第5回：糖（Ⅰ）

基礎栄養学 | 医スク講義

講師：中山正之（薬剤師）形式：90分講義リファレンス

Topic 1：糖質の分類と構造（単糖・二糖・多糖）

生体内で利用される糖質の分子構造と分類

単糖類（Monosaccharides）
- それ以上加水分解されない最小単位の糖
- 代表例：グルコース（ブドウ糖）、フルクトース（果糖）、ガラクトース
- 構造：炭素数6のヘキソース（六炭糖）であり、水溶液中では環状構造（α型・β型アノマー）を形成する
二糖類（Disaccharides）
- 単糖が2分子、グリコシド結合した糖
- スクロース（ショ糖）：グルコース＋フルクトース（非還元糖）
- ラクトース（乳糖）：グルコース＋ガラクトース
- マルトース（麦芽糖）：グルコース＋グルコース
多糖類（Polysaccharides）
- 単糖が多数重合した高分子化合物
- デンプン（植物の貯蔵多糖、アミロースとアミロペクチン）
- グリコーゲン（動物の貯蔵多糖、高度に分岐した構造）
- セルロース（植物細胞壁の構造多糖、β-1,4-結合により人間は消化不可）

Topic 2：糖質代謝の全体像（同化と異化）

糖エネルギーの取り込みと利用における代謝の双方向性

異化（Catabolism）
- 有機物を分解し、化学エネルギー（ATP）を取り出す経路
- 糖質における主経路：解糖系 $\rightarrow$ ピルビン酸脱水素酵素反応 $\rightarrow$ TCAサイクル $\rightarrow$ 電子伝達系
同化（Anabolism）
- エネルギーを消費して、生体物質を合成する経路
- 糖質における主経路：グリコーゲン合成、糖新生（アミノ酸や乳酸からグルコースを再生）
ATP（アデノシン三リン酸）
- 生体の「エネルギー通貨」
- 高エネルギーリン酸結合の加水分解により自由エネルギーを放出して生体反応を駆動する

Topic 3：解糖系（Glycolysis）の主要プロセスと律速段階

細胞質において酸素を必要とせずに行われるグルコース初期分解経路

解糖系の目的と収支
- グルコース（C6）1分子をピルビン酸（C3）2分子に分解する
- 収支：2 ATPの投資に対し、4 ATPと2 NADHを回収（差し引き 2 ATP と 2 NADH の純増）
3大律速酵素と制御因子
1. ヘキソキナーゼ / グルコキナーゼ（HK/GK）：グルコースの細胞内トラップ（G6P化）
2. ホスホフルクトキナーゼ-1（PFK-1）：最も重要な第一律速段階（AMP、フルクトース-2,6-ビスリン酸（F2,6BP）で強力に活性化、ATP、クエン酸で阻害）
3. ピルビン酸キナーゼ（PK）：最後のATP生成段階（F1,6BPで活性化、ATPで阻害）
嫌気的条件下での乳酸発酵
- 酸素欠乏時（急激な運動など）、電子伝達系が停止しNADHが蓄積する
- 対策：乳酸脱水素酵素（LDH）がピルビン酸を乳酸へ還元すると同時に、NADHをNAD⁺へ酸化再生して解糖系を継続させる

Topic 4：ピルビン酸脱水素酵素（PDH）複合体とビタミンB1の臨床

解糖系からTCAサイクルへの架け橋となるミトコンドリア移行反応

ピルビン酸のミトコンドリア移行とPDH反応
- 細胞質で生成されたピルビン酸がミトコンドリアマトリックスへ輸送される
- 反応：ピルビン酸（C3） $+$ CoA $+$ NAD⁺ $\rightarrow$ アセチルCoA（C2） $+$ CO₂ $+$ NADH
- 不可逆反応であり、糖質から脂質合成への一方向ルートを決定づける
PDH複合体を支える5つの補酵素
- チアミンピロリン酸（TPP）：ビタミンB1由来
- FAD：ビタミンB2由来
- NAD⁺：ナイアシン由来
- CoA：パントテン酸由来
- リポ酸（Lipoic acid）
ビタミンB1（チアミン）欠乏の臨床リスク
- TPPの欠乏 $\rightarrow$ PDH複合体活性低下 $\rightarrow$ ピルビン酸からアセチルCoAへの変換障害
- 結果：好気的代謝（TCAサイクル）の停止、代替回路としての乳酸産生急増（乳酸アシドーシス）
- 代表疾患：脚気（末梢神経障害・心不全）、ウェルニッケ・コルサコフ症候群（眼球運動障害・意識障害・健忘）

