ポストさんてん日記

放射線・エネルギー・環境・化学物質・食品などの情報をアーカイブとして整理すると同時に、徒然につぶやいています。 リンクはご自由に。

タンパク質(アミノ酸)の基礎、消化・吸収・代謝から酵素まで

[ 2017/11/01 (水) ]
3大栄養素の勉強を進めてきて最後のタンパク質になりました。
健康食品の話や、この分野の文献を読むときなどに必要となる(かも知れない)基礎的なことをまとめてみました。ただし、生理学などの基礎的素養がない素人のノートなので誤りがあるかも知れません。
ちなみに、人体の構成要素の割合は
  1. 水分           :50~70%
  2. タンパク質  :15~20%
  3. 脂質           :13~20%
  4. ミネラル分  :5~6%
  5. 糖質           :1%
(感想ですが、タンパク質は奥が深いことが分かりました。)

目次
  1. 基礎的なこと
      アミノ酸
      タンパク質
      ペプチド
  2. タンパク質の消化・吸収、代謝
      消化・吸収
      代謝
  3. タンパク質の立体構造変性
      立体構造
      変性
  4. 酵素、基質特異性、反応選択性、失活、補因子など
      基質特異性
      反応特異性
      酵素作用の失活
      補因子、補助因子
      「酵素を含む」として健康効果を謳う製品
  5. コラーゲンのエビデンス
  6. 食品タンパク由来の生理機能性ペプチドの例
  7. 関連エントリー

1.基礎的なこと:アミノ酸、タンパク質、ペプチド

アミノ酸

アミノ基(NH2)とカルボキシル基(COOH)を持つ有機化合物の総称
アミノ酸の基本構造
自然界には数多くのアミノ酸が存在するが、ヒトの体を構成しているアミノ酸あるいは酵素を構成するアミノ酸20種類側鎖(R)の種類によって性質が異なる。
例えば、アミノ酸が、水に溶けやすい(親水性)か、または溶けにくい(疎水性)かは、側鎖の種類によって決まる。側鎖が水に溶けやすい基なら、そのアミノ酸は親水性。側鎖が水に溶けにくいなら、そのアミノ酸は疎水性。

炭水化物や脂質と異なり、炭素 水素 酸素に加え、窒素(N)を含有しているのが特徴。体内にある窒素化合物のほとんどは、アミノ酸由来。(その他の元素で硫黄を含有するものもある)

ヒトが体内では合成できないアミノ酸を必須アミノ酸(essential amino acid)といい9種類で、これらは食品から摂るしかない。トリプトファン、フェニルアラニン、メチオニン、バリン、ヒスチジン、トレオニン、リシン、ロイシン、イソロイシン。
その他の11種類非必須アミノ酸と呼ばれ、必須アミノ酸や糖質などから体内でも合成される。
アミノ酸は、タンパク質合成の素材であるだけでなく、神経伝達物質やビタミン、その他の重要な生理活性物質の前駆体ともなっている。
20種類のアミノ酸
グリシンが最も単純で、トリプトファンが最も複雑である。

人体中には、20 種類のアミノ酸のほかにも様々なアミノ酸が存在している。その一つが「遊離アミノ酸」と呼ばれるもので、タンパク質と結合せずにアミノ酸の状態で体内中に存在している。
例えば、オルニチンは肝臓の尿素回路(オルニチン回路)で使われるもので、グルタミン酸からの合成、または、アルギニンの分解によって生じる。


【参考】 アミノ酸を詳しく学ぼう! アミノ酸大百科(味の素㈱)
【メモ】フェイクニュースと闘う味の素 ニューヨークから世界へ情報発信(松永和紀 BuzzFeed News 2018/10/02)

タンパク質

タンパク質は、アミノ酸が数千以上繋がり生体内で機能を持つ化合物(アミノ酸がタンパク質の最小単位)。
アミノ酸のみで構成されるものを単純タンパク質と言うが、他の化合物を含むタンパク質も多くある。
.
【単純タンパク質の例】
アルブミン グロブリン グルテリン プロラミン アルブミノイド ヒストン プロタミン

