ミトコンドリアとエネルギー代謝。人はミトコンドリアに生かされている?

Pixabayより

さて、僕たちは今日も、今も、意識するしないに関わらず呼吸を繰り返しています。生きている限り呼吸は続く、いや、呼吸が続くから生きている。

呼吸とは何のためでしょうか。酸素を取り入れて、二酸化炭素を排出するため。呼吸を止めると苦しい。それは酸素が行き届かないから。では、なぜ酸素がないと苦しいのか。

それは酸素がないと僕たちの体に必要なエネルギーを作り出すことができないからです。そしてそのエネルギーは僕たちの細胞内のミトコンドリアによって作られています。

彼らミトコンドリアがいなければ僕たちはたちまちエネルギーを失って機能停止してしまうわけですから、僕たちはミトコンドリアに栄養と酸素を供給し続けます。エネルギーを作ってもらうためにミトコンドリアを養っているわけです。

共生といえば聞こえが良いですが、もはや主従関係がどちらにあるか分かりません。ミトコンドリアを養うということと、僕たちが生きるということはもはや同義です。言い方を変えれば僕たちはミトコンドリアに生かされている。そう言っても言い過ぎでしょうか?

哲学や宗教が追い求めた「生きる意味」がミトコンドリアを養うに他ならないとならば、これはミトコンドリアの基礎を知らないわけにはいかないのではないでしょうか?

※科学の話なのに画像がありません。読み物として楽しんで頂ければ!

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ミトコンドリアはもともと一種のバクテリアだった

地球に初めて酸素が出現を始めたのは23億年前のことと言われており、それまで地球に存在した生き物は無酸素で生活していました。

僕たちの常識から考えると酸素なしで生きるなんて考えられませんが、そもそも酸素は細胞を文字通り「酸化」させ、金属なんかはそれによって錆びさせてしまう、とても危険な物質であるわけです。火を近づければ爆発もしますし。

そんな中、酸素を使ってエネルギーを作り出せる好気性のバクテリアが誕生し、そうでない嫌気性バクテリアたちと共生を始めました。その好気性のバクテリアがミトコンドリアの起源と考えられています。それが16億年前のこと。

今や、ミトコンドリアは酸素を使ってエネルギーを作るほぼ全ての真核細胞に存在しています。すなわち、人間を含めた哺乳類はもちろん、鳥類、哺乳類、爬虫類、植物の細胞のなかに厳然と息づいているわけです。

もはや世界を支配しているのはミトコンドリアなのかもしれません。

人一人あたり約2兆のミトコンドリアが住んでいる

エネルギー代謝の多い臓器ほどミトコンドリアの量は多く、人の細胞一つあたり100〜3000、平均して300-400のミトコンドリアが存在しています。

人一人の細胞の数は約60億個と言われていますから、上記の平均値をかけると約1.8兆〜2.4兆のミトコンドリアが体内にいることになります。

そんなミトコンドリアはその細胞内の核とは違うDNAを持っていると言いますから、まさに体内に生息すると言っても良い。実際にはミトコンドリアDNAの大部分を核DNAに組み込んで共生という形を取っておるのですが。

その上、腸の中には腸内細菌が1000兆もいるわけで、僕たちは人間のエゴや、個性、実態、存在というものがいかに曖昧なものかということが良く分かります。

仏教では諸行無常・諸法無我と言います。

全てのものは絶えず変化します。滅しないものはありません。細胞は新陳代謝を繰り返し常に新しいものと入れ替わっています。宮沢賢治に言わせれば「明滅」しています。諸行無常です。

人間は二本の足で自力で生きていると思いきや、他者の存在はもちろん、体内においても実際はミトコンドリアなどの助けを借りずには生きて行くことはできません。「私」だけでは生きていけません。何事も縁起で回っています。諸法無我であります。

これは生態系にも似ていて、そこに生息する全ての要素が、意識も意図もすることなくお互いを陰に日向に助け合いながら、知らずして完璧に機能しているという状態。言い換えれば野性ということ。僕たちの体には計り知れない野性が潜んでいるというわけです。

自分のために生きることが、ミトコンドリアの為になる。そしてミトコンドリアによって良い生き方をすれば、僕たちはその恩恵を受けられる。もはやミトコンドリアの為に生きることが、僕たちのより良い生活を保証するといってもいいのかもしれません。まさに生態系の保護です。それを僕は野性の保護と呼びたい。

