エネルギー代謝について分かりやすく説明してみた

「代謝（メタボリズム）」とは、体内で起こる化学反応の事です。

 

 

 

そして、生体内の代謝には、大きく分けて２つあります。

 

 

 

 

• エネルギー源である「ATP」を作る代謝

 

• 「ATP」を使って、「ATP」以外のものを作る代謝

 

 

 

 

細胞には、後者「ATP以外のもの」を作る任務があります。しかし、その活動に必要なエネルギーも自分で作らなければならないのです。

 

 

 

本記事では、前者の、エネルギー源であるATPを作る「エネルギー代謝」についてお話します。

 

 

 

 

 

 

 

エネルギー物質ＡＴＰ

 

 

まずは、「ＡＴＰ」が何なのかについてご説明します。

 

 

日本名は、「アデノシン３リン酸」です。

 

 

 

 

「ATP（エーティーピー）」は、簡単に言うと、エネルギーを溜め込んで充電がMaxの電池のような状態です。

 

 

また、エネルギーを放出して空っぽの状態を「ADP（エーディーピー）」と言います。

 

 

 

 

 

 

 

そして、充電するには、何段階もの化学反応が起きます。

 

 

 

この「ATP」のエネルギーが無ければ、生体は生きていくことができません。

 

 

 

当然、後者の「ＡＴＰ以外のものを作る」代謝も行なわれません。

 

 

 

不足すると、慢性疾患の原因になり、無くなれば死にます。どの生物でもです。

 

 

 

その為、「ＡＴＰ」を作ることが重要なのです。

 

 

 

そして、「ATP」の材料は、糖質、脂質、タンパク質です。

 

 

 

このうち、燃料としてあてになるのは糖質と、脂質です。タンパク質は体の主成分になりますが、燃料としてはイマイチで、あまりあてになりません。

 

 

 

 

 

 

 

ATPとミトコンドリア

 

 

 

自らの活動資金（エネルギー物質ATP）を捻出するのも、細胞の仕事です。

 

 

 

そのエネルギー物質ATPは、細胞の中の「ミトコンドリア」で作っています。

 

 

 

 

 

（細胞の図）

 

 

 

「ミトコンドリア」とは、一言で言うとエネルギーを作る発電所です。

 

 

 

なので、エネルギーをたくさん必要とする細胞は「ミトコンドリア」をたくさん持っています。

 

 

 

ただし、「ミトコンドリア」は酸素を使って「ATP」を作り出しているので、酸素があることが発電の条件です。

 

 

 

 

酸素がない　＝　ミトコンドリアでATPが作れない

 

 

 

 

 

「ATP」は酸素がないと作れないのか・・・

 

 

 

というと、そんなこともありません。酸素がなくても、「ATP」をつくることは可能です。

 

 

ただし、ミトコンドリア発電所に頼ることはできません。その場合、別の方法で「ATP」を作ります。

 

 

 

 

 

 

ミトコンドリアを使わずにATPを作る

 

 

ミトコンドリアというのは、酸素がないと発電できませんから、酸素が滞る場合は、こちらの発電所は利用できません。

 

 

そんな時でも、細胞の液体部分「細胞質基質（さいぼうしつ・きしつ）」で起こる発電なら、酸素がなくてもエネルギーを作り出すことができます。

 

 

 

 

 

 

この発電方法には、酸素がいらないので、嫌気的解糖（けんきてき・かいとう）という名前がつけられています。（別名：解糖系）

 

 

 

「嫌気的解糖」は、酸素を要求する「ミトコンドリア」に頼らなくてもいいというメリットもありますが、少しの「ATP」しか作り出せないデメリットがあります。

 

 

そして、「酸素が足りない時」というのは、以下のようなケースです。

 

 

 

• 激しい運動をして酸素供給が間に合わない

 

 

• 細胞内にミトコンドリアを持っていない細胞（例：赤血球）は、そもそもミトコンドリアに頼った発電自体ができない

 

