生物学茶話＠渋めのダージリンはいかが７１： 解糖

１７世紀の英国の化学者ジョン・メイヨー（図１）は、密閉容器にねずみとろうそくを入れ、ろうそくを燃やすと、まずろうそくが消えて、そのあとねずみが死ぬことを発見しました。ろうそくを燃やさないと、ねずみは燃やしたときと比べてもっと永く生きられました。

ボイルがすでに燃焼には空気が必要であることを主張していましたが、メイヨーは燃焼および生命現象には、空気の成分の１部だけが必要であるとし、その要素を酸素と命名しました。彼は肺が空気から酸素をより分けて血液に供給していると考え、さらに筋肉の活動も体温維持も酸素の燃焼によって行われていると考えていました（１）。メイヨーの慧眼には恐るべきものがあります。

メイヨーの学説はほぼ１００年後に、ジョゼフ・プリーストリーとアントワーヌ・ラボアジェ（１７４３～１７９４、図１）によって再発見され、特にラボアジェは当時流布していたフロギストン説（「燃焼」はフロギストンという物質の放出の過程である）を否定し、物質と酸素が結合することが燃焼の本質であることを証明しました。彼はこのことを契機に質量保存の法則をみつけました。

ラボアジェはメイヨーの考えを正しく引き継ぎ、生命の本質とは、呼吸によって体内に取り込まれた酸素によって、体内の物質を燃焼させることであると考えました。彼の著書 "Elements of Chemistry" は英文版もあり、無料でダウンロードして読むことができます（２）。業績をわかりやすくまとめたサイトもあります（３）。

彼は炭の燃焼を研究し、その本質が炭素と酸素の結合によって二酸化炭素が発生することであることを発見しました。さらに人間の呼吸もこれと類似した現象で、体内にとりこまれた酸素が、体内の炭素と結合して炭酸になることであるとしました。図２はラボアジェと共同研究者達が人の吐く息を集めて、成分を分析する実験を行っているところです。一番右でノートをとっているのが彼の妻マリー・アンヌで、彼女は実験ノートをとるだけでなく、実験器具や実験を実施している状況を正確に絵に描いたり、実験の手伝いや英語の論文の翻訳など八面六臂の大活躍で、世界最初の女性科学者とされています（４）。

ラボアジェは徴税請負人の仕事で研究費を稼いでいました。この仕事は当然恨みを買う仕事であり、フランス革命において断罪され処刑される結果となりました。彼の名はもちろんエッフェル塔に刻まれています。

さて、ではラボアジェの酸素と結合して燃焼する生体物質とは何なのでしょうか？　この答えを得るために大きな貢献をしたのがクロード・ベルナール（１８１３～１８７８、図３）でした。彼はエネルギー源となる物質はブドウ糖であること、ブドウ糖はグリコゲンという形で肝臓に貯蔵され、グリコゲンは必要時にブドウ糖に分解されることなどを証明しました。このほかにも膵液がタンパク質や多糖類を消化する、胆汁は脂質の消化を助ける、など栄養学の基盤となるような現象を次々と解明しました（５）。ただベルナールの時代には実験動物の取り扱いが悲惨なものだったので、彼の家族は動物実験に反対してみんな出て行ってしまいました（３）。国葬までされた偉大な科学者でしたが、プライベートは寂しい人生だったようです。

クロード・ベルナールは科学哲学者でもあり、松岡正剛がまとめた彼の言葉（６）から少し引用してみました。

●　実験は客観と主観のあいだの唯一の仲介者である。
●　実験的方法とは、精神と思想の自由を宣言する科学的方法である。
●　われわれは疑念をおこすべきなのであって、懐疑的であってはならない。
●　実験的見解は完成した科学の最終仕上げである。

ベルナールの「実験医学序説」は私も学生時代に読んだ記憶があります。現在も岩波文庫で出版されているようです（７、図３）。

エネルギー源がブドウ糖であることがわかったので、次はブドウ糖がどのように代謝されてエネルギーが生み出されるのかという問題でした。この問題を解明したのはグスタフ・エムデン（１８７４～１９３３、図４）とオットー・マイヤーホフ（１８８４～１９５１、図４）でした。

エムデンとマイヤーホフは共にユダヤ人だったので、ヒトラーが台頭してからは悲惨な人生でした。エムデンはヒトラー・ユーゲントの乱入で講義を妨害され、自宅に引きこもって失意のうちに病死、マイヤーホフはフランスからピレネー山脈を越えてスペインに逃れ、さらにアメリカに亡命しました。このあたりの事情は木村光が詳細を記述しています（８）。彼の文章を読むと、マイヤーホフがアメリカに亡命できたのはまさに奇跡であったことがわかります。

エムデンとマイヤーホフと彼らの協力者達が解明したブドウ糖からピルビン酸への代謝経路を図５に示します。現代的知見では、この経路で１分子のブドウ糖の代謝によって４分子のＡＴＰが生成され、２分子のＡＴＰが消費されます。またＮＡＤＨが２分子生成されます。図５で計算が合わないと思われる方もおられるかもしれませんが、グルコース１分子からグリセルアルデヒド－３－リン酸２分子が生成されるので計算は合っています。この代謝経路は解糖におけるエムデン－マイヤーホフ経路と呼ばれています。エムデンとマイヤーホフはまさしくライバルであり、非常に仲が悪かったようです。

エムデン－マイヤーホフ経路は、多少のバリエーションはありますが、細菌・古細菌・真核生物のドメインを問わない共通の代謝経路です。酸素がなくてもＡＴＰを産生できるので、地球の大気に酸素がなかった時代から完成していたと思われます。地球の生物がひとつのファミリーであることの証左でもあります。

拡大図↓

エムデン－マイヤーホフ経路の解明だけでは、もちろんラボアジェの「酸素と結合して燃焼する生体物質」は明らかになっていません。ラボアジェに答えるためには、ＡＴＰ（アデノシン３リン酸）の発見と機能の解明、およびミトコンドリアにおけるクエン酸回路と電子伝達系の解明が必要でした。しかしそれもこれもエムデンとマイヤーホフが解明した解糖系でピルビン酸が生成されるということが出発点になっています。

