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★分子栄養学(三石理論):からだのはたらきと代謝

生きる営み

A 生物の属性
 生物も無生物もともに元素の集まりとして成りたっています。いろいろの元素の原子が組みあわさって分子となり、分子の結合によってつくられる化合物が構成材料であるという点は共通ですが、属性をくらべると決定的なちがいがあることは、経験的に認識できます。
 たとえば傷を負ったとき、生物は自分で治すしくみをはたらかせますが、機械は外部からの修理というはたらきかけがなければ、自然に治ることはありません。
 生物はまた、構成する物質がどんどん入れ替わってゆき、ヒトのからだも10年前と現在とではほとんどの物質が交代しています。けれどもヒトに似せてつくられたロボットにはこのようなことはおこりません。
 生物は自律的にエネルギーを獲得し、体成分をつくり替え、外部環境から物質をとり入れ、不用物を排出し、自己複製して成長し、形質を子へ伝えます。
 このような生物現象を決めているのが遺伝情報で、細胞という生命の単位によって実行されます。
 細胞が遺伝情報を解読し、与えられたマニュアルに従って物質を変換してゆきます。分解されるものもあり、異なる分子に変換するものもあり、組み合わせら れて大きなサイズになったり、化学的性質を失ったり獲得したりなどいろいろの変化をおこしています。その変化は化学反応であり、“代謝”とよばれていま す。

B メタボリズム metabolism
 代謝とは新旧が入れ替わることをいい、生物学の用語では、生体内における物質の分解・合成の化学反応を意味します。
 生物は、外界から物質をとり入れ、酵素などの作用でそれを分解・合成し、生じた老廃物を体外に排出します。この変化の過程をエネルギーについていうのが“エネルギー代謝”で、物質についていうときには“物質代謝”となります。
 環境汚染物質や薬剤などの生体異物の代謝は“薬物代謝”とよばれ、生体防御の機能として重要です。
 甲状腺や副腎などの内分泌器官の機能に関連する“内分泌代謝”では、“糖質代謝”や“骨代謝”が注目されています。

C システムという見方
 分子生物学によって、生命現象にかかわる遺伝子やタンパク質などの分子について性質や動態が明らかにされてきました。それぞれの役割がわかっても、単に 並べただけでは生物としての成りたちが理解できるわけではありません。それらは生命というシステムの構成要素としてまり、それぞれが他の要素と特定の関係 を維しつつ動的にふるまっています。
 生物をシステムとする見方に立って、全体のダイナミクスの解明をめざすのがシステム生物学(システムバイオロジー)です。

代謝パスウェイ

A 生体ネットワーク論
 現代社会はインターネットという通信網によって刻々に状況の変化を生じています。ネットワークとは、相互につながりをもつ多数の構成要素の集団を指すも のであり、道路や交通網や人間関係などさまざまなネットワークがありますが、近年、生態系や生命現象に関係したネットワーク論へひろがりました。
 ヒトの神経系や免疫系は複雑なネットワーク説明されますが、細胞機能の代謝もネットワークとして理解されています。

 細胞は外部の環境からくるシグナルをキャッチし、その情報に適した遺伝子発現や代謝を進行させます。シグナル伝達でも遺伝子発現の制御にも多くの分子が協調し、相互作用する化学反応のネットワークがはたらいています。
 そのなかでもっとも研究のすすんでいるのが代謝ネットワークです。
 代謝は物質を合成するプロセス(同化)と、物質を分解するプロセス(異化)に分けられています。
 異化のプロセスも同化のプロセスも多くのステップ(反応)があり、それぞれのステップに特異的な酵素による触媒作用が必要です。すなわち連結してつづく 酵素反応で成りたっていることになります。このプロセスが“代謝パスウェイ”であり、反応の基質や生成物や反応の種類によっていろいろに分類されていま す。
 代謝パスウェイは、その生理機能によってまとめられてエネルギー代謝パスウェイ、アミノ酸代謝パスウェイ、ヌクレオチド代謝パスウェイ、脂質代謝パスウェイなどに分かれます。
 右図は、いくつもの反応のつながりによって描かれている細胞内の代謝パスウェイを示しています。
 ネットワークの中心部分には、上方から下方にむけて糖質代謝パスウェイがあります。これは解糖系からクエン酸サイクルへの経路で、周囲には酸化的リン酸 化などのエネルギー代謝パスウェイ、ヌクレオチド代謝パスウェイ、アミノ酸代謝パスウェイや脂肪酸などの脂質代謝パスウェイの存在が示されています。その ほか糖鎖の合成やビタミンの代謝などのつながりがあります。
 代謝パスウェイでは、おもな基質と生成物をネットワークのノードとし、酵素名を示したリンクでノード間をつないでいます。
 ネットワーク論は数学の一分野であるグラフ理論を基礎にしています。