 

 

・・・このような場合、酸素が必要ない嫌気的解糖によって「ATP」を作り出すことができます。ですが、この方法では作り出せる「ATP」が少ないので、エネルギー不足になります。

 

 

「ATP不足 ＝ 不健康」なので、やはり酸素を使った「ミトコンドリア」でのATP発電の方が、たくさんの「ATP」を作りだすことができるので健康的です。

 

 

 

 

嫌気的解糖　＝　ATP少ない　＝　不健康

 

 

ミトコンドリアでの反応　＝　ATP多い　＝　健康

 

 

 

 

このように「材料である、糖質、脂質、たんぱく質を分解してATPを作る」反応を「呼吸」と言います。

 

 

 

 

 

 

 

呼吸とは

 

 

ここで、「呼吸」の定義についてお話します。

 

 

 

 

 

 

 

 

前者が肺で行なっている「外呼吸（ガス交換）」で、後者は「内呼吸（細胞呼吸）」です。「外呼吸」で吸収した酸素を使って、「内呼吸」で「ATP」を作ります。

 

 

本記事では、「内呼吸」について説明しています。

 

 

 

「ATP」にエネルギーをつめる　＝　内呼吸

 

 

 

 

好気呼吸と嫌気呼吸の違い

 

 

 

エネルギーを「ATP」に蓄える「内呼吸」には、２パターンあります。

 

 

先程もチラっとでてきましたが、「呼吸に酸素がいるか、いらないか」です。

 

 

 

• 酸素が必要な呼吸・・・好気呼吸（こうき・こきゅう）

 

• 酸素が必要じゃない呼吸・・・嫌気呼吸（けんき・こきゅう）

 

 

 

 

前者の酸素が必要な「好気呼吸」は、動物や植物が行なっています。

 

 

後者の酸素が必要じゃない「嫌気呼吸」は、先程紹介した「嫌気的解糖」、酵母菌や植物等が行なう「アルコール発酵」や、乳酸菌が行なう「乳酸発酵」です。

 

 

 

先程の復習ですが、効率よく「ATP」が作れるのは、酸素を利用した“好気”の方です。

 

 

 

 

 

 

糖質からATPを作る

 

 

「ATP」の材料になるのは「糖質」「脂質」「タンパク質」でした。

 

 

最初に、「糖質」の代謝について説明します。

 

 

「糖質からATPを作る」というのは、言い換えると、「ブドウ糖からATPを作る」です。

 

 

 

 

 

 

ブドウ糖を分解して「ATP」を取り出すには、まず、「解糖系 かいとうけい」という名前の反応が起きます。

 

 

 

 

解糖系とは

 

 

「糖質」を食べると、消化器官でグルコース（ブドウ糖）に分解されます。

 

 

グルコースは小腸で吸収され、血液によって全身の細胞に届けられます。

 

 

すると、グルコースは、最初に細胞内の液体部分「細胞質基質 さいぼうしつきしつ」に到着します。

 

 

 

 

細胞（簡略化）

 

 

 

ここで行なわれる「解糖系」とは、先程説明した「嫌気的解糖系（けんきてきかいとう）」の事です。「嫌気的解糖」は、名前の通り酸素が必要ありません。

 

 

 

また、「解」「糖」という名前の通り、グルコース（糖質）が分解されます。

 

 

 

何段階か代謝があるのですが、最終的に「ピルビン酸」に変身します。

 

 

 

 

グルコース

 

↓

 

（何段階か代謝）

 

↓

 

ピルビン酸

 

 

 

 

で、その分解の過程で発生したエネルギーによって、「ATP」が２個と、「水素」が生じます。

 

 

 

 

 

 

 

で、グルコースは「ピルビン酸」になったわけですが、ここが分かれ道です。

 

 

 

ここから先、もし酸素がなければ、ミトコンドリア発電所で発電することはできません。「ピルビン酸」は「乳酸」になります。

 

 