ＡＴＰ（アデノシン３リン酸）を誰が発見したのかということについては杉晴夫が詳しい調査を行っています（４）。彼の結論によると、「ＡＴＰの発見者はカール・ローマンということになっており、論文出版も１ヶ月早かったのですが、これはフィスケの研究室をマイヤーホフが訪問したときに聞いた話をローマンに漏らしたせいであり、本当の発見者はサイラス・フィスケ（１８９０－１９７８）とイェラプラガダ・サバロウ（１８９６－１９４８）」 だそうです（４，９）。理系の方の多くは学生時代にフィスケ・サバロウ法でリンを定量したと思います。丸山工作はフィスケとサバロウの実験ノートを調べて、彼らが１９２７年から１９２８年にかけて、ＡＴＰを発見していたことを確認したそうです（４）。

そして松田誠によると、ＡＴＰ（アデノシン３リン酸）の分子構造を解明したのもローマンではなく、牧野堅（１９０７～１９９０、図６）だそうです（１０，１１）。これは私は全く知らなかった話で驚きました。牧野がどのような方法で解明したのかも文献（１１）に詳しく記載してあります。牧野堅は実験を行った場所こそ大連という世界的に見ればとんでもない辺境の病院でしたが、論文はドイツ語で書いてドイツの雑誌に受理されているわけですから（１０）、もっと正当に評価されるべきだったと思います。

すでに核酸のところでも出ましたが、ＡＴＰの構造を再揭します（図７）。ＡＴＰは図のように高エネルギー結合を２ヶ所に持っており、加水分解されてＡＤＰあるいはＡＭＰに代謝されると、エネルギーを放出します。狭い場所に酸素原子が５個も存在して、電気的反発で非常に居心地が悪いのに、酸素を挟んで並ぶＰとＰが中間にある酸素のローンペアを綱引きしているので、いわゆる共鳴による安定化ができないため、非常に不安定な状態にあります。両側からバネで無理矢理圧縮されているような状態なので、加水分解で解放されると激しく振動し、温度を上昇させます（４）。

またＡＴＰは図８に示したように、共役反応によって、基質Ａをより自由エネルギーの高い活性化状態に担ぎ上げることができます。この状態でＢと反応が進行し、リン酸を放出して化合物Ａ－Ｂが生成します。この場合ＡとＢと酵素を単にまぜあわせても、ＡＴＰがなければＡ－Ｂという化合物はできません。ＡＴＰを使う共役反応で、生物は必要な物質を、高分子物質すら合成することができます。ＡＴＰはこのように生合成や発熱に使われるだけでなく、筋収縮や能動輸送など生物に特異な現象に幅広く関わっています。

１９３７年ハンス・クレブス（１９００～１９８１、図９）はハト胸筋のスライスにピルビン酸とオキザロ酢酸を加えるとクエン酸が生成されることを発見しました。その頃までにコハク酸からオキザロ酢酸への経路はセント・ジェルジによって、クエン酸からα－ケトグルタル酸への経路はカール・マルチウスとフランツ・クヌープによって明らかにされていたので、この両者をつなぐことができたことで、一気にクエン酸回路の完成に近づきました（４）。彼は天才的科学者でかつ医師でしたが、ユダヤ人であったためにドイツで働くことができず、英国に移住して研究を行いました。

クレブスの実験はあくまでも細胞にピルビン酸とオキザロ酢酸を加えると、途中の経路はブラックボックスで、結果的に細胞がクエン酸を生成するというもので、反応の実体は不明でした。このブラックボックスを解明したのがフリッツ・リップマン（１８９９～１９８６、図９）でした。リップマンもユダヤ人であり、ナチスの迫害を逃れて米国で研究を行いました。彼らに限らず、２０世紀における科学の重要な進展の大部分は、ナチスに追われたユダヤ人によって成し遂げられたように思います。

解糖によって生成されたピルビン酸が、どのようにしてクエン酸回路に投入されるかという問題はリップマンによって解明されました。キーとなる因子はリップマンが発見したコエンザイムＡ（ＣｏＡ あるいは ＨＳＣｏＡ などとも表記します）でした（図１０）。まずピルビン酸はコエンザイムＡと反応してコエンザイムをアセチル化し、アセチルＣｏＡを生成します（図１０、図１１）。この反応で二酸化炭素とプロトンが発生し、二酸化炭素は肺から外界に排出されます。プロトンはミトコンドリアに蓄積されます。

次にアセチルＣｏＡはオキザロ酢酸とアセチル基を連結させてクエン酸とＨＳＣｏＡを生成します。クエン酸はクエン酸回路に投入され、ＨＳＣｏＡは再利用されるということになります。クレブスとリップマンはクエン酸回路の解明によって、１９５３年にノーベル医学・生理学賞を受賞しています（１２－１４）。

なぜコエンザイムＡのような非常に複雑な分子が、酸素存在下での生物の大発展のためのキーファクターになったのか、それは謎です。

参照

１）J.J.Beringer, 　John Mayow: Chemist and Physician.,  Journal of the Royal Institution of Cornwall. Royal Institution of Cornwall. vol.IX, pp.319-324
https://books.google.co.jp/books?id=10MBAAAAYAAJ&pg=PA319&redir_esc=y&hl=ja#v=onepage&q&f=false

２）https://archive.org/details/elementschemist00kerrgoog

３）近代化学の父：ラボアジェ
https://istudy.konan.ed.jp/renandi/materialcontents/107932/101920/2016PreLabo09.pdf

４）杉晴夫著　「栄養学を拓いた巨人たち」　講談社ブルーバックスＢ－１８１１　（２０１３）

５）F. G. Young, Claude Bernard And The Discovery Of Glycogen: A Century Of Retrospect., The British Medical Journal, Vol. 1, pp. 1431-1437  (1957)
https://www.jstor.org/stable/25382898?seq=1#page_scan_tab_contents

６）松岡正剛の千夜千冊
https://1000ya.isis.ne.jp/0175.html

７）クロード・ベルナール著、三浦岱栄訳　「実験医学序説」　岩波文庫　青９１６－１　（１９７０）

８）木村光、オットー・マイヤーホッフのヒトラーとナチスからの逃脱－ピレネー越えの真相　化学と生物　ｖｏｌ． ５３ （１１）,　ｐｐ.７９２－７９６ （２０１５）
https://katosei.jsbba.or.jp/view_html.php?aid=478