B グラフ理論とネットワーク
 グラフは、さまざまなものごとのつながり方を表現するもので、つながり方を頂点と辺(点と枝)で表します。ノードは頂点でありリンクまたはボンドは辺といいます。
 代謝パスウェイは、細胞内部の膜構造により空間的に仕切られ、酵素濃度などで時間的に制御されながら全体として複雑なネットワーク構造を形づくっています。それによって細胞機能を担い、ホメオスタシスを維持しています。
 上の図には糖質代謝をはじめ10のおもなパスウェイが記されていますが、組織や細胞によっていつもそのすべてが機能しているわけではありません。

C 酵素というタンパク質
 おだやかな温度やpHが保たれる体内環境で物質の化学変化を生じさせるには触媒が必要です。
 触媒とは、化学反応にかかわりながら反応の前後で自身は変化せず、反応の促進役となる物質をいいます。

 亀の甲という呼び名のあるベンゼンは、非常に安定な物質です。図中にある反応はCl2を入れただけではおこらず、鉄粉を加えるとすすみます。この場合の鉄粉のようにはたらくものが触媒というわけです。
 生体内ではたらく触媒(生触媒)が酵素です。酵素はタンパク質で、それぞれに異なる立体構造をもっており、それによっていろいろある化合物のなかから、 自分がはたらきかけるべき物質(基質)を選び出す“基質特異性”と、基質を目的の物質に変える“反応特異性”を発揮するのです。この特異性によって特定の 反応だけが進行します。
 酵素はある範囲のpHでよく作用します。そのなかでもっとも適したものを至適pHといいます。温度にも至適温度があります。温度の上昇は反応の速度を上 げますが、タンパク質である酵素は60~70℃で熱変性し失活します。ふつうは30~40℃が至適温度ですが、なかにはアミラーゼのように熱に強い酵素も あります。
 pHの変化もタンパク質の立体構造を変えたり、基質をイオン化させたりするため反応に影響します。重金属イオンやアルコールなどの薬品によっても失活することになります。
 酵素はその基質特異性によりひとつの化学反応に対して1種類の酵素しか作用しません。デンプンを基質として分解する酵素アミラーゼは他の反応にははたらきません。従って生体には多種類の酵素が用意されています。
 加水分解を受けもつ酵素は食物の消化に重要です。タンパク質を基質にするもの、脂肪を基質にするもの、糖質を基質にするものがいろいろあって、唾液や胃液や膵液などの消化液にふくまれています。
 タンパク質の加水分解酵素プロテアーゼには胃液にふくまれるペプシン、膵液のトリプシンやキモトリプシン、小腸で分泌されるペプチダーゼがあり、糖質を 基質とするものも唾液や膵液のアミラーゼ、腸液のマルターゼ、ラクターゼ、サッカラーゼという具合にいろいろの種類があります。
 複雑な代謝パスウェイの運営に従事する酵素には、ホルモンなどのシグナルを受けて反応速度を調節する律速段階を受けもつものもあり、必要に応じて代謝システム全体を統制しています。
 近年RNAについての研究がすすみ、酵素活性を示すRNAのあることがわかり、酵素タンパクと区別するためにリボザイム(RNA酵素)とよばれることになりました。

D 代謝リプログラミング
 ガン細胞は、好気的環境であっても解糖系という代謝システムによってエネルギー物質ATPをつくることが知られています。はじめこの現象はミトコンドリ アの障害が原因と考えられましたが、やがてこの考え方は否定されて、ガン化した細胞にとっては解糖系を用いるほうが有利だからということになりました。
 ガン組織は低酸素の状態になっており、酸素が利用しにくいこともあり、活性酸素の出現が抑えられることや解糖系ではATPのほかに細胞増殖に必要なヌクレオチドやアミノ酸や脂質を効率よくつくれることが利点だというのです。
 ガン細胞は“HIF1”という転写因子の活性化によりグルコーストランスポーターを誘導してグルコースのとりこみを増加させたり、増殖に必須のグルタミ ンやグリシンやセリンの代謝レベルを高くしたりといったプログラムの変更をして生き延びる戦略をとっているというのです。
 細胞環境の変化に適応するために、細胞はリプログラミング(代謝の変化)という手段をもっていることになるでしょう。酸化ストレスに対抗する抗酸化シス テムの活性化や、小胞体ストレスを軽減するようにはたらくオートファジーの主役であるオートファゴソームが、細胞が飢餓状態におちいったときには1日のう ちに大量生産されるしくみであるなど、代謝レベルの変化で適応することが知られています。