野性について興味があればこちらへ。少し長いですが。

自然(Nature)と野性(Wild)の定義を再確認する。野性を取り戻すということ。

生きるために必要なエネルギー『ATP』

エネルギー代謝の話をする前に、作り出すエネルギーそのものの話をしましょう。

僕たちは三大栄養素を言われる「糖質」「タンパク質」「脂質」を食事から摂取していて、それらはそれぞれ、4kcal、4kcal、9kcalというカロリーを持っておりますが、そのままでは体内で利用することはできませんから代謝して別の形にする必要があります。

それがATPです。

ATP=アデノシン三リン酸=アデニン+リボース+P+P+P(リン酸)

苦手な人はこれを見ただけでお手上げなのかもしれませんが、重要なのは最後の「リン酸(P)」です。このリン酸が離れるときに発生したエネルギーを僕たちは使っているのです。そしてATPはリン酸が一つ外れてADPになります。

ADP=アデノシン二リン酸=アデニン+リボース+P+P

ATPは合成されてからものの1分以内に消費されてしまうため、体内では休むことなくATPが製造され続けます。ADPは再びATPに再利用され工場の手を休まることを知りません。生きている限り続くのです。

なにしろ人はじっとしているだけでも体温の保持や心臓の鼓動、血液循環、細胞の代謝などと忙しいわけで、常に燃料を供給しなければならないからです。

ミトコンドリアなしの嫌気的エネルギー代謝『解糖系』

そんなATPですが、実はミトコンドリアなしでもできます。無酸素でのエネルギー代謝です。酸素がなければミトコンドリアはエネルギーを作り出せません。ミトコンドリアの支配を逃れたい人には朗報かもしれませんが、きっと後悔することになるでしょう。

それが解糖系と言われる代謝で、グルコース(ブドウ糖)を分解してATPを作り出します。

食べた糖質は消化器官を通過する過程でグルコースに分解され、小腸の血管より吸収されます。

グルコース1分子は細胞内の流動部分である細胞質基質(細胞質ゾル)に運ばれてピルビン酸2分子とATP2分子、そして脱水素酵素の補酵素として機能する電子伝達体であるNADH2分子に変換されます。これは生産された水素を吸収し、運搬する役目を担っています。

1グルコース=2ATP+2ピルビン酸+2NADH

正確には2ATPを消費して4ATPを作ったので、4−2=2ATPなのですが。

ここまでの工程においては、酸素を必要とせず、二酸化炭素の排出もありません。そして無酸素、すなわちミトコンドリアの力を借りることもなくエネルギーを作ることができました。これだけで生きられたらもはや地球を脱出して、他の惑星に移住するのも無理ないかもしれませんが、これだけではATPが足りません。

NADHは有酸素下においてエネルギー代謝の最終過程である電子伝達系までたどり着けば、その吸収した水素を使ってさらに多くのATPの生産に寄与できるのです。

また、解糖系で合成したピルビン酸は酸素があればミトコンドリア内でさらなるATPを生み出していくのですが、無酸素状態では「乳酸」になってしまいます。

以前はその蓄積によって体内が酸性に傾き筋肉疲労の原因として忌み嫌われた乳酸ですが、現在は反証が示されており、筋肉疲労への因果関係はないと言われています。

当の乳酸自体は肝臓に運ばれて再びグルコースになるのですが、その過程でATPを6分子も消費します。せっかく2分子のATPを解糖系で作ったのに、これではATPの合計はマイナス4分子です。

こんな効率の悪いことがなぜ行われるかというと、一つは赤血球のようにミトコンドリアを有しない細胞のためのエネルギー代謝であるということ、もう一つは解糖系の方がこの後説明するミトコンドリア代謝のクエン酸回路〜電子伝達系よりもATPの生成が100倍ほど早いということです。

ATPを瞬時にたくさん必要になるのは全力ダッシュなどの無酸素運動をする時。遥か昔の感覚で言えば、肉食動物に追われて危機一髪の時です。

そんな危機一髪の時のために、限られた血中のグルコースと、肝臓や筋肉に貯蔵しておいたグリコーゲンをグルコースに変換して、一気に使用するわけです。グルコースは血中に一度にたくさんあると危険(糖尿病!)ですから量が限られていますので、全力ダッシュは長く持ちません。