９）Fiske CH, Subbarow Y.,  Phosphorus compounds of muscle and liver. Science 1929, vo. 70, pp. 381-382 (1929)

１０）Makino K., Ueber die Konstitution der Adenosin-Triphosphorsaeure. Biochem Z. vol. 278, pp. 161-163 (1935)

１１）松田誠　牧野堅によるＡＴＰ構造解明　慈恵医大誌　vol. 125, pp. 239-248 (2010)
http://ir.jikei.ac.jp/bitstream/10328/6505/1/125-6-239.pdf

１２）Award Ceremony Speech.
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1953/press.html

１３）Hans Krebs: Nobel lecture, The citric acid cycle.
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1953/krebs-lecture.pdf

１４）Marc A. Shampo and Robert A. Kyle., Fritz Lipmann—Nobel Prize in Discovery of Coenzyme A. Mayo Clinic Proceedings, Volume 75, Issue 1,  Page 30
http://www.mayoclinicproceedings.org/article/S0025-6196(11)64252-3/pdf

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Marc A. Shampo

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Robert A. Kyle

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生物学茶話＠渋めのダージリンはいかが７０： ステロイド

ステロイドというと一般的には炎症を抑えるために処方されるコルチゾール系の薬品を意味しますが、学術的にはもっと幅広く、性ホルモン・胆汁酸・コレステロールなども含みます。

ステロイドという生体物質は、脂肪酸や油脂とは全く異なり、図１に示されるような風変わりな基本構造（ステロイド骨格）を持っています。この基本構造はＡ，Ｂ，Ｃという３つの６員環とＤというひとつの５員環からなり、通常３の位置がヒドロキシル化（－ＯＨ）またはカルボニル化（＝Ｏ）されています。また１０と１３の位置はメチル化、１７の位置はアルキル化されています。アルキル化というのはＣＨ３、ＣＨ２ＣＨ３、ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３、・・・　などＣｎＨ２ｎ＋１が結合するという意味です。

ステロイド骨格そのものは脂溶性で水に不溶ですが、ヒドロキシル化されていると多少水に溶ける場合があります。１７位に結合しているアルキル基がヒドロキシル化されることもあります。

ステロイドはほとんどの真核生物の体内で生合成され、細胞膜の重要な構成成分となっているほか、胆汁に含まれる胆汁酸やホルモン類（性ホルモン・副腎皮質ホルモンや昆虫の変態ホルモンなど）として、幅広く利用されています。ただしステロイドは真核生物だけに合成能力があり、細菌や古細菌にはみられません。したがって例えば化石にステロイドが含まれていれば真核生物と示唆されます（もちろん現生生物による汚染の問題は常に考慮されなければなりません（１））。

話は変わりますが、多くの硬骨魚類は鰾（うきぶくろ）を持っていますが、サメなどの軟骨魚類はもっていません。従って泳がないと海底に沈んでしまいます。このような事態をさけるために、一部のサメは肝臓に多量のスクワレンという脂質を蓄えて浮力の足しにしています（２、３）。サプリメントの肝油というのはこの種のサメの肝臓の抽出物でです（４）。辻本満丸は１９０６年にサメの肝油からスクワレンを発見して記載しています（５、図２左）。後日書籍にもなっているようです（図２右）。

スクワレンの構造は、１９２９年になってイアン（イシドール）・ヒールブロンによって明らかにされました（６）。よく化粧品に使われるスクワランは、スクワレンの－Ｃ（？）＝Ｃ（？）－をすべて－ＣＨ（？）－ＣＨ（？）－に変換したものです（？はＣＨ３またはＨ）。スクワレンはクエン酸回路やβ酸化にもかかわっている、いわば代謝の交差点のようなアセチルＣｏＡから生合成されます（図３）。そしてスクワレンがステロイド合成の起点となります。

スクワレンはスクワレンエポキシデース（７）とラノステロールシンテース（８）という２種の酵素のはたらきで、ラノステロールというステロイド骨格をもつ化合物に変化します。

ラノステロールはあらゆるステロイド化合物の前駆体ですが、自身もラノリンの成分として動物の皮脂腺から分泌されており、毛皮に水分が浸透しないように保護する役割があるとされています（１０）。

実は毛根は表皮を経由せず直接外界と接しているので、もし皮脂がなければ容易にウィルスや細菌が侵入してきます。したがって毛穴を皮脂で埋めておくことは大事なことです。ですから、毛根鞘の死細胞を取り除くというメリットがあるとしても、毎日髪をシャンプーで洗うことは健康には良くないと言えます。髪を洗うと風邪を引くというのは、バリヤフリーとなった毛根にウィルスが感染するからかもしれません。なのにどうしてヒトは髪を洗うと気分が良くなるのか、生物学的には不思議な現象です。もちろん毎日シャンプーで毛を洗う生物なんて、ヒト以外にあり得ません。

ラノステロールからコレステロールが合成される経路をウィキペディアからコピペしました（図５）。

これらの複雑なステロイド生合成経路を解明した業績で、コンラート・ブロッホ（１９１２－２０００）とフェオドル・リュネン（１９１１－１９７９）（図６）が１９６４年のノーベル生理学・医学賞を受賞しています。ブロッホはユダヤ人で、ナチスから逃れて米国にたどりついた人です。リュネンはミュンヘンで生まれ育ち、ミュンヘン大学教授からミュンヘンのマックス・プランク細胞化学研究所の研究所長になりました。伝説の京都大学故沼正作先生（http://scienceandtechnology.jp/archives/9655）はこの方のお弟子さんだそうです。

代表的なステロイド系化合物の構造を図７に示しました。コレステロールは細胞膜の構成要素、コール酸は胆汁の成分、テストステロンは男性ホルモン、エストラディオールは女性ホルモン、コルチゾールは副腎皮質ホルモンです。

図８にみられるように、コレステロールは細胞膜の構成要素です。細胞膜の基本構造はリン脂質が「親水部位」を細胞外および細胞内の外側向け、「疎水部位」を膜内部にむけて整列した２重膜構造になっていますが、コレステロールも親水側を細胞外または細胞内に向け、疎水部をリン脂質の疎水部位に埋め込んだ形で存在します。

