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1 体内の 無機質 inorganic substance ミネラル mineral 酸素 炭素 水素 窒素 oxygen carbon hydrogen nitrogen カルシウムリンカリウムイオウナトリウム塩素マグネシウム (1 講時 ) 生化学 text p.32- 鉄銅マンガンヨウ素コバルト亜鉛モリブデンフッ素 Nh 1

2 地球上 約 100 種類 生体 約 50 種類 必須 約 20 種類 主要元素 人体を構成する元素 (%) 酸素炭素水素窒素 96% 多量ミネラル 微量ミネラル カルシウム 2.0 リン 1.1 カリウム 0.35 硫黄 0.25 ナトリウム 0.15 塩素 0.15 マグネシウム 0.05 鉄 銅 マンガン ヨウ素 traces コバルト 亜鉛 traces モリブデン traces フッ素 traces セレンクロム 4% 1% 以下 ミネラル 2

3 無機質のおもな生化学的役割 生体構成成分 生体機能調節 アルカリ金属 1 族 電荷の中和, 膜電位の制御, 構造の安定化 アルカリ土類金属 2 族 情報伝達, 酵素の活性化, 構造制御 遷移金属 3-12 族電子移動, 酸化還元酵素 典型元素 族 生体物質の構造要素, コンフォメーション変化の引き金 3

4 1. カルシウム Ca calcium 体重の 2% 50 kg なら 1 kg 存在 99% 硬組織 機能 1% 血液, 筋, 神経 1 骨, 歯の構成成分 2 血液凝固 ( 第 Ⅳ 因子 ) 3 神経の刺激伝達 4 筋肉収縮, 心臓の興奮性の調節 5 細胞内情報伝達 ( ホスファチジルイノシトールなど ) 6 細胞接着 (E- カドヘリン ) 7 酵素反応の調節 8 細胞膜活動 9 カルモジュリン (Ca 結合性タンパク質 ): キナーゼ, ミオシン活性化 細胞内外のカルシウムイオンの動きは厳密に調節 ( 内 :0.05~10 µmol/l) 細胞外の 1/10 6 から 1/500 細胞膜カルシウムチャネル ( 情報伝達 ) 細胞は特定の物質を特定の条件が整った時のみ透過させる独特のしくみをもつ ( 内在性タンパク質 ) チャネル : 受動トランスポーター ( 輸送体 ): 受動 ( 構造変化あり ) 能動 ( ポンプとも呼ぶ ) イオンチャネル (5 種 :Na +, K +, Ca 2+, 非選択性陽イオン,Cl - ) Ca 2+ イオンチャネル電位作動型 IP 3 受動体 NMDA 受動態 カルシウムポンプ = Ca 2+ -ATPase ( 能動輸送 ) 4

5 2. リン P phosphorus 存在 80% 硬組織 20% 血液, 軟組織 機能 1 骨, 歯などの硬組織 2リン酸として核酸, ヌクレオチド, 補酵素 3リン脂質 ( 細胞膜 ), リンタンパク質 4 糖リン酸エステル ( グルコース6-リン酸など ) としてエネルギー代謝 5 体液の酸アルカリ平衡, 浸透圧の調節, 筋肉の収縮 5

6 3. ナトリウム Na sodium Na は細胞外の主要イオン K は細胞内の主要イオン ナトリウムポンプ細胞内は Na + 濃度が低く, K + 濃度が高く維持. Na +, K + -ATP アーゼが担う ATP を分解しそのエネルギーを用いて Na + (3) を排出し,K + (2) 取り込みを行う イオン 細胞内イオン濃度 (mm) 細胞外イオン濃度 (mm) Na K Mg Ca 2+ 1 x Cl HCO phosph ates 75 4 Textbook of Medical Physiology Fig.4-1 より 機能 1 浸透圧の維持 水の移動 2 ph 酸塩基平衡の維持 3 ナトリウム : 筋収縮 4 細胞外カリウムが高い : 神経, 筋肉の興奮を抑制 5 低 Na 血症 : 細胞外液のNa + 濃度が低下 細胞内浮腫 6

7 カリウム K potassium 細胞膜上の酵素で濃度勾配形成 ( 膜電位 ) ナトリウムポンプ ( ナトリウム / カリウムポンプ ) Na +, K + -ATPase 脱分極, 神経活動の源 アルドステロン ( カリウムの調節因子 ) アルドステロン作用過剰 ( 副腎皮質機能亢進症 ) カリウム欠乏 腎不全 ( 腎での排泄に障害 ) アジソン病 ( 副腎皮質機能不全 ) 髙カリウム血症 腎血流低下 ( 高度脱水, ショック ) 低カリウム血症 : 鼓腸, 呼吸困難, 頻脈, 興奮性麻痺, 心停止 髙カリウム血症 : 神経, 筋が易刺激性, 骨格筋の筋力低下, 筋弛緩性麻痺, 徐脈, 不整脈, 心停止 膜電位の脱分極によって機能する心筋にとっては, カリウム失調は致死的な機能失調につながる 7

