糖新生の反応の流れを図を多用してわかりやすく、詳しく解説しています(2/2)

本記事では、糖新生の反応の流れを、各材料別(アミノ酸、グリセリン(グリセロール)、乳酸)に、図を多用してわかりやすく説明しています。

1.糖新生の大まかな反応の流れ

上の図のオレンジ色の矢印は、糖新生の反応の大きな流れを描いています。

注意

ただ、糖新生の材料(アミノ酸、乳酸、グリセロール)によって、糖新生の経路は異なります。

しかし、糖新生の大まかな流れは上の図で示したオレンジ色の矢印の経路という認識で問題ありません。

ちなみに、糖新生の意味は以下のとおりです。

糖新生とは
グルコース以外の物質(アミノ酸、乳酸、グリセロール)からグルコースをつくる仕組みのことを糖新生といいます。

参考:生化学―人体の構造と機能〈2〉 (系統看護学講座 専門基礎分野)

ざっくりといえば、糖新生は糖質以外のものからグルコースを合成するために、解糖系を逆行する経路です。

糖新生の概要については下記の記事に書いています。

糖新生とはなに?できるだけ簡単にわかりやすい説明をしています(1/2)

2018年11月6日

ただし、先ほど解糖系の逆行という風に説明しましたが、単純に逆行できない箇所が3カ所ありまして、一部迂回路をとおったり、解糖系のときとは違う酵素を使います。

ちなみに、逆行できない解糖系の経路は以下の3カ所です(下の図とあわせてご覧ください)。

解糖系において逆行できない3カ所
  • ⑩ピルビン酸 → ⑨ホスホエノールピルビン酸
    (糖新生のときは、「ピルビン酸→オキサロ酢酸→リンゴ酸→オキサロ酢酸→ホスホエノールピルビン酸」という迂回路をとおります。)
  • ④フルクトース-1、6-ビスリン酸 → ③フルクトース-6-リン酸
    (③→④の解糖系のときは、「ホスホフルクトキナーゼ」という酵素を使います。)
    (④→③の糖新生のときは、「フルクトース-1,6-ビスホスファターゼ」という酵素を使います。)
  • ②グルコース-6-リン酸 → ①グルコース
    (①→②の解糖系のときは、「ヘキソナーゼ」という酵素を使います。)
    (②→①の糖新生のときは、「グルコース-6-ホスファターゼ」という酵素を使います。)

解糖系の反応

それでは、糖新生の反応の大きな流れである「ピルビン酸」から「グルコース」に至るまでの経路を1つ1つみていきます。

解糖系とはなに?できるだけわかりやすく簡単に説明をしています

2018年7月15日

1.1.ピルビン酸→オキサロ酢酸

糖新生の起点であるピルビン酸は、一部のアミノ酸や乳酸からつくられます。

  • アミノ酸は、主に筋肉のたんぱく質の分解によってつくられます。
  • 乳酸は、赤血球や嫌気的状態の筋肉などでグルコースの解糖によってつくられます。
しかし、解糖系の「⑨ホスホエノールピルビン酸→⑩ピルビン酸」への反応は不可逆であるため、逆行することができません。
ですので迂回路をとおる必要があります。
(下の図のオレンジ色の矢印が迂回路です。)

その第一段階目の反応が、「ピルビン酸→オキサロ酢酸」になる反応です。

ピルビン酸はミトコンドリアの中に入り、オキサロ酢酸に変えられます。

1.2.オキサロ酢酸→リンゴ酸

先ほどの反応で、ピルビン酸がオキサロ酢酸に変換されました。

しかしオキサロ酢酸の状態では、ミトコンドリアの外に出ることができません。

ですので、いったんリンゴ酸に変換してからミトコンドリアの外に出ます。

そのための第二段階目の反応が、「オキサロ酢酸→リンゴ酸」になる反応です。

1.3.リンゴ酸→オキサロ酢酸

ミトコンドリアの外に出たリンゴ酸は、オキサロ酢酸に戻されます。

これが第三段階目の反応で、「リンゴ酸→オキサロ酢酸」になる反応です。

1.4.オキサロ酢酸→ホスホエノールピルビン酸

ここまできてようやくピルビン酸は、本来の目的であるホスホエノールピルビン酸となります。

これが第四段階目の反応で、「オキサロ酢酸→ホスホエノールピルビン酸」になる反応です。

上の図をみてもらうとわかりやすいですが、解糖系の

⑩ピルビン酸 → ⑨ホスホエノールピルビン酸 ←逆行できない経路

と、解糖系を逆行するすることができないがために、ずいぶん遠回りをするハメになってしまいました。
(オレンジ色の矢印が迂回路です。)