コレステロールが膜構造に加わることによって、膜の流動性（しなやかさ）が高くなり、温度が下がることによって発生する相転移（硬くなる）が阻止されます。細胞膜は単なる壁ではなくて、その中で化学反応や分子構造の変化、物質の出し入れなどが行われているので、それなりの可塑性の高さが必要だと思われます。

コレステロールが特に集積している組織として、ミエリン鞘が知られています。ミエリン鞘は神経細胞の軸索を被うカバーのような組織です。その実体は図９に示すように、シュワン細胞はが「ふとん」で軸索が「人」だとすると、「ふとん」でぐるぐる巻きにしたような構造になっています。すなわち細胞膜が何重にもなっているような構造なので、細胞膜の脂質は当然大量に含まれることになります。脳の白質はミエリン鞘が集積している組織なので、特に脂質が豊富です。

コレステロールというと、すぐに健康診断でのＨＤＬ・ＬＤＬの値が頭に浮かぶわけで、ここを避けては通れません。コレステロールは水への溶解度が低く（９５マイクログラム／リットル）、体の中を移動するにはタンパク質と結合して、リポタンパク質の形をとらなければなりません。

コレステロールは主としてＬＤＬ（low density lipoprotein）またはＨＤＬ（high density lipoprotein）というリポタンパク質として移動します。ＬＤＬはコレステロールを肝臓から末梢組織へ供給し、ＨＤＬは過剰なコレステロールを末梢組織から肝臓に戻す役割があると言われています。ＨＤＬでもＬＤＬでもコレステロール自体の分子構造に変わりはなくて、結合するタンパク質の方が異なっています。

ＬＤＬは悪玉コレステロール、ＨＤＬは善玉コレステロールと呼ばれていますが、これは害虫と益虫のような自然科学とは乖離した命名で、私たちは使いたくないのですが、ＬＤＬが動脈硬化の一因であることは確かなようです（１２）。ＬＤＬが細胞内で発生する活性酸素によって酸化されると、マクロファージに貪食され、大量にＬＤＬを取り込んだそのマクロファージが死ぬと、死んだ場所にコレステロールの塊（胆石はコレステロールまたはビリルビンの塊です）が残されます。これによって動脈硬化が促進され、最悪心筋梗塞や脳梗塞に至ります。

ＨＤＬが少なすぎると、余分なコレステロールを肝臓にもどせなくなるわけですが、かといってどんどんもどすと脂肪細胞が巨大になって、脂肪細胞が分泌するホルモンなどが過剰になり、生理活性物質のバランスがくずれると思うのですが、そのあたりのことは私にはよくわかりません。

肥満になると脂肪細胞から分泌される物質（アディポサイトカイン）が異常となり、生活習慣病を誘発すると指摘している書物はあります（１３）。ただＨＤＬの wikipedhia をのぞいてみると、ＨＤＬのないマウスも生きているみたいなので、コレステロールを運搬する別経路もあるようです（１４）。ならば健康診断の結果を見て、指導員がＨＤＬが少ないからどうしろこうしろというのも、本当に妥当な指示かどうかは疑わしいと思います。すくなくともまだ医学的な根拠には乏しいようです。

コール酸は肝臓でコレステロールから合成されてたあと、グリシンやタウリンと結合してグリココール酸やタウロコール酸となります（図１０）。これらは抱合胆汁酸と呼ばれますが、胆嚢に蓄積された後、胆汁の成分として腸内に放出され、脂肪をミセル化して腸に吸収されやすくします。脂肪をミセル化した代表的食品として図１０のマヨネーズがあります。

性ホルモンについてはあらためて述べる機会もあると思います。最後に糖質コルチコイド（＝グルココルチコイド）についてすこし述べておきます。コルチコステロン・コルチゾール・コルチゾンなどがこれに相当します。デキサメタゾンなどは自然に存在するものではなく、人工的に合成された薬剤であり、主として炎症をおさえるため、または免疫反応を抑制するために使用されます。

生体に存在する糖質コルチコイドは副腎皮質で作られ、抗炎症作用や免疫抑制作用のほか、図１１のようにインスリンと逆の役割で、血糖値を上昇させる作用があります。主に生体がストレスを感じたときに分泌されます。糖質コルチコイドなどのステロイドホルモンは一般的に細胞膜を通過することができ、細胞質にある転写調節因子と結合して核内に侵入し、転写を調節することによって機能が発揮されます（１５）。

参照

１）http://blog.livedoor.jp/science_q/archives/1861037.html

２）http://markpine.blog95.fc2.com/blog-entry-69.html

３）https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B9%E3%82%AF%E3%82%A2%E3%83%AC%E3%83%B3

４）http://www.241241.jp/products/supplement/same/

５）辻本満丸  “黒子鮫油に就て”. 工業化学雑誌 vol. 9 (10): pp. 953-958. doi:10.1246/nikkashi1898.9.953 (1906)

６）Heilbron, I. M.; Thompson, A. ,  "CXV.—The unsaponifiable matter from the oils of elasmobranch fish. Part VI. The constitution of squalene as deduced froma study of the decahydrosqualenes."  J. Chem. Soc. pp. 883–892. (1929)  doi:10.1039/JR9290000883.

７）榊原順、小野輝夫、スクアレンエポキシダーゼ　－もうひとつのコレステロール合成律速酵素　蛋白質　核酸　酵素　vol. 39 (9), pp. 1508-1517 (1994)
http://lifesciencedb.jp/dbsearch/Literature/get_pne_cgpdf.php?year=1994&number=3909&file=j9768PH3xxMJB18tkcGRUQ==

８）阿部郁朗、スクワレン閉環酵素の生物有機化学　蛋白質　核酸　酵素　vol. 39 (10),  pp. 1613-1624 (1994)
http://lifesciencedb.jp/dbsearch/Literature/get_pne_cgpdf.php?year=1994&number=3910&file=c/RbruPLUSYUeEJB18tkcGRUQ==

１０）https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A9%E3%83%8E%E3%83%AA%E3%83%B3

１１）https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B3%E3%83%AC%E3%82%B9%E3%83%86%E3%83%AD%E3%83%BC%E3%83%AB