なるほど、短距離走に適した筋肉である白筋(速筋)はミトコンドリアをほとんど持たず、解糖系を使ってエネルギー生産をしますが、長距離走に向いた赤筋(遅筋)はミトコンドリアを多く持っているのです。それではミトコンドリアでのエネルギー代謝に話を移します。

ミトコンドリアでの好気的エネルギー代謝『クエン酸回路』

さて、先ほどの解糖系で作られたピルビン酸は好気的条件すなわち酸素があればミトコンドリアマトリックスに運ばれてもっと多くのATPを作り出すことができるのです。

それがクエン酸回路です。

まずはピルビン酸をアセチルCoAに代謝することでクエン酸回路に組み込めるようにします。

2ピルビン酸 + 2NAD+ + 2CoA → 2アセチルCoA + 2NADH + 2CO2

解糖系でも登場した脱水素酵素NADHがここでも1つできてますね!繰り返しますがこれは後述する電子伝達系で利用されてATPを作ります。

アセチルCoAはオキサロ酢酸と反応してクエン酸になり、

クエン酸、イソクエン酸、α-ケトグルタル酸、コハク酸、フマル酸、リンゴ酸、そしてオキサロ酢酸…

クエン酸、イソクエン酸、α-ケトグルタル酸、コハク酸、フマル酸、リンゴ酸、そしてオキサロ酢酸…

とグルグルと反応を続けることからクエン酸回路と呼ばれていて、ここでピルビン酸2分子からATP2分子を合成することができます。

因みにアセチルCoAを合成する際と、クエン酸回路の過程において二酸化炭素が合成されますが、これが呼気によって体外に排出される二酸化炭素です。

上記の過程をかなり省略して、小難しいところを取り除くと以下のようになります。

2ピルビン酸 → 2アセチルCoA → 2ATP + 6NADH + 2FADH2

そのとき合成された水素はまたしても補酵素に吸収されてNADH、そしてFADH2という電子伝達体になります。

そしてこの電子伝達体に吸収された水素が次の工程、電子伝達系(呼吸鎖)によって莫大なATPを生み出します。クエン酸回路でも解糖系と同じく2分子のATPしか得られないと心配になった方はこれで一安心です。

ミトコンドリアでの好気的エネルギー代謝2『電子伝達系(呼吸鎖)』

エネルギー代謝の最終工程が、電子伝達系(呼吸鎖)です。

場所をミトコンドリアマトリックス(内部)から、ミトコンドリアの内膜へと移動します。

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ここまでの反応でできた電子伝達体NADHとFADH2によって運ばれた水素が酵素の働きによって引き抜かれ、さらには水素イオンと電子に引き離されます。

水素イオンはプラスの電荷
電子はマイナスの電荷

を持っているわけですが、この水素イオンのみミトコンドリアマトリックスから、ミトコンドリアの膜間腔(まくかんくう=内膜と外膜の間)へと移動して行きます。

すると

膜間腔では水素イオンが増えて酸性になりプラスの電荷
マトリックスでは電子が残されてアルカリ性になりマイナスの電荷

が溜まっていくことになります。

この膜間腔とマトリックスを隔てるミトコンドリアの内膜はどんな高電圧でも放電しない、ものすごい優秀な絶縁体となっており、その前後にプラスとマイナスの電荷がかかることで巨大な電気エネルギーを蓄積できるのです。

この反応が電子伝達系と呼ばれているのは、酵素によって引き抜いた水素電子が、複合体I~IVと呼ばれる巨大な分子上をCoQ(コエンザイムQ10)やシトクロムcの助けを借りながら順々にリレーされるから。その過程で膜間腔に水素イオンを送り込みます。

運ばれていった電子は最終的に酸素に吸収されて水となります。ここでやっと登場する酸素が、僕たちが日頃ありがたく吸わせていただいている酸素なのです。

一酸化炭素中毒はこの電子伝達系を阻害して、酸素と電子の反応を阻害するから呼吸困難を引き起こすのです。

おっと問題のATPがまだ合成されていない。

電気エネルギーから化学エネルギーへ

ミトコンドリアマトリックスの水素電子と膜間腔の水素イオンの間の濃度勾配によって大量の電気エネルギーが生産されるのですが、このままでは僕たちの体内で使える状態ではありませんから、変換しないといけません。