タンパク質の種類は自然界全体では数万種類といわれているが、体内での働きという観点から分類すると、構造タンパク質と機能タンパク質の2つの側面がある。
さらに、エネルギー源としての側面を含めて、3つの側面がある。
これらのタンパク質は細胞の中で作られる。細胞の中の遺伝子が設計図となってタンパク質を作り出す(合成)仕組みはセントラルドグマと呼ばれ、タンパク質の設計図であるDNA、その鋳型となるRNAリボソームというタンパク質合成装置が活躍する。このタンパク質を合成する仕組みの中でも、酵素や転写因子などのタンパク質が働いて、いろいろなタンパク質を作り出す。

構造タンパク質の例】
生物のからだの細胞や組織・器官をつくりあげているタンパク質
  • コラーゲン:骨、軟骨、腱、皮膚(結合組織の主成分)を構成する繊維状のタンパク質。
  • アクチンミオシン:筋繊維(筋細胞)に特徴的な細胞骨格。ミオシンがアクチンを引きずり込むことで筋肉が収縮する(滑り説)。
  • ケラチン:毛、爪などを構成。
  • 各種チャネルやポンプを構成する膜タンパク質:リン脂質とともに細胞膜を構成。
  • ヒストン:DNAが巻き付いてヌクレオソームを構成し、ヌクレオソームが構成単位のクロマチン繊維を構成する。細胞が分裂する際、クロマチン繊維が高度に凝集したものが染色体。
  • リボソームタンパク質:rRNAとともにリボソームを構成。

機能タンパク質の例】
生物のからだでさまざまな機能を果たす
  • 触媒作用:各種酵素(アミラーゼ、トリプシン、キモトリプシン、ペプシン、ATPase、DNAポリメラーゼなど)
  • 調節作用:各種ホルモン(インスリン、グルカゴン、チロキシンなど)や神経伝達物質、オペロン説ではたらくリプレッサーなど
  • 生体防御:免疫グロブリン(抗体)やフィブリンなど
  • 物質の運搬や保持:ヘモグロビンミオグロビン(酸素)、リポタンパク質(脂質)、アルブミン(金属や脂肪酸)
  • 受容体(レセプター):ホルモン、神経伝達物質、抗原など、細胞外からきた情報となる物質と特異的に結合し、細胞に情報を伝達するタンパク質で、細胞膜に存在するものが多い。

【割合は少ないがエネルギー源になる】
栄養素の摂取と代謝02
エネルギー源としての糖質が不足すると、筋肉内のタンパク質や、筋肉に補給されるはずだったタンパク質が消費されてしまう。
この辺りの詳細は別エントリーにあります。

ペプチド

アミノ酸のアミノ基(NH2)と別のアミノ酸のカルボキシル基(COOH)の脱水縮合をペプチド結合という。
ペプチド結合
連結したアミノ酸の数が、2つならジペプチド、10個程度ならオリゴペプチド、何十個ものアミノ酸の連なりはポリペプチドと呼ぶ。
oligoは、ギリシャ語で少ないという意味。
100 個以上繋がったポリペプチドで特有の構造や機能を持ったものをタンパク質と呼んでいる。50 個程度のものでもタンパク質といわれることもある。

2.タンパク質の消化・吸収、代謝

消化・吸収

食品は原則、他の生物由来であり、他の生物のタンパク頬は、その生物に特化して合成されたものであるから、私たちにとっては異物である。異物のまま吸収することはできない。

ペプシン トリプシン キモトリプシンなどの消化酵素によって小腸に来るまでに短いペプチドに分解される。

栄養素のクロストーク01タンパク質の分解
出典:消化酵素と分解(看護roo![カンゴルー])

小腸壁の細胞にあるジペプチダーゼという酵素によって、ポリペプチドジペプチドアミノ酸にまで分解され、小腸上皮粘膜から吸収され、さらに小腸上皮細胞にあるアミノペプチダーゼでアミノ酸に分解され、門脈を経て肝臓に送られる。