１２）http://fmd-kensa.jp/pg2.html

１３）近藤和雄　「人のアブラはなぜ嫌われるのか」　～脂質「コレステロール・中性脂肪など」の正しい科学　技術評論社　（２０１５）

１４）https://en.wikipedia.org/wiki/High-density_lipoprotein

１５）http://kanri.nkdesk.com/hifuka/ste2.php

生物学茶話＠渋めのダージリンはいかが６９： 糖脂質

前回６８で、スフィンゴシンやセラミドの発見者としてトゥーディヒョウムの名前を出しましたが、彼は臨床医で科学実験は自宅でやっていたこともあって、当時の学会からは（今でもそれほど変わらないとは思いますが）嘲笑・圧殺されるような存在だったそうです。しかし彼はスフィンゴシンやセラミドのみならず、糖脂質の研究も創始しました。トゥーディヒョウムは１９０１年に死亡しましたが、死後１９１０年代になって再評価が進み１９１３年以降、１８７０年代に彼が脳から抽出精製した糖脂質（セレブロシド）の構造が解明されて、埋もれていた研究が日の目を見ることになりました（１）。

セレブロシドの構造を解明したのはオットー・ローゼンハイムやハンス・ティーレフェルダーらで、トゥーディヒョウムが脳から抽出して精製した物質はガラクトース－スフィンゴシン－リグノセリン酸およびガラクトース－スフィンゴシン－セレブロン酸の2種であることがわかりました（図１）。いずれもスフィンゴシンに糖と脂肪酸が結合した化合物であり、これが糖脂質（スフィンゴ糖脂質）の基本構造になります。

光合成細菌や植物はスフィンゴ糖脂質とは異なるグリセロ糖脂質（図１右下）を持っており、これはグリセリンの３つのＯＨのうち、２つに脂肪酸、１つにガラクトースが結合している構造になります（２）。機能も研究されています（３）。私たち動物の体にも多少見つかるようですがその機能はよくわかっていないようです。

その後エルンスト・クレンクやアルバート・キンバルらによって、セレブロシドの脂肪酸の部分が、リグノセリン酸とセレブロン酸以外にネルボン酸や α－オキシネルボン酸 の場合もあることが示されました（４、５、図２）。

セレブロシドに含まれる糖はガラクトースだけでなく、グルコースの場合もあります（図３）。ガラクトセレブロシドが脳に多いのに対して、グルコセレブロシドは全身に存在します。グルコセレブロシドをグルコースとセラミドに分解する酵素（グルコセレブロシダーゼ）に遺伝的欠陥または欠損があった場合ゴーシェ病となり、肝臓・脾臓・骨髄・脳などにグルコセレブロシドが蓄積して様々な症状を発症します。

グルコースを含むセレブロシドの存在は、ゴーシェ病の患者に蓄積されたセレブロシドの解析から明らかになりました（１）。このように、病気の解析が基礎科学の進歩に寄与することはよくあることです。

実はクレンクらが提出していたセレブロシドの構造式には間違ってい点があって、ハーバート・Ｅ・カーターらはそれまでの間違いを正し最終的にスフィンゴシンの構造を確定しました（６）。もちろん図１に示した構造は確定されたものです。第二次世界大戦後の糖脂質の研究は、ハーバート・Ｅ・カーター（図４）を中心に進められました。彼の人となりなどは「参照」に示したメモアールに記載されていますが、学会の前日でも雨のゴルフコースに出て行くほどゴルフ好きだったようです（７）。ちなみに山川民夫も毎週仕事を休んで平日にプレイするほどのゴルフ好きでした。

さてスフィンゴ糖脂質にはセレブロシド以外にもうひとつ大きなグループがあり、それはウィキペディアの定義によれば、糖がセレブロシドでは単糖であるのに対してオリゴ糖の物質ということで、ガングリオシドと呼ばれています。

ガングリオシドの名の由来はガングリオン（神経節）で、脳の灰白質に多いことからクレンクが命名しました（８）。図５に代表的なガングリオシドであるＧＭ１の構造式を示しましたが、セレブロシドとの違いは糖が単糖ではなく、オリゴ糖であることです。

ノイラミン酸という新顔も登場します。これらで構成されるオリゴ糖には多様性があり、図６に示されるように、外からひとつづつ糖を削っていくとＧＭ２、ＧＭ３となりますし、追加や枝分かれもあるので、非常に多様な構造になり得ます。

図６にはＧＭ１、ＧＭ２、ＧＭ３の関係を示します。

ノイラミン酸は糖脂質だけでなく、糖タンパク質においても頻出しますが、ノイラミン酸そのものは生体には存在せず、アミノ基や水酸基の水素が置換されてできた化合物が重要な役割を果たしているようです。Ｎ－アセチルノイラミン酸やＮ－グリコリルノイラミン酸はその例で、これらをまとめてシアル酸とよびます（図７）。

細胞膜は脂質でできているので、ガングリオシドはそのスフィンゴシンやステアリン酸の疎水性の部分を細胞膜に埋め込み、オリゴ糖部分を細胞外に突き出すことができます。まさしく樹木の地下部分と地上部分のようなイメージです。そうすると地上部分のオリゴ糖の構造によって、細胞を識別することが可能です。つまり接着しやすい構造の細胞が集まって組織をつくることができるわけです。また細胞外からの情報を、あるグループの細胞だけが受けとることもできます。

第二次世界大戦前後の頃は、そんな糖脂質の機能など想像もされていなかったのですが、突破口を開いたのは戦後間もない日本の山川民夫（図８）でした。彼が目を付けたのは、ウマの赤血球をウサギに注射すると、ウマの赤血球を凝集する抗体がウサギの血清中に産生されますが、その血清は、ウシやヒツジなどの赤血球を凝集することはできないという、いわゆる種特異性凝集反応でした。彼は赤血球膜には種特異性を示す何かがあるかもしれないと考えました。

まずウシの赤血球を水に投入して溶血させ、細胞膜を遠心分離によって沈殿させます。その沈殿（ゴースト）を多量に集めて脂質を抽出すると、セレブロシドではなくガングリオシドに似た物質が抽出されました。これを山川はヘマトシドと名付け、ブタの脳のガングリオシドと比較研究をはじめました。ヘマトシドにはブタのサンプルと異なりノイラミン酸が含まれていることがわかりました。