ミトコンドリアの内膜にはATP合成酵素があり、膜間腔に突き出しているF0とマトリックスに大きく飛び出したF1で構成されています。

膜間腔に溜まった水素イオンは濃度勾配を解消するためにATP合成酵素のF0からF1部分に向かって通過します。そのときにADPにリン酸が結合されてATPが製造されるのです。

興味深いことは、ATP合成酵素のF1部分は水素イオンの通過に伴って回転することによってADPからATPを製造していること。つまり、

膜間腔とマトリックスの水素イオンの濃度勾配によって生まれた電気エネルギーは、ATP合成酵素のF1部分の回転エネルギーへと変換されて、そこからATPという化学エネルギーに変換しているのです。

しかもエネルギーを変換すると発電ロスが生じるというのが人間が作った発電所での常識ですが、ミトコンドリアのエネルギー変換効率はほぼ100%だとか。

そして出来上がるのが34分子のATPです。後述しますが、このATP総量は電子伝達体であるNADHとFADH2の数から割り出せます。

解糖系で2分子のATP
クエン酸回路で2分子のATP
そして、電子伝達系の34分子のATP

全て合わせると1分子のグルコースから38分子のATPを合成することができるわけです。

無酸素では解糖系のみで2分子のATPのみだったのが、
有酸素条件下では解糖系、クエン酸回路、電子伝達系をフル回転させて38分子のATPができるわけですから、その差は19倍にも及びます。そしてそれを可能にしているのが他ならぬミトコンドリアなわけですから彼らに足を向けて寝ることはできません。

NADHとFADH2からATP生産量を考える

解糖系から、アセチルCoAの合成、そしてクエン酸回路までを通じて登場したNADHとFADH2ですが、これらの総量から合成するATPの量を計算出来ます。

むしろ、脂質代謝でもアセチルCoAを合成して同様にクエン酸回路に入るのですが、糖質代謝とはNADHとFADH2の生産量が違いますから、電子伝達系で生み出されるATP量が違ってきます。

話は戻ってNADHとFADH2をATPに換算すると

NADH → 3ATP
FADH2 → 2ATP

ただこれは電子伝達系までたどり着いた結果ですね。無酸素条件下であれば最後の電子伝達系までたどり着けないわけですから、解糖系でNADHが作られたとしてもATPを作り出せません。

各過程で生産されたNADAとFADH2をおさらいしますと

解糖系で2NADH
ピルビン酸からアセチルCoAを合成するときに2NADH
クエン酸回路で6NADHと2FADH2

合計すると
10NADH+2FADH2

NADH=3ATP、FADH2=2ATPに置き換えると

30+4=34

となり、先ほど説明した電子伝達系でのATP総量と一致しますね。そこに解糖系とクエン酸回路で生成されたATPを足すと合計が38ATPとなります。

1分子のグルコースから生産されるATPは36?それとも38分子?

因みに解糖系で生産された2つのNADHは

肝臓、腎臓、心筋ではそのままミトコンドリア内でATPに生成されますが、
骨格筋、脳の場合では、FADH2に変換されてしまいます。

すなわち2NADHが2FADH2になるので、6ATPが4ATPになるのです。

つまり、どこでエネルギー代謝が行われるかによってグルコースから生み出されるATPの総量は36か38分子となるわけです。

それとも30?or32分子?

NADHを2.5ATP
FADH2を1.5ATP

とする考え方もありますので、その場合は

グルコース1分子から生まれれるATPの総量は30か32分子となります。

まだ糖質の話しかしていない。脂質は?タンパク質は?

