要がある。脂肪酸をミトコンドリア内に移行させるにはカルニチンが必要であり、カルニチンと脂肪酸が結合することでミトコンドリア内膜を通過することができる。


脂肪酸は「飽和・不飽和」や「炭素数偶数・奇数」に関わらずβ酸化を受ける。




ケトン体

ケトン体は糖尿病や飢餓時など糖利用に何らかの障害があるときに、肝臓において生じる。糖尿病患者では血中の糖を取り込めなくなっており、糖を利用することが出来ない。また、飢餓時では糖が不足しているため、糖からエネルギーを作ることができなくなっている

なぜ、糖利用に障害があるときにケトン体の合成が亢進されるかであるが、これは脳の糖利用と関係している。脳の主なエネルギーは糖である。しかし、糖が利用できない場合は他の方法を考えないといけない。この他の方法にケトン体があり、ケトン体は糖の代わりとなる脳の唯一の代替エネルギーである。実際には、ケトン体はアセチルCoAに変換されてエネルギーとして働く

糖利用に障害が起こると、β酸化の亢進が起こる。β酸化が亢進されると、結果として多量のアセチルCoAが生じる。たとえ肝臓ではアセチルCoAが過剰の状態であっても、糖利用に障害が起きているため他の臓器ではアセチルCoAが不足している。そのため、肝臓の多量のアセチルCoAを他の臓器に届ける必要がある。

しかし、アセチルCoAの形では血中へは移行せず、他の臓器に届けることが出来ない。そのため、アセチルCoAをケトン体に変換するのである。ケトン体は水溶性であり、この形をとることで全身を巡ることができる。なお、肝臓以外の組織であれば、ケトン体をアセチルCoAに変換して利用することができる。







「UCP(uncoupling protein):脱共役蛋白質」で脂肪が燃える

ミトコンドリアにおいてグルコースや脂肪酸が分解される過程でミトコンドリアの膜間スペースに水素イオン(H+)が貯えられます。つまりミトコンドリア内膜とミトコンドリア内部で水素イオン(H+)の濃度差が発生します。この場合濃度差は無制限に大きくなるわけではなく、10倍程度に止まります。即ち、脂肪酸やグルコースの分解は無制限に進みません。この濃度差はATP合成酵素という酵素によりATP※1の生産に利用され濃度差は解消の方向に進みます。即ちATPがどんどん運動などで消費されるとATPの合成が促進され、グルコースや脂肪酸の分解も促進されることになります。逆にATPが身体に十分に存在する状態(運動量が少ない状態)ではグルコースや脂肪酸の分解は滞ります
 UCP1はATP合成酵素を通さずにH+の濃度差を解消することができます。ATP合成酵素を通さないのでATPは増えず、脂肪酸やグルコースの分解が進むわけです。この場合、脂肪酸やグルコースは最終的には熱エネルギーに変ります

貯えた水(H+)を放水路UCP1で放水する、即ちエネルギーを消費してやります。そうするとダムの貯水量(膜間スペースのH+)が減るのでグルコースや脂肪酸がどんどん分解され、水素イオンが(H+)次々にが生成される

脂肪の燃焼効果のあることがはっきりしているUCP1は褐色脂肪細胞のミトコンドリアにしか存在しないようです。しかしながら褐色脂肪細胞は前述のように成人ではごくわずかしか存在しません。ただ、肥満抑制ホルモンのレプチンやよく噛むことにより分泌が促進される神経ヒスタミン、また近年の研究ではグレープフルーツなど柑橘類の匂い成分であるリネモン、コーヒーのカフェイン、唐辛子のカプサイシンもUCP1の出現を亢進するようです。



ATPに頼らずに脂肪を熱エネルギーに変えるUDP。

赤ちゃんに多く、成人には少ない。

つまり生命体は飢餓に対する備えは十分に持っているけど、

栄養過多な状態は想定されていない、

ということではないでしょうか。

メタボとか肥満とか、ある意味『生命史のエポック』、

世が世なら神に対する挑戦と受け止めとめられるかも。
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