8 4. 硫黄 S sulfur 存在 メチオニン, システイン, シスチングルタチオンビタミンB 1, ビオチングリコサミノグリカン : コンドロイチン硫酸デルマタン硫酸ケラタン硫酸 硫黄は化学的に活発な元素で多くの元素と化合するが, 特に酸素との親和性が強く種々の酸化物を生成する. 8

9 5. 塩素 Cl chlorine 細胞外液の主要陰イオン CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 細胞内濃度は低い 1 浸透圧維持 2 酸塩基平衡 H 2 CO 3 H + + Cl - HCO 3- + H + HCl 3 胃酸の成分 HCl ペプシノーゲンからペプシンへの活性化 ペプシンの至適 phの維持 鉄 (3 価 ) をイオン化し, 腸管からの吸収促進 摂食食物の殺菌消毒 4 好中球酵素により次亜塩素酸となり, 好中球の貪食作用に関与 5 酵素の活性化 : アミラーゼ, ウレアーゼ ウレアーゼ (NH 2 ) 2 CO + H 2 O 尿素 urea CO NH 3 好中球ペルオキシダーゼ (myeloperoxidase) Cl - + H 2 O 2 OCl - + H 2 O 9

10 6. マグネシウム Mg magnesium 存在 60% 硬組織 30% 筋 その他すべての細胞中に存在 約 300 種類の酵素の補因子 ATP が基質となる酵素反応 ( リン酸転移酵素 ) の活性化ヘキソキナーゼなどの解糖系 Na + -K + -ATPase Ca 2+ -ATPase Mg 欠乏 細胞内外のNa, K, Caのバランスが崩れ心機能に影響 Ca/Mg 比が高い (Mgが低い) 虚血性心疾患精神的抑うつ症 10

11 遷移金属の輸送 担体 イオン 細胞外イオン濃度 (mm) トランスフェリン Fe セルロプラスミン Cu アルブミン Cu アルブミン Zn リンタンパク質 Ca 担体を必要としない Mg 2+, Na +, K 生理的な酸素濃度でFe 2+ はFe 3+ に速やかに酸化される. Fe 3+ は中性溶液にはきわめて溶けにくい生体内では超微量の遷移金属の多くが特別な担体タンパク質と結合して輸送される 11

12 金属の貯蔵 フェリチン (3-4 g). 鉄は肝臓, 脾臓, 骨髄中の細胞に吸収され貯蔵 フェリチン Fe 2+, Fe 3+ メタロチオネイン Cu 2+, Zn 2+ セルロプラスミン Cu 2+ アルブミン Cu 2+, Zn 2+ リンタンパク質 Ca 2+ 12

13 微量ミネラル 7. 鉄 Fe iron, ferrous, ferric 図 2-36 総量は 3~4g. 70% がヘモグロビンと結合,30% がフェリチンとして貯蔵 生体内での鉄の存在形態 ヘモグロビン ミオグロビン 酵素 ( チトクロム, カタラーゼ, ペルオキシダーゼ ) 血液中の酸素運搬 筋肉内に酸素を保持, 運搬 電子伝達系, 酸化還元反応 70% 2600mg トランスフェリン フェリチン ( 肝, 脾, 骨髄 ) ヘモジデリン アポトランスフェリンと結合して血漿中, 鉄の輸送 アポフェリチンと結合して貯蔵 アポフェリチンと結合していない鉄 3~4 mg 30% 300~1000 わずか,35 mg の鉄が, 酵素, 輸送タンパク質,O 2 結合タンパク質, 酸化還元タンパク質による代謝において活発に働いている. 13

14 食品からの鉄の吸収 1 mg 図 2-36 ヘム鉄 ( 鉄 +ポルフィリン ) はそのまま特異的担体で腸管上皮細胞に吸収. 細胞内でFe 2+ とポルフィリンに非ヘム鉄はFe 3+ では吸収されず,Fe 2+ に還元されて,2 価金属イオン輸送担体に結合して吸収. 亜鉛, 銅と競合 細胞内で3 価 (Fe 3+ ) となり, アポトランスフェリンと結合し ( トランスフェリン ), 血漿中を輸送 骨髄で幼若赤血球内でヘモグロビン合成に利用 組織 ( 肝, 腎, 脳, 筋 ) で酵素, ミオグロビン利用 アポフェリチンと結合し ( フェリチン ), 網内系細胞 ( 肝, 脾 ) に貯蔵. アポフェリチン量を超えた鉄はヘモジデリンとして細胞内に沈着 一度吸収された鉄は, 赤血球の崩壊の際にヘモグロビンのヘムの分解に伴い遊離 可能な限り再利用され, 体外への損失は非常に少ない. 鉄の不足 鉄欠乏性貧血 鉄の過剰 ( 大量輸血等で鉄が過剰に蓄積 ) ヘモジデリンが肝, 皮膚に沈着 14