アミノ酸になりさえすれば脂質二重膜である細胞膜を無条件で通過できるわけではない。細胞膜上の特別な装置、それはアミノ酸トランスポーターと呼ばれる膜タンパク質で、単体のアミノ酸やジペプチドを細胞内に迎え入れる。
このアミノ酸トランスポーターは、十数種類知られており、20種類以上あるアミノ酸をそれぞれ特異的に取り込む働きを持つ。
(アミノ酸トランスポーターは分子標的創薬の1つのターゲットとして研究が進んでいる。)

【例外もあるメモ①】
消化されなかったタンパク質に対して、通常は、小腸粘膜上でIgA抗体(免疫グロブリン)がタンパク質を捕えて、体に吸収されないようにしてくれている。このようにIgA抗体が働くことで体にとって異物である食物に対してはIgE抗体が作られるのを防き、アレルギーや過剰な免疫応答(免疫の活性化)が起こりにくくなっている。
乳幼児期は腸管や免疫系が未発達で、食品のタンパク質が消化・分解されずに体内に侵入し、アレルギーや過剰な免疫応答が起こると考えられている。


【例外もあるメモ②】
小腸では、小腸上皮細胞どうしの結合がゆるむことがあり、その間を通ってポリペプチドが取りこまれる。

【例外もあるメモ③】
一般的な栄養素は消化・低分子化の後に絨毛から吸収されるが、牛海綿状脳症(BSE)の原因タンパク質である異常プリオン、アレルゲンとなるタンパク質や病原性微生物等の抗原は、パイエル板表面のM細胞から取り込まれる。

代謝

肝臓に運ばれたアミノ酸は一部がタンパク質に合成され、その他のアミノ酸は血液によって身体の各組織に運ばれ、組織タンパク質に再合成され身体を構成する材料になる。いったん合成されたタンパク質は一定の割合でアミノ酸に分解され、絶えず新しく合成されるタンパク質と入れ替わっている。また、ホルモン、血球、免疫物質の形成などにも使われる。

たんぱく質の消化・代謝01
出典:第13回 栄養学と糖質制限(九州肉屋.jp)

少し詳しい説明は別エントリー栄養素の消化・吸収・代謝の基礎にあります。

3.タンパク質の立体構造と変性

立体構造

タンパク質が機能するためには構造体を形成する。タンパク質の様々な働きは、その立体構造によるもの。
タンパク質の立体構造
タンパク質の高次構造
出典:タンパク質の構造(自宅で学ぶ高校生物)

一次構造:ペプチド結合で繋がる
二次構造:水素と酸素によって水素結合を形成し、より複雑な構造になる
三次構造:二次構造同士で結合(相互作用)し二次構造よりもより複雑でまとまりのある構造になる
四次構造:三次構造同士が結合(相互作用)したもの
三次構造以上の結合様式は、硫黄原子同士のジスルフィド結合、水素結合、イオン結合、疎水結合、ファンデルスワールス力などがある

【メモ】牛海綿状脳症(BSE)の原因タンパク質である異常プリオンは、正常プリオンと同じアミノ酸配列でできているが立体構造が異なる。

変性

「変性」とは、一次構造は保持されている状態だが、二次構造以上の立体構造を壊すこと。(ペプチド結合から成り立つ一次構造は壊れにくい)
タンパク質は、加熱、極端なpH、強い攪拌、高濃度の塩や尿素、還元剤、強い光などで高次構造を支える結合が切れ、固有の機能(活性)の低下・消失が起こる。これを変性(denaturation)という。タンパク質の機能を失うことを失活と呼ぶ。
変性を利用した食品の具体例
利用する変性要因食品の具体例
加熱目玉焼き、焼き肉、ゆば
表面張力メレンゲ、アイスクリーム、スポンジケーキ
凍結凍り豆腐
脱水するめ
しめ鯖、ヨーグルト
アルカリピータン
金属イオン豆腐(Ca2+、Mg2+


