代謝

生物が生命を維持するために体内で起こすすべての化学反応の総体であり、異化作用と同化作用から構成される。

代謝

概要

代謝(たいしゃ、metabolism)は、生物が生命を維持するために体内で起こるすべての化学反応の総体である。栄養素を分解してエネルギーを得る異化作用と、そのエネルギーを利用して細胞構成成分を合成する同化作用、そして老廃物を排出する過程を包括する。代謝の速度と経路は、遺伝的要因、ホルモン、食事、睡眠、運動、腸内微生物など、多様な要因によって精巧に調節される。

主な内容

定義と歴史

「代謝」という概念は19世紀中頃、ドイツの生理学者たちを中心に確立された。テオドール・シュワンとユストゥス・フォン・リービヒなどは生体内の物質変換を化学的に説明しようと試み、20世紀に入って酵素学と生化学が発達するにつれて、解糖系、クエン酸回路、酸化的リン酸化など核心的な経路が次々と明らかにされた。ハンス・クレブスはクエン酸回路(TCA回路)を解明した功績により1953年にノーベル生理学・医学賞を受賞し、この回路は彼の名にちなんで「クレブス回路」とも呼ばれる。

異化作用と同化作用

異化作用(catabolism): 炭水化物、脂肪、タンパク質などの大きな分子を小さな分子に分解し、エネルギーを放出する。解糖系、ベータ酸化、タンパク質分解、グリコーゲン分解が代表例である。
同化作用(anabolism): ATPとNADPHを消費して、アミノ酸、脂質、核酸、タンパク質などを合成する。タンパク質合成、脂肪酸合成、糖新生、光合成がこれに属する。

両過程は互いに異なる経路を用いて同時に進行し、ホルモンとアロステリック調節、フィードバック阻害を通じて均衡を保つ。

エネルギーの通貨 ATP

ATP(アデノシン三リン酸)は細胞のエネルギーの通貨であり、リン酸結合の一つが切れるときに約7.3 kcal/molの自由エネルギーを放出する。グルコース1分子が完全に酸化されると、細胞呼吸の全過程で最大約30~32分子のATPが生成される。ATPは筋収縮、能動輸送、生合成など、ほとんどすべての細胞活動に使われ、細胞内濃度は数秒単位で再生と消費が繰り返される。

主な代謝経路

1. 解糖系(glycolysis): 細胞質でグルコースがピルビン酸に分解され、2 ATPと2 NADHを生み出す。酸素がなくても進行する最も普遍的な経路である。

2. クエン酸回路(TCA回路): ミトコンドリアのマトリックスでアセチル-CoAが酸化され、NADH、FADH2、CO2と少量のATPを生成する。

3. 酸化的リン酸化: 電子伝達系と化学浸透勾配を利用してATPを大量生産する核心段階である。

4. 脂肪酸酸化とケトン体生成: 断食や低炭水化物状態で重要なエネルギー源となる。

5. 尿素回路: タンパク質分解によって生じた毒性のあるアンモニアを尿素に変換し、尿として排出する。

6. 光合成: 植物と藻類において光エネルギーを化学エネルギーに変換する炭素同化経路である。

代謝調節とホルモン

インスリンは食後の血糖を下げて貯蔵を促進し、グルカゴンは空腹時にグリコーゲン分解と糖新生を誘導する。コルチゾールはストレス状況でタンパク質と脂肪を分解して血糖を高め、甲状腺ホルモンは全般的な代謝速度を調節する。アドレナリンは急激なエネルギー需要に対応して即座の分解反応を促進する。

基礎代謝量

基礎代謝量(BMR)は完全な安静状態で生命維持に必要な最小のエネルギー消費量であり、1日の総エネルギー消費の約60~70%を占める。筋肉量、体組成、年齢、性別、甲状腺機能、遺伝的要因が大きな影響を及ぼし、年を取るほど筋肉量の減少により基礎代謝量が低くなる傾向がある。

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