1.5.解糖系の逆行

ホスホエノールピルビン酸まで到達したら、後は単純で、解糖系の逆をそのまま順当に登っていくだけです。

ただし、注意点が1つだけありまして、

冒頭のほうでも説明したように、解糖系において単純に逆行できない箇所が3カ所あると説明させていただきました。

解糖系において逆行できない反応
  • ⑩ピルビン酸 → ⑨ホスホエノールピルビン酸
に関しては、迂回路をとおることでこの問題を解決しました。

しかし残り以下の2カ所、逆行できない所があります。

解糖系において逆行できない反応
  • ④フルクトース-1、6-ビスリン酸 → ③フルクトース-6-リン酸
  • ②グルコース-6-リン酸 → ①グルコース
ただし上記2つの場合、わざわざ面倒な迂回路を通る必要がなく、解糖系とは違った酵素によって反応を進めることができます。

補足:解糖系のときと違う酵素によって解糖系を逆行します
・「④フルクトース-1、6-ビスリン酸 → ③フルクトース-6-リン酸」の反応は、「フルクトース-1、6-ビスホスファターゼ」という酵素によって反応が起きます。

・「②グルコース-6-リン酸 → ①グルコース」の反応は、「グルコース-6-ホスファターゼ」という酵素によって反応が起きます。

ちなみに、糖新生がおこなわれる肝臓と腎臓において、「グルコース-6-ホスファターゼ」という酵素の活性が強いです。

以上が、ピルビン酸からグルコースをつくる糖新生の大まかな反応の流れです。

これからは、個別に糖新生の材料が、どの地点から糖新生の経路に合流していくのかをみていきます。

2.糖新生の材料

糖新生の概要

糖新生の概要

そのまえにまず、糖新生の材料となる物質について紹介します。

糖新生の材料となる物質
  • アミノ酸
  • 乳酸
  • グリセロール(グリセリン)

これらの材料は血中に放出されて肝臓に運ばれた後、糖新生がおこなわれます。

この中で、糖新生の材料としてもっともよく使われてるのが「アミノ酸」です。
(糖新生の90%はアミノ酸が使われています。)

そして、それぞれの材料が糖新生に至るまでの過程は以下のようになります(上の図もあわせてご覧ください)。

  1. 筋肉において
    タンパク質→アミノ酸→血中→肝臓→糖新生→グルコース→必要とする組織へ供給
  2. 脂肪組織において
    中性脂肪→グリセロール(グリセリン)→血中→肝臓→糖新生→グルコース→必要とする組織へ供給
  3. 赤血球や筋肉において
    乳酸→血中→肝臓→糖新生→グルコース→必要とする組織へ供給
ちなみに①~③の糖新生は、絶食時や糖質制限時だけでなく、日常的にわたしたちの身体でごく普通におこなわれていることです。

3.アミノ酸を材料にした糖新生の流れ

アミノ酸の基本構造

糖新生の材料になるアミノ酸は18種類で、糖新生の材料になるアミノ酸ということで、「糖源性アミノ酸」と呼ばれています。

糖源性アミノ酸(全部で18種類)

アスパラギン、アスパラギン酸、アラニン、アルギニン、イソロイシン、グリシン、グルタミン、グルタミン酸、システイン、スレオニン、セリン、チロシン、トリプトファン、バリン、ヒスチジン、フェニルアラニン、プロリン、メチオニン