その後ヒトの赤血球の糖脂質とも比較しましたが、それはウマの糖脂質とはかなり成分が異なっており、グロボシドと名付けられました。グロボシドには脂肪酸・スフィンゴシン・グルコース・ガラクトース・アセチルガラクトサミンが含まれていました。

いろいろな動物で調べてみると、ノイラミン酸がなくてガラクトサミンがあるタイプ（グロボシド型、ヒト・ブタ・モルモット・ヒツジ・ヤギ）と、ノイラミン酸があってガラクトサミンがないタイプ（ヘマトシド型、ウマ・イヌ・ネコ）に分かれていることがわかりました（１）。

カール・ラントシュタイナー（１８６８－１９４３、図７）がＡＢＯ血液型を発見したのは１９０１年のことでした。１９６０年になって、山川らはグロボシドと抗Ａ抗体の沈殿から糖脂質を抽出し、血液型物質が糖脂質であることを示唆しました。このことは多くの研究者によって追試され、赤血球表層にある血液型物質が糖脂質であることは確定しました（１）。

図９をみるとわかるように、ガングリオシド（グロボシド）のオリゴ糖部分はＯ型が基本となっており根元がフコースで、ガラクトース・Ｎアセチルグルコサミン・ガラクトースとつながっています、Ａ型ではフコースの次に位置するガラクトースにＮ－アセチルガラクトサミンの側鎖があり、Ｂ型では同じガラクトースにガラクトースの側鎖がついています。ＡＢ型ではＡ型の側鎖があるガングリオシドとＢ型の側鎖があるガングリオシドの両者があります。

血液型についての説明は下にウィキペディアをコピペしておきます。内容はちょっと難しいかもしれません。Ｈ抗原というのは図９ですべての型の人が持っているフコース＋ガラクトース＋Ｎアセチルグルコサミン＋ガラクトースのチェインのことだと思います。このチェインにＮアセチルガラクトサミンまたはガラクトースを結合させる際に、それぞれ別の酵素が必要で、それがＡ型、Ｂ型の人は１種づつ、ＡＢ型の人は２種もっていて、Ｏ型の人は両方とも持っていないということでしょう。

ただそのＨ抗原の糖鎖をつくるのにも酵素が必要なので、この土台をつくる酵素が欠損している場合、Ｎアセチルガラクトサミンまたはガラクトースを結合させる酵素が存在しても、実際にはＡ抗原もＢ抗原も形成されず、見かけ上Ｏ型と同じになってしまうので注意が必要です。

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(wikipedia の引用　開始）

A型はA抗原を発現する遺伝子（A型転移酵素をコードする遺伝子）を持っており、B型はB抗原を発現する遺伝子（B型転移酵素をコードする遺伝子）を、AB型は両方の抗原を発現する遺伝子を持っている。A抗原、B抗原はH抗原からそれぞれA型転移酵素、B型転移酵素によって化学的に変換される。

3種の遺伝子の組み合わせによる表現型、ABO式血液型を決定する遺伝子は第9染色体に存在する。H物質発現をコードする遺伝子は第19染色体に位置し、H前駆物質をH物質へ変換させる。この遺伝子が発現しない場合はボンベイ型となる（後述）。

• A型 - A遺伝子をすくなくとも一つ持ち、B遺伝子は持たない（AA型、AO型）→A抗原を持つ。B抗原に対する抗体βが形成

• B型 - B遺伝子をすくなくとも一つ持ち、A遺伝子は持たない（BB型、BO型）→B抗原を持つ。A抗原に対する抗体αが形成

• O型 - A遺伝子・B遺伝子ともに無い（OO型）→H抗原のみ持つ。A,B抗原それぞれに対する抗体α、抗体βが形成

• AB型 - A遺伝子・B遺伝子を一つずつ持つ（AB型）→A抗原、B抗原両方を持つ。抗体形成なし

A抗原とB抗原は、持っていないとそれに対する自然抗体が形成されることが多く、この場合、型違い輸血により即時拒絶が起こる。自然抗体がなくとも型違い輸血により１週間程度で新しいIgM抗体が生産されこれが拒絶反応をおこす。そのため、基本的には型違い輸血は行われない。輸血される血液は受血者の血液より少量のため、血漿によって希釈されて抗原抗体反応が起こらなくなる。そのため、かつてはO型は全能供血者、AB型は全能受血者と呼ばれていたが、ABO以外の型物質（Rh因子やMN式血液型など）が存在することもあり現在では緊急時を除いては通常行われない。2010年4月には大阪大学医学部附属病院で治療を受けた60代の患者が同型の赤血球製剤とO型の新鮮凍結血漿の輸血後に死亡する事故が発生している（但し、この患者は搬送当時すでに意識がなかったことから輸血が原因でない可能性もある）。

なお、自然抗体を持っている理由は、細菌やウイルスが唾液や性的接触などにより人間間で感染するように、人間の細胞や細胞の断片も人間間を移動するからであり、移動した断片はマクロファージによりファゴサイトーシスされ、これがT細胞に提示され抗体が作られる。主にIgMが作られるが、IgG抗体も作られることもある。

（引用終了）

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糖脂質についてもっと詳しく知りたい方には総説（９、１０）などがあります。

参照

１）山川民夫著 「糖脂質物語」講談社学術文庫 (1981)

２）日本光合成学会：http://photosyn.jp/pwiki/index.php?%E3%83%A2%E3%83%8E%E3%82%AC%E3%83%A9%E3%82%AF%E3%83%88%E3%82%B7%E3%83%AB%E3%82%B8%E3%82%A2%E3%82%B7%E3%83%AB%E3%82%B0%E3%83%AA%E3%82%BB%E3%83%AD%E3%83%BC%E3%83%AB

３）下嶋美恵・小林康一・太田啓之　葉緑体チラコイド膜を構成するグリセロ糖脂質の生合成と機能　化学と生物　vol.46, pp.330-337 (2008)

４）H.Thierfelder and E.Klenk., Die Chemie der Cerebroside und Phosphatide. (1930)