15 8. 銅 Cu copper (cuprum, ラテン語 ) 骨, 肝臓, 脳, 腎臓, 筋, 血液に存在. 大部分セルロプラスミン 1 造血, 血液凝固および骨形成に関わる酵素の補欠分子族ヘモグロビンの合成に関与 ( セルロプラスミンを介して ) 2 酵素の補因子シトクロムオキシダーゼ ( シトクロム aa 3 ) スーパーオキシドジスムターゼ (SOD) 2 O H + O 2 + H 2 O 2 チロシナーゼ ( カテコールオキシダーゼ, モノフェノールモノオキシダーゼ )2 カテコール + O 2 2 o- キノン + 2 H 2 O セルロプラスミン ( フェロオキシダーゼ ) 1 銅の運搬と代謝 2 鉄の代謝に関与している血漿中の銅の90~95% はセルロプラスミンと結合して存在 2 価の鉄イオンを3 価に変える ( 酸化する ) 4 Fe H + + O 2 4 Fe H 2 O 欠乏 貧血, 白血球減少, 骨変化, 精神発達遅延先天性銅代謝異常症 :wilson 病 15

16 9. マンガン Mn manganese 存在 生体内総量 :12~20 mg Cu/Zn 肝臓, 腎臓に貯蔵 Fe/Mn 胆汁中に排泄 Ni 機能 スーパーオキシドジスムターゼ (SOD) の活性基 2 O H + O 2 + H 2 O 2 ATPase メバロン酸のリン酸化, スクアレンへの転化欠乏症状稀. 過剰 : 気道などからの長期曝露でマンガン中毒 ( 精神症状 ) 16

17 10. コバルト Co cobalt 成人体内に約 1 mg ビタミン B 12 ( コバラミン ) の成分 ビタミン B 12 の欠乏 悪性貧血 17

18 11. 亜鉛 Zn zinc 1.4 g~2.3 g 存在肝臓, 膵臓, 骨, すべての臓器, 組織, 血液細胞に含まれる. 前立腺が最も高濃度. ステロイドホルモンの受容体に多い 欠乏 機能 皮疹, 味覚低下, 下痢, 貧血 1 免疫, 味覚, 皮膚や骨の機能の維持 3 金属酵素炭酸脱水酵素カルボキシペプチダーゼアルカリ性ホスファターゼ DNAポリメラーゼ RNAポリメラーゼマトリックス金属プロテアーゼ (MMP) 4インスリン膵臓 β 細胞貯蔵時にZnを中心に6 量体 2zinc finger 転写調節因子のモチーフ (DNAに結合するドメイン. 亜鉛が安定化 ) 18

19 12. モリブデン Mo molybdenum 金属酵素キサンチンオキシダーゼの補因子キサンチン + NAD + + H 2 O 尿酸 + NADH キサンチン 尿酸 アルデヒドオキシダーゼ : ヒポキサンチン キサンチン亜硫酸オキシダーゼ : 亜硫酸 硫酸 欠乏は稀. 過剰 : 銅不足 ( モリブデンは銅と拮抗するので ) 19

20 13. フッ素 F fluorine 体内へ吸収 :90% 大部分は小腸から一部は胃から 代謝 90% 尿中排泄 10% 硬組織に沈着 歯 : エナメル質表層, 象牙質歯髄側で濃度高 中毒急性 3~5 mg/kg 体重の摂取 嘔吐, 下痢それ以上大量摂取 低カルシウム血症慢性 10 ppm 長期 骨軟化症, 斑状歯 機能 フルオロアパタイト ( 結晶性向上 ) う蝕予防効果 20

21 14. ヨウ素 I iodine 生体内総量 :30 mg 存在 60% 甲状腺 甲状腺濾胞上皮細胞は血中のヨウ素を取り込み, チログロブリンのチロシン残基をヨウ素化 甲状腺ホルモンの生成トリヨードチロニン (T 3 ) チロキシン (T 4 ) 欠乏 ( ヨードが土壌に含まれていない地域の農産物, 水の摂取 ) 甲状腺機能障害, 発育障害, 知能障害欠乏症 ( 胎生期 ): クレチン病過剰症 : 甲状腺腫 21

22 セレン Se selenium O H 2 N CH C OH タンパク質中にセレノシステイン残基 (Sec: selenocysteine) として存在する. セレノシステインは酸化還元酵素に存在 グルタチオンペルオキシダーゼ 2 GSH + H 2 O 2 GS-SG + 2 H 2 O CH 2 SeH システインの硫黄 (S) がセレン (Se) に置き換わっている 細胞内で抗酸化作用各種の金属類, 有害金属化合物の毒性発現を抑制膵臓の働きを正常化し脂質の消化吸収に重要な役割 チオレドキシン還元酵素, ギ酸還元酵素, グリシン還元酵素 欠乏 狭心症, 心筋梗塞, ガンの発生を高める欠乏症 : 克山病 ( 中国 ) 22

23 クロム Cr chromium 吸収されにくい穀物に存在するクロムは精製でほとんど失われる小麦 98% 米 92% 耐糖因子 (GTF: glucose tolerance factor) を構成する耐糖因子はインスリンが体内でレでプターと結合するのを助ける 23

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