これがATPの基本的な生産過程なのですが、これではグルコースすなわち糖質を燃料にした発電方法しか説明できていないことになります。三大栄養素の話はしたのに、残りの脂質とタンパク質の代謝の話ができていません。

これでは原発のみ説明して、他の発電方法を説明しないようなもの(に思えてきます)。

原子力が最も効率良い発電方法だと喧伝された様は糖質によるエネルギーに似ているかもしれません。再生可能エネルギーなどの代替発電を世界中が模索している現在と、糖質制限食が一斉を風靡したこともまた似ているのではないでしょうか。

原子力については最終的にはなくなってほしいですが、糖質を全く食べるなとは僕は思いません。ただ、もっと減らしたほうが良いと思います。厚生労働省が勧めるように食事の60%を糖質にすべきという基準はやりすぎです。

糖質を摂って血糖値(血中のグルコース)が上がると、それを下げるためにインスリンを分泌して解糖系を促します。そしてその血糖値が下がるときにインスリンは「空腹ですよ」という信号を出すのです。

甘いものをたくさん摂って、インスリンがたくさん出て、血糖値の乱高下が起きるとさっき食べたばかりなのに、また空腹感に襲われます。あんなに食べたはずなのに。

もはやお腹が空いているのか、頭が空いているのか分からない。

体内にグリコーゲンという形で蓄積できるグルコースは精々1000kcal。個人差はありますが、成人ですと一日2000kcalは必要と考えますと、糖質などすぐになくなってしまいます。かといって取りすぎれば、中性脂肪になって体内に保存されます。糖は体内では危険物質でもあるので、すぐ使うか、別の形にする必要があります。

あたりを見渡せば日本中にコンビニと自動販売機があります。ものすごいシンプルに言うと、その二つが売っているのは糖質です。そこに中毒患者が集まっている。。。

一方、脂質のストックは10万kcal以上もあります。そして血糖値の乱高下によって、一日中空腹感に追い回されることもありません。渡り鳥は脂肪のエネルギーを使って大陸間を移動しているのです。

すらっとした体格なのによく食べる人を

やせの大食い、とか
燃費が悪い、などと言うことがありますが、

昔の僕はだいぶそんな感じでした。もちろんよく動いてもいたので消費も多かったのですが、やはり糖質に追い立てられて、山盛りご飯を何杯も食べていました。

さて、このまま脂質やタンパク質の話に入ってしまうと、文字量が膨大になってしまいますので、続きは次回以降に持ち越したいと思います。(まだ書けてませんすいません!)

参考書籍・サイト

解糖系について分かりやすく説明してみた

グルコースが完全酸化される際のATP生成量の収支について解説してみた!

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百姓2.0/自給リスト(自足に限らず);野菜、米、塩、味噌、建築、トイレ、経済、国家、獣肉(拾い物)、書籍、映像、音楽 etc /自著『旅をふりかえる旅』https://amzn.to/2Wb1mNs、『下らない生き方』https://amzn.to/2ZEjgKf /
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ミトコンドリアとエネルギー代謝。人はミトコンドリアに生かされている?” に 2 件のコメント

  1. 夢を追っている若き71歳です。昔からミトコンドリアこそエイリアンであり神だと信じています。その後ニビルからやってきたアヌンナキが人類を造った。ということにしませんと話がつながりません。
    先生、ヨーグルトは毎日食べていますか?腸内善玉菌を優勢にすれば気分もすっきり健康になるとのこと生きた乳酸菌や善玉菌への餌で優勢になれますか?戦略的には同時に悪玉菌の増殖を止めたり殺したりした方が早く善玉菌が優勢になれると思うのですが!

    1. コメントありがとうございます。僕は腸内細菌はバランスがすべてだと思っております。そして人それぞれ腸内細菌の構成が違うので、特定の食べ物がすべての人の健康に寄与するわけではないと自らの体を通しても実感しています。僕は現在乳製品は基本食べませんが、一時期はよく豆乳から自作したヨーグルトを食べていました。これが僕には合っていて、豆腐や豆乳では体は冷えますが、豆乳ヨーグルトは大丈夫なんです。これは発酵によって大豆タンパクが消化のしやすい形に分解されているからだと思っています。ちなみに昔はミルクのヨーグルトをよく食べていましたが、朝食に欠かさず食べているときに体調を崩して、やめると改善して以来、ほとんど食べていません。インドのようにヨーグルトをよく食べる国も、夏の暑い時間帯などに体を冷やす目的もあって食しています(ラッシーなど)。その意味では、特に朝や、冬季などのヨーグルの摂取は注意すべきかもれません。しかし個人の体調に不具合が生じなければその限りではないと思います。

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