代謝の調節

A 細胞呼吸とエネルギー
 ヒトが外界からとり入れる物質のうち、量的にもっとも多いのは水です。二番めは酸素で代謝の主要な物質です。食物として摂取された物質は、最終的に酸素 によって燃焼(酸化分解)し、ATPというエネルギー物質を産生します。細胞がする仕事は、このATPを分解するとき放出されるエネルギーに依存していま す。
 細胞による物質の燃焼は水溶液中でおこるので大気中の無機物の燃焼とは反応過程が異なりますが、最終的に水と二酸化炭素になることは同じです。細胞が酸素をとり入れ、栄養物質を燃焼することを“細胞呼吸”といいます。
 細胞のエネルギーづくりには、まず解糖というパスウェイが必要です。解糖は酸素の供給がなしで進行する糖の分解で、代謝の基本パスウェイになっていま す。このシステムでグルコースからピルビン酸が生成し、ついで細胞小器官ミトコンドリアのクエン酸回路へ流れこみ、ついで電子伝達システムへとすすみま す。ミトコンドリア内でのエネルギーづくりには、酸素が十分にあるという好気的条件が必要です。ATPの生産量は、解糖システムの16倍という効率のよさ ですが、酸素のほかにビタミンなどの協同因子の応援が必要です。

B ATPと細胞
 ヒトのからだには200種以上の細胞があり、そのなかには休みなく活発にはたらく心筋のようなものもあり、反対に脂肪細胞のように比較的不活発なタイプのものもあります。活発なタイプの細胞は大量のATPを合成し消費するのでミトコンドリアを多くもっています。
 ATP分子は生命の維持に不可欠ですが貯蔵することができません。ATP消費量の多い脳を調べると、細胞内に高濃度に存在しますが、その量はわずか20秒分でしかなく、細胞は絶えず合成して補給しつづけているのです。
 心肺停止という事態が生じたとき、気道の確保と人工呼吸が行われます。この処置で肺から酸素をとり入れATP合成をつづけさせなければ細胞が死ぬことになります。
 細胞が合成するATPは、細胞内のすべての仕事に用いられ、外へ出されることはありません。反対に周囲からもらうこともなく自力で調達するのが決まりです。
 ATPの分子量と、加水分解して生ずるエネルギー量とから計算して、ヒトは1日に自身の体重をはるかに超える量のATPを合成・分解していることがわかりました。

C 臓器の協調
 個体においていろいろの代謝が効率よくすすめられるためには、各臓器が情報を交換し連絡しあうことが必要です。

インシュリンなどのホルモンや、レプチンなどのアディポサイトカイン(脂肪細胞が分泌するサイトカイン)、食事をすると消化管から分泌されるインレクチンなどが、膵臓のβ細胞や筋肉や肝臓などの臓器間での代謝の協調を受けもちます。
 また脳からの神経系によるシグナルも、臓器間の代謝協調に欠かせないことがわかってきました(右図)。
 つねに脳においていろいろの組織・器官での代謝情報が集められており、それにもとづいての司令が送られて全身の代謝協調が行われているのです。

D 基礎代謝
 基礎代謝量は、ヒトが生きてゆく上で必要な最少限のエネルギー消費量を指し、ふつう総エネルギー消費量の約60%とされています。性別や年齢や体格で異なり、筋肉量や脳、肝臓、心臓、腎臓といった臓器の重量が関係していますが、個体差はさほど大きくないとされています。
 個体差を生じる大きな要因は、身体活動レベルとなっています。これは“運動以外の身体活動”で、食事にともなう熱産生(食事誘発性熱産生)をふくむものです。
 加齢とともに筋肉減少や呼吸機能低下、ミトコンドリアの減少により最大エネルギー消費量に変化が生じますが、基礎代謝量は大きく変わりません。
 高齢者のエネルギー必要量も、基礎代謝量および身体活動レベルによって算出され、「食事摂取基準」にとして示されています。

メグビーインフォメーションVol.388「ヒトの代謝」より


ww.megv.co.jp/メグビーさんちから転載しました。
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