ここまでだと「ATP」は２個です。つまり、

 

 

 

解糖系　＝　ATP２個

 

 

 

 

しかし、もし酸素があれば、ミトコンドリアで発電することができます。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ここからは、解糖系でできた「ピルビン酸」が、ミトコンドリアのマトリックスの中に進んだ後のお話をします。

 

 

 

 

 

 

 

ミトコンドリアのマトリックス（クエン酸回路）

 

 

「ピルビン酸」は、酸素がない状態だと、ミトコンドリアで発電する資格がないので「乳酸」になりますが、酸素があればミトコンドリアでもっと多くの「ATP」を作ることができます。

 

 

ミトコンドリアのマトリックスでは、「クエン酸回路　くえんさん・かいろ」という名前の反応が行なわれます。

 

 

 

ミトコンドリアのマトリックスに移動した「ピルビン酸」は、そのままでは「クエン酸回路」に参加することができません。

 

 

 

なので、まず、酵素の働きによって代謝されて「アセチルCoA（あせちるこ・えー）」という物質になります。

 

 

 

 

ピルビン酸

 

↓

 

アセチルCoA

 

 

 

 

さらに、「アセチルCoA」は、マトリックスの中の「オキサロ酢酸」という物質と反応して、「クエン酸」になります。

 

 

 

 

 

 

そこから、さらに何回も姿を変えるのですが、ぐるっーと一周回って、最後は再び「オキサロ酢酸」になり、また「ピルビン酸から作られるアセチルCoA」と反応する...

 

 

 

と、何度もクルクルと繰り返し反応できるというわけです。

 

 

 

 

 

 

だから「回路」、そして、一番最初に変わるのが「クエン酸」だから「クエン酸回路」です。別名は「TCA回路」です。

 

 

 

この過程で、２分子の「ＡＴＰ」が生じますが、「水素」も生じます。

 

 

 

この「水素」が、次に続く反応経路で、「ATP」を作るために必要なのです。

 

 

 

 

 

 

 

ここまで、「解糖系」→「（酸素あり）クエン酸回路」、と来ました。

 

 

次に続く反応経路の名前は「電子伝達系 でんしでんたつけい」です。

 

 

この反応が行なわれる場所は、ミトコンドリアの内膜です。

 

 

 

 

電子伝達系

 

 

「電子伝達系」は、好気呼吸の最終段階です。反応が起こる場所は、ミトコンドリアの内膜です。

 

 

「解糖系」と「クエン酸回路」で生じた水素は、ミトコンドリアの内膜に集まってきて、酸素と結びつきます。

 

 

 

そして、「ATP」３４個と、水を合成します。

 

 

 

「ATP」３４個・・・「電子伝達系」の「ATP」の合成は、「解糖系（ATP２個）」、「クエン酸回路（ATP２個）」と比べて圧倒的に多いのが分かると思います。

 

 

 

 

 

 

 

 

ここまで、糖質の代謝を簡単にみてきました。次は「脂質」の代謝について説明します。

 

 

 

 

 

脂質からATPを作る

 

 

脂質の代表が「中性脂肪」です。

 

 

中性脂肪は、「グリセロール」と、「脂肪酸が３個」が結合した構造をしています。

 

 

「グリセロール」と「脂肪酸」・・・この２つは、代謝経路が少し違います。前者は、解糖系の途中へ合流しますが、後者は少しずつ分解されて「アセチルCoA」になります。

 

 

 

 

• グリセロール（グリセリンともいう）・・・解糖系の途中へ

 

 

• 脂肪酸・・・分解されて（炭素鎖が２個ずつ切れて酸化されて）アセチルCoAに変身する

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

脂質は、糖質やタンパク質に比べると、多くのATPを作ることができます。

 

 

「脂肪酸」は高エネルギーです。

 

 

『ケトン体が人類を救う　糖質制限でなぜ健康になるのか　著者：宗田哲男』より引用

 

 