５）A.C.Chimball, S.H.Piper, and E.F.Williams.,  XVIII.THE FATTY ACIDS OF PHRENOSIN AND KERASIN. Biochem.XXX pp.100-114 (1936)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1263366/pdf/biochemj01065-0112.pdf#search=%27Thierfelder+and+Klenk+1930%27

６）Herbert E. Carter et al., Biochemistry of the sphingolipides. III. Structure of sphingosine.  J. Biol. Chem. vol.170, pp.285-294 (1947)
http://www.jbc.org/content/170/1/285.full.pdf

７）N a t i o n a l　 Ac a d e m y　 o f　 S c i e n c e s, 　H e r b e r t  E d m u n d  C a r t e r　1 9 1 0 — 2 0 0 7
A Biographical Memoir by Robert K. Yu and John H. Law (2009)
http://www.nasonline.org/publications/biographical-memoirs/memoir-pdfs/carter-herbert-e.pdf

８）William W. Christie., GANGLIOSIDES　STRUCTURE, OCCURRENCE, BIOLOGY AND ANALYSIS　(2012)
https://web.archive.org/web/20120328213709/http://lipidlibrary.aocs.org/lipids/gang/file.pdf
https://web.archive.org/web/20091217095434/http://lipidlibrary.aocs.org:80/Lipids/gang/index.htm

９）Sen-itiroh Hakomori., Structure and function of glycosphingolipids and sphingolipids: Recollections and future trends. Biochim Biophys Acta. vol. 1780(3)  pp.325–346. (2008)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2312460/

１０）Zhou and Blom. Trafficking and Functions of Bioactive Sphingolipids: Lessons from Cells and Model Membranes. Lipid Insights vol. 8 (S1)  pp. 11–20  (2015) doi:10.4137/LPI .S31615.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4685176/pdf/lpi-suppl.1-2015-011.pdf

生物学茶話＠渋めのダージリンはいかが６８： 脂肪酸と油脂

脂肪というとすぐ中性脂肪とかセルライトが気になるわけですが、エネルギーを蓄えておくためのツールとして脂肪は重要です。動物にとって飢餓は日常的であり、いざというときに生き残れるかどうかは、どれだけ脂肪とグリコーゲンを体内に蓄えておけるかにかかっています。人間については、現在世界で９億２５００万人が飢餓状態にあり（１）、日本でも２０１１年の厚生労働省の調査では年間１７４６人が餓死しています（２）。現在でも貧困化が進んでいるので、この数字が減っているとは思えません。食べ物がないときに生き残るには冬眠・夏眠が有効ですが、残念ながらヒトにはその能力はありません。

しかし生物にとってエネルギー蓄積が課題になるより進化上はるかに前の段階で、脂肪は細胞膜の最も主要な成分として、すなわち生命と外界を分かつパーティションとしての役割がはじまったはずです。これは生命誕生のひとつの条件であり、たとえ熱水噴出口近傍の金属片の上で核酸や酵素が生成されたとしても、それらが細胞膜で包み込まれるまでは生命体とは言えないでしょう。そして現在では、脂肪はホルモンや情報伝達物質としても重要な役割を果たしていることがわかっています。

脂肪の基本は脂肪酸です。最初に脂肪酸を発見したのは誰だか私にはわかりませんが、ステアリン酸やオレイン酸を発見して精製したのはミシェル＝ウジェーヌ・シュヴルール（1786～1889）です（３－４、図１）。彼はフランス革命とエッフェル塔建設の両方を目撃した数少ないフランス人だそうです。エッフェル塔の展望室の少し下の壁に、フランスの偉人の名前が刻まれていますが、シュヴルールの名も図２の赤の矢印の下にみつけることができます。図２をクリックして拡大すると、名前が読めます（赤矢印）。

脂質は脂肪酸関連物質、芳香族化合物の環構造を持つ物質、複合脂質の３つのグループにわけられると思いますが（図３）、量的に言えば脂肪酸関連物質が生体内には圧倒的に多量に存在します。カルボン酸をＲ－ＣＯＯＨと書くとすると、Ｒが水に溶けないＣとＨからなる場合脂肪酸といいます。ただしＲがＨ、ＣＨ３、ＣＨ３ＣＨ２あたりまではカルボキシル基の影響が強く、脂肪らしくない性質なので、通常脂肪酸とは呼びません。ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２（酪酸）あたりからは脂肪酸と呼びます（図４）。これらの脂肪の性質を与える炭素＋水素の鎖を、鎖の長さを問わずアシル基と呼ぶことがあります。

常温で液体の脂肪酸は世の中で最も臭い物質の１グループだと思います。吉草酸やカプロン酸の臭さは半端じゃありません。私が学生実習などでかいだ臭いの中では、ピリジンとトップを争う悪臭と思います。屍体の臭いは多数の物質の混合臭なので比較することはできません。

これらの低分子量の脂肪酸は確かに飲むと健康を害しますが、特別にそのような脂肪酸を忌避する能力（臭いと感じる能力）が私たちに備わっていることには何らかの理由があるまたはあったのでしょう。炭素原子数が１０くらいになると常温で固体なので、臭いは気にならなくなります（図５）。図５にはＲ－ＣＯＯＨのＲ部分にＣ＝Ｃの二重結合がない、いわゆる飽和脂肪酸のリストを示しました。カプリル酸より分子量が大きい脂肪酸は食用に使えます。

カプリル酸はウィキペディアによると母乳に含まれているそうですが、カプリル酸には殺菌作用があるので、免疫機構が未発達の新生児には有益なのかもしれません。

脂肪酸は生合成されるときに炭素が２個単位で重合していくため（５、６）、生体内に存在する主要な脂肪酸の炭素の数は偶数になります（５，図５）。ただしメインであるアセチルCoAとマロニルCoAとの縮合ではなく、プロピオニルCoAとマロニルCoAの縮合を出発点とする経路もあるので、炭素が奇数の脂肪酸が全く存在しないわけではありません。

脂肪酸は数値表現されることがあり、図５の左端列に示してあります。コロンの左側が炭素分子の数。コロンの右側が二重結合（Ｃ＝Ｃ）の数になります。飽和脂肪酸の場合二重結合がないのでコロンの右は０になります。数値表現はわかりやすくて便利です。