3.1.アラニン、セリン、グリシン、システイン、トリプトファン

アラニンは、ピルビン酸にアミノ基をつけたものです。

ですので、アラニンからアミノ基を取り外してピルビン酸になります。

その他、セリン、グリシン、システイン、トリプトファンらもピルビン酸へと変えられます。

ピルビン酸は、リンゴ酸経由でホスホエノールピルビン酸になり、解糖系を逆行していきます。

3.2.アスパラギン酸、アスパラギン

アスパラギン酸とアスパラギンは、アミノ基をとればそのままオキサロ酢酸になります。

オキサロ酢酸は、リンゴ酸経由でホスホエノールピルビン酸になり、解糖系を逆行していきます。

3.3.グルタミン酸、グルタミン、プロリン、アルギニン、ヒスチジン

上記のアミノ酸はいずれも、α-ケトグルタル酸となりクエン酸回路に入っていきます。

そもそも、α-ケトグルタル酸にアミノ基をつけたものがグルタミン酸です。

ですので、グルタミン酸のアミノ基をとればα-ケトグルタミン酸になります。

その他のアミノ酸も、ひとまずグルタミン酸となってからα-ケトグルタミン酸へと変えられます(以下参照)。

以降はクエン酸回路を経由して解糖系を逆行していきます。

補足
・グルタミンは一段階の反応でグルタミン酸になります。
・プロリン、アルギニン、ヒスチジンは、何段階かの反応をへて、グルタミン酸となります。

3.4.バリン、スレオニン、メチオニン、イソロイシン

バリン、スレオニン、メチオニン、イソロイシンは、いくつかの段階をへて、スクシニルCoAに変えられてクエン酸回路に入っていきます。

以降はクエン酸回路を経由して解糖系を逆行していきます。

3.5.フェニルアラニン、チロシン

フェニルアラニンとチロシンはフマル酸に変えられてクエン酸回路に入っていきます。

以降はクエン酸回路を経由して解糖系を逆行していきます。

以上、肝臓に到達したそれぞれの糖源生アミノ酸は、以下の5つのいずれかの物質にかえられて、糖新生に参入していきます。

糖源生アミノ酸が糖新生へ参入するために変化する物質
  1. ピルビン酸
  2. オキサロ酢酸
  3. α-ケトグルタル酸
  4. スクシニルCoA
  5. フマル酸

これらの物質は、クエン酸回路の一部の経路を経由したりしつつ、まずは「リンゴ酸」を目指します。

そして、ミトコンドリアの外に出たリンゴ酸はオキサロ酢酸、ホスホエノールピルビン酸と順番に変化し、解糖系を逆行していきます。

4.グリセロールを材料にした糖新生の流れ

中性脂肪の構造は、上の図のとおりでして、グリセリン(グリセロール)に3つの脂肪酸がくっついています。

補足
体内にある中性脂肪のほとんどは、脂肪細胞(皮下脂肪や内臓脂肪)に存在しています。

この中性脂肪が分解すると、「グリセリン(グリセロール)」と「脂肪酸」になります。

糖新生の材料となるのは「グリセリン(グリセロール)」です。

この「グリセリン(グリセロール)」の糖新生の経路は以下のとおりです。

グリセリン(グリセロール)は、ジヒドロキシアセトンリン酸になり、解糖系を逆行してグルコースになります。

5.乳酸を材料にした糖新生の流れ

乳酸からピルビン酸がつくられます。

ピルビン酸以降の流れは、「⑩ピルビン酸 → ⑨ホスホエノールピルビン酸」という解糖系の経路を逆行することができないので、迂回路を通ります。

迂回路をとおってホスホエノールピルビン酸まで到達したら、あとは解糖系を一直線に逆行してグルコースになります。

乳酸を材料にした糖新生の反応の流れ

ピルビン酸→オキサロ酢酸→リンゴ酸→オキサロ酢酸→ホスホエノールピルビン酸→(解糖系の逆行)→グルコース

補足
乳酸からピルビン酸にするための酵素は「乳酸脱水素酵素(LD、またはLDH)」です。

以上が、糖新生の反応における、各材料の反応の流れです。

糖新生とはなに?できるだけ簡単にわかりやすい説明をしています(1/2)

2018年11月6日