4.酵素、基質特異性、反応選択性、失活、補因子、「酵素を含む」として健康効果を謳う製品

酵素(エンザエム:enzyme)とは、生物のからだのほとんどすべての化学反応(代謝)の触媒となるタンパク質(機能タンパク質)
触媒:化学反応において、その反応に必要な活性化エネルギーを低下させ、その反応速度を変えるはたらきを持つ物質。なお、触媒自身は反応の前後で変化しない。
酵素は、消化、吸収、循環、呼吸などの代謝、新陳代謝、排泄など、生命活動のほとんどすべてに関わっている。さらに、重要な代謝・酵素反応のほとんどは肝臓に存在するといっても過言ではない。
ほとんどの酵素反応・代謝系は細胞の中で進む。
人間が生きていくためには10万種の酵素が働くとの推定がある。
酵素が酵素として機能するためには、アミノ酸が少なくとも50以上連結することが必要で、平均すれば300程度のアミノ酸の組み合わせによって、様々な酵素が存在している。

基質特異性

酵素は特定の基質(酵素が作用する物質)とのみ反応する。生体内ではさまざまな化学反応が起こっており、それぞれの化学反応にはそれぞれ別の酵素が働いている。従って、酵素にはたくさんの種類がある。
鍵と鍵穴にモデルにたとえられる。
酵素であるタンパク質の立体構造には様々な大きさや形状の窪み:鍵穴が存在する。酵素の窪み:鍵穴に合った基質だけをくぼみの奥に存在する酵素の活性中心へ導くことで、酵素作用を発現する。
酵素の作用02
出典:酵素反応の特質を知る(慶應義塾大学 自然科学研究教育センター)

反応特異性

消化酵素などいくつかの例外を除けば、通常1つの酵素は生体内の複雑な代謝経路の1ヵ所だけを担当している(1つの化学反応しか触媒しない)。これは、生体を恒常的に維持するための重要な性質。異なった反応には別の酵素が必要。

酵素は生体内の化学反応を秩序立てて進めるために、このように高度な基質特異性反応特異性を持つ。
酵素の多様性はアミノ酸の組み合わせ自体というよりも、アミノ酸の組み合わせの結果生じる立体構造の違いによって生まれているのである。

酵素作用の失活

生体内での生成や、熱・pHなどによって立体構造を替えて変性失活する特性などは、他のタンパク質と同様で、酵素が役割を果たすとき、または失活する原因には、酵素を構成するタンパク質の立体構造が深く関与している。
失活の原因となる要因としては、熱、pH、塩濃度、溶媒、他の酵素による作用などが知られている。したがって、酵素反応は至適温度・至適pH や水溶媒など条件が限定される。
酵素の変性
出典:化学反応と酵素の反応(新興出版社啓林館)

人体中では一部の特例を除き、酵素が最もよく働くのは、だいたい35℃~40℃。通常、体温が35℃以下(低体温症)になると生命現象を維持している酵素反応が滞ってしまうために様々な障害が出てくる。逆に、感染症などで体温が40℃を超える状況が継続することも身体の代謝に様々な影響が出てくるので危険な状態。

水銀やカドミウム、鉛などの重金属が苦手な酵素も多い。これらの金属は酵素の中の特定の部位に強く結合するなどして、酵素の機能を麻輝させることがある。

酵素はも苦手。エタノールやアセトンなどは、ある濃度以上になると酵素の立体構造にいろいろと悪さをする。エタノールが殺歯に使われるのは細菌のタンパク質および酵素を変性させるから。
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補因子、補助因子

触媒として機能するために他の成分を必要とする酵素も多い。そのような他の成分を補因子補助因子という。
代謝上で非常に重要な反応を担っている酵素は補因子を必要とすることが多い。体内に補因子が欠乏し、重要な酵素が機能不全を起こせば、生命維持に必須の代謝が停滞し身体の不調が表面化することになる。
補因子は3つのグループがあり、非タンパク質の低分子有機化合物である①補酵素②補欠分子属③金属イオンに分けることができる。

①補酵素(coenzyme:コエンザイム):反応の時だけ酵素と可逆的な結合をする(くっついたり離れたりすることができ、反応後に離れて別の酵素との反応に関与する)
②補欠分子族:酵素と不可逆的な結合をする(一度くっついたら離れない)
③微量金属イオン:Mg2+、Mn2+、Cu2+、Zn2+、Co2+など