Topic 5：TCAサイクル（クエン酸回路）の全貌とエネルギー収支

ミトコンドリアマトリックスで行われる好気的酸化環状経路

TCAサイクルの役割
- アセチルCoAのアセチル基（2C）を完全にCO₂へ酸化分解し、水素（H）を取り出して高エネルギー電子搬送体（NADH, FADH₂）に移す
反応プロセスと循環
- アセチルCoA（2C）＋オキサロ酢酸（4C） $\rightarrow$ クエン酸（6C）
- クエン酸 $\rightarrow$ イソクエン酸 $\rightarrow$ α-ケトグルタル酸 $\rightarrow$ コハク酸 $\rightarrow$ フマル酸 $\rightarrow$ リンゴ酸 $\rightarrow$ オキサロ酢酸へと循環する
主要な律速酵素
- イソクエン酸脱水素酵素（IDH）、α-ケトグルタル酸脱水素酵素複合体
アセチルCoA 1分子あたりのエネルギー収支
- 3 NADH
- 1 FADH₂
- 1 GTP（ATPに等価）
- 2 CO₂ （排泄ガスとして放出）

Topic 6：電子伝達系への接続とATP総収支の真実

水素が電気的エネルギーへ変換され大量のATPを合成する最終段階

電子伝達系（Respiratory Chain）と酸化的リン酸化の仕組み
- ミトコンドリア内膜の複合体Ⅰ〜Ⅳに、NADHおよびFADH₂から高エネルギー電子が渡される
- 電子が伝達される際のエネルギーを用いて、マトリックスから膜間腔へプロトン（H⁺）を汲み出す
- 膜内外に生じたプロトン濃度勾配（プロトン駆動カ）を動力源として、ATP合成酵素（複合体Ⅴ）が回転し、ADPと無機リン酸からATPを合成する
グルコース1分子あたりのATP理論的総収支
- 解糖系：2 ATP ＋ 2 NADH（ $\rightarrow$ 3 or 5 ATP ※シャトルによる）
- ピルビン酸脱水素酵素反応：2 NADH（ $\rightarrow$ 5 ATP）
- TCAサイクル：2 GTP ＋ 6 NADH（ $\rightarrow$ 15 ATP）＋ 2 FADH₂（ $\rightarrow$ 3 ATP）
- 理論上の総計：グルコース1分子から 30〜32 ATP が産生される（嫌気的解糖系（2 ATP）に比べて圧倒的に高効率）

確認クイズ

スクロース、ラクトース、マルトースの3つの二糖類をそれぞれ加水分解した際に得られる単糖の組み合わせを答えよ
解糖系における「最も重要な律速酵素」の名称と、それを強力にアロステリック活性化する分子を1つ挙げよ
急激な運動時などの嫌気的条件下において、なぜ細胞内でピルビン酸から乳酸への還元反応が必要とされるのか、NADHとNAD⁺の関係を含めて説明せよ
ピルビン酸脱水素酵素（PDH）複合体の活性が著しく低下する原因となるビタミン欠乏症の名称と、その際に血中で蓄積してアシドーシスを引き起こす代謝物質の名称を答えよ
アセチルCoA 1分子がTCAサイクルを1回転する過程で、直接回収されるNADH、FADH₂、GTP（ATP等価物）の分子数をそれぞれ答えよ
ミトコンドリアにおける酸化的リン酸化において、ATP合成酵素がATPを合成するための直接的な動力源（駆動力）となる状態変化について説明せよ

参考文献

Nelson DL, Cox MM. Lehninger Principles of Biochemistry. 8th ed. W.H. Freeman; 2021
Stryer L. Biochemistry. 9th ed. W.H. Freeman; 2019
Berg JM, et al. Biochemistry. 8th ed. W.H. Freeman; 2015

Chapter 005 | Last updated: 2026-06-02 | 医スク学術体系「基礎栄養学」

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