通常は、細胞が必要なエネルギー（ATP）は、グルコースが解糖系からピルビン酸とアセチルCoAを経て、TCA回路（クエン酸回路）へと代謝され、さらに酸化的リン酸化によって産生されます。

 

 

このときに、グルコースからATPへと変換されるのは、１分子から２分子です。

 

 

一方、脂肪酸からエネルギーを産生する場合は、脂肪酸が分解（β酸化）されてアセチルCoAになり、このアセチルCoAがミトコンドリアのTCA回路で代謝されてATPを作り出します。

 

 

このときの脂肪酸酸化は、たとえば活性化されたパルミチン酸のβ酸化は、７サイクルくり返されるので、パルミチン酸からは８分子のアセチルCoAができて、それぞれ１２分子のATPが生じますから、最終的には１２９分子という多くのATPが得られます。

 

 

これは、ブドウ糖の場合に比べてかなり大きなエネルギーになります（『ハーパー・生化学』原書２７版訳本P１５７、丸善）。

 

 

（１２７ｐ）

 

 

 

そして、「グリセロール」は、糖質以外の材料から糖質をつくる「糖新生 とうしんせい」というシステムによって「グルコース」に変換されます。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

タンパク質からATPを作る

 

 

「タンパク質」は、糖質や脂質にくらべて、エネルギーとしてあてになりませんが、「ATP」は作れます。

 

 

タンパク質は、アミノ酸が鎖になったものです。なので、まず、タンパク質はアミノ酸に分解されます。

 

 

 

タンパク質

 

↓

 

アミノ酸

 

 

 

ところで、

 

 

糖質と脂質は「炭素」、「水素」、「酸素」からできています。

 

 

タンパク質は「炭素」、「水素」、「酸素」と「窒素」が含まれています。

 

 

ATPを作る時、この「窒素」である「アミノ基」は邪魔なので外されます。

 

 

 

で、「炭素」、「水素」、「酸素」から構成される分子に変換して、クエン酸回路に入るというわけです。

 

 

そして、クエン酸回路の入り方にはいくつかあります。

 

 

 

アセチルCoAになってから、クエン酸回路に入る方法や、

 

アセチルCoAにならずにクエン酸回路に入る方法です。

 

 

 

どのルートを辿るかは、アミノ酸の種類によって決まっています。

 

 

 

ちなみに、外された「アミノ基」は、そのままでは毒性のある「アンモニア」になります。これは体に悪いので、「尿素」に作り変えられ、最終的に尿中に排泄されます。

 

 

 

説明について

 

 

 

本記事では、全体の流れが掴めるように、細かい部分はかなり省略して説明してみました。

 

 

ここで書ききれなかった細かい部分は、今後、必要であれば、それぞれの記事のテーマに合わせて、深堀して説明していくつもりです。

 

 

 

（追記）エネルギー代謝の視点から見た健康

 

 

「糖質」、「脂質」、「タンパク質」のうち、「タンパク質」は体の主成分でエネルギー源としてはあてにならないので、「ＡＴＰ」の主な材料は「糖質」と「脂質」になります。

 

 

脂質は高エネルギーです。

 

 

一方、糖質は「解糖系→クエン酸回路→電子伝達系」と進めば中エネルギーですが、「解糖系」だけだと低エネルギーで「乳酸」を発生させます。

 

 

当然、健康に良いのは「脂質」です。

 

 

糖質の場合は、代謝が「解糖系に傾いて乳酸を発生させる」か、「ミトコンドリアまで進んで代謝し切る」かによって、健康状態が変わってきます。

 

 

乳酸はｐＨ５程度の酸性です。その為、蓄積すると血液が酸性に傾き慢性疾患の原因になります。

 

 

糖質を摂られている方が健康の為に気をつけた方がいい事は、代謝を「解糖系」に傾けない事です。以下はその為の具体的な方法になります。

 

 

ベジタリアンや糖質を止められない人が、健康の為に摂っておきたい栄養素とは