補因子の多くは、外から摂取したビタミンから作られる。また、微量金属イオンは食事からミネラルとして摂取しなければならない。

「酵素を含む」として健康効果を謳う製品

「酵素を含む」として健康効果を謳う製品が多く販売されているが、経口で酵素を摂取した場合に酵素活性に基づく効能が得られる、という科学的根拠はない。
その辺りの情報は別エントリー健康食品やサプリメントに関する有用情報にまとめています。

「『~酵素』を飲んだら体調が良くなった」という人はけっこういるものだが、酵素がそのまま体内に吸収されることは考えにくいので、酵素自体の効用ではないだろう。では単なる思い込みかといえば、そうとも言い切れない。巷で『~酵素』と呼ばれている製品の製法から推測するに、様々な補因子(ビタミンやミネラル)が含まれている可能性が高い。元々栄養バランスの悪い食事を摂っていた人が『~酵素』に含まれている(かもしれない)補因子をはからずも摂取することで、体内の「自分の酵素」の働きが良くなり、体調が改善したというのはありうる話である。それほどに補因子は重要な存在である。
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5.コラーゲンのエビデンス

従来、「コラーゲンは分解されてアミノ酸になるのだから、お肌の改善などに効くはずがない」と切り捨てられてきましたが、実はこの説はちょっと時代遅れ。ただし、コラーゲンを経口摂取した場合の「ヒトでの有効性」については現時点で信頼できるデータが十分に見当たりらない
NHKのコラーゲン番組への疑問
松永和紀 FOOCOM.NET 2017/3/15

【ごく一部のみ引用】
最近注目されているのが、たんぱく質が分解されてできるペプチド(アミノ酸が何個かつながったもの)。これが、特定の生理活性を持ち、細胞に対してシグナルを伝えることで、特定の代謝生合成系に作用するのでは、というのです。各種のペプチドが、体内でさまざまな働きをしていることが今、どんどん分かってきており、ペプチド創薬も盛んに研究されています。コラーゲンのペプチドも、可能性はあるのです。
従来、「コラーゲンは分解されてアミノ酸になるのだから、お肌の改善などに効くはずがない」と切り捨てられてきましたが、実はこの説はちょっと時代遅れ。とはいえ、コラーゲンからできたペプチドの生理活性物質としての効果はまだ、細胞実験や動物実験のレベルの段階でわかってきたにすぎず、「人に効く」と確かな根拠を持って言える状態にはない、というのが私の認識です。
本来、こういうことをきちんと分けて説明すべきだったのに、番組作りはごちゃごちゃ、グダグダ、としかいいようがないものになっていました。


栄養疫学者の視点から[第7話]コラーゲンのエビデンス
今村文昭 医学書院/週刊医学界新聞 第3244号 2017/10/16

【ごく一部のみ引用】
簡単に述べると,コラーゲンには特有とも言えるアミノ酸(水酸化プロリンなど)が含まれており,それを含む化合物の摂取が身体に「コラーゲンが壊れている」と勘違いさせ,その生成を促す(positive feedback)というものです。コラーゲン生成の働きを示す血中の指標については,この仮説と矛盾しない結果が得られています(Am J Clin Nutr. 2017[PMID:27852613])。
ただし,こうした生理学的な知見や小規模の観察だけに基づいて医学的効果を判断すること自体,EBMからずれています。厳密に言えば,コラーゲン摂取の効果には「強いエビデンスはない」と考えるのが良いでしょう。


コラーゲン
国立健康・栄養研究所 2017/09/5

コラーゲンって本当に効果があるの?
国立健康・栄養研究所 2012/12/28

【メモ】美肌のためにはコラーゲンを食べるべき?(成田崇信 Yahoo!個人 2018/6/15)

6.食品タンパク由来の生理機能性ペプチドの例

食品タンパク由来の生理機能性ペプチド
出典:放送大学

7.関連エントリーなど

【メモ】
文科省の科学技術週間 一家に1枚というサイトに、『動く!タンパク質』という資料がある。

転記 転記 転記

【関連エントリー】
食品中のトランス脂肪酸は問題か?
それ以外は↓のカテゴリにまとまっています。
[ 2017/11/01(水) ] カテゴリ: 生理学・栄養学の基礎 | CM(0)
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