二重結合（Ｃ＝Ｃ）が分子内に存在する脂肪酸を不飽和脂肪酸と呼びます。炭素数が１８の例を図６に示しますが、例えば１８：２（９、１２）というのは炭素数＝１８、二重結合＝２ヶ所、二重結合がカルボキシル基から数えて９番目と１０番目および１２番目と１３番目の炭素によって形成されているという意味です。オレイン酸はステアリン酸から生合成されますが、ヒトの場合、生きていく上で必要なのにもかかわらず、リノール酸、リノレン酸、ＥＰＡ、ＤＨＡなどは生合成できないので、これらは必須脂肪酸とされています。

図６では炭素の鎖が途中で１８０度折れているように描いてありますが、慣用表記のひとつであり、実際にこのような急角度で分子が折れているわけではありません。分子の屈曲は二重結合の性質（シスかトランスか）、数、位置によって異なります。図７に例を示します。αリノレン酸は大きく屈曲しています。

混乱して困る話なのですが、脂肪酸の命名法のなかに、カルボキシル基と反対側のＣＨ３から数える方法もあって、ω：オメガ法ではα－リノレン酸は３つめに最初の二重結合があるのでω３脂肪酸、γ－リノレン酸は６つめに最初の二重結合があるのでω６脂肪酸などと呼ばれます（図８）。ｎ－数値という表現も逆から数えた表現法です。α と γ は習慣的に使用している表現法に過ぎません。

Ｃ＝Ｃの二重結合にはシス型とトランス型があって、一般にシス型すなわち二重結合の片方にふたつのＨが来る場合、図９のように分枝は屈曲します。自然界に存在するオレイン酸はほとんどシス型なので、通常オレイン酸と言った場合シス型を意味します。

シス型がの二重結合が二つあった場合、リノール酸のように屈曲が修正されることがあります。人工的に製造されたトランス脂肪酸は食べると健康に悪影響があることがわかっています（７）。アメリカの食品医薬品局（ＦＤＡ）は、マーガリンなどに含まれる「トランス脂肪酸」の発生源となる油の食品への使用を、２０１８年以降原則禁止すると発表しました（８）。日本政府はこの規制には消極的なようです。





グリセリン＋脂肪酸＝油脂＋水という公式は、中学の化学の時間に皆さん習ったはずですが、再掲しておきます（図１０）。油脂は生体内では最もメジャーな脂質です。

油脂は図１０のように、グリセリン（グリセロール）１分子に脂肪酸３分子がエステル結合（－ＯＣ[＝Ｏ]－）したものです。これによってグリセリンのＯＨ、脂肪酸のＣＯＯＨという親水性の部分が消滅するので、典型的な疎水性の物質ができます。

３分子の脂肪酸はそれぞれ種類が指定されないので、例えば１０種類の脂肪酸が用いられるとすると、１０ｘ１０ｘ１０で１０００種類の油脂ができ得ることになります。実際には脂肪酸の種類はもっと多いので、油脂の種類は無数にあることになります。

グリセロリン脂質はグリセリンのＯＨのうち、Ｒ１・Ｒ２は油脂と同じ脂肪酸と結合し、Ｒ３のＯＨがリン酸エステル（－ＯＰ[＝Ｏ、－Ｏ]－）結合したものです。リン酸に結合する物質によって、フォスファチジルコリン・フォスファチジルセリン・フォスファチジルエタノールアミンなどが知られています（図１１）。これらは脂質であるにもかかわらず、親水的な部分が存在するという特異な性質を持っています。この性質は細胞の内側と外側の両方で水と接触する細胞膜にとって、あるいは脂肪を血液中で運搬する作業にとって重要です。これらについては別のセクションで述べます。

動植物の細胞膜中に最も多量にあるのはグリセロリン脂質ですが、次に多いのはスフィンゴ脂質です。哺乳類では特に中枢神経に多いとされています（９）。スフィンゴ脂質の基本骨格はスフィンゴシンです。アミノ基１個とＯＨを２つ持つ直鎖状の分子です（図１２）。このアミノ基に１分子の脂肪酸がアミド結合したものがセラミドです。

セラミドの末端のＯＨにフォスフォコリンやフォスフォエタノールアミンが結合したものを、スフィンゴミエリンといいます。スフィンゴミエリンは神経のサヤである神経鞘の主成分です。セラミドは最近では保湿剤としてよく化粧品に配合されています（１０）。「うるむセラミド」などというキャッチフレーズもありました。

スフィンゴシンやセラミドを発見したのはトゥーディヒョウム（図１３　日本ではツディクムと発音される　Johann Ludwig Wilhelm Thudichum　1829~1901）です。１８８４年に刊行された　”Chemische Konstitution des Gehirns des Menschen und die Tiere　（Chemical constitution of the brain）”　という本に記載されているようですが私は読んでおりません。

竹富保の「"神経化学の父"ツディクム」という文献が、廃刊となった「自然」誌に掲載されています（１１）。 ドイツ生まれで、主にイングランドで仕事をしたトゥーディヒョウムは多才な人だったようで、ウィキペディアにはお料理の本を出版しているという記載があります。山川民夫はトゥーディヒョウムの故郷であるビューディンゲンで記念碑の除幕式に出席したそうです（１２）。

アラキドン酸（5,8,11,14-Eicosatetraenoic acid）は図１４のとおり何の変哲もない不飽和脂肪酸の１種なのですが、そこからプロスタグランディン、トロンボキサン、ロイコトリエン（すべて総称で特定の化学物質を指しているわけではありません）を生合成する経路が派生しています（アラキドン酸カスケード）。これらの物質は免疫反応と深い関わりがあり、薬学の分野では数十年間、間断なく注目を集めています。

参照

１）JIFH集計：　https://www.jifh.org/joinus/know/population.html

２）厚労省：　http://ameblo.jp/kokkoippan/entry-11541237843.html

３）http://www.cyberlipid.org/chevreul/work0003.htm

４）Michel Eugène Chevreul, Recherches chimiques sur les corps gras d'origine animale. (1823)
https://books.google.co.jp/books?id=94_H7hfQfS0C&hl=fr&redir_esc=y

５）福岡大学　脂肪酸の生合成：
http://www.sc.fukuoka-u.ac.jp/~bc1/Biochem/fa-syn.htm

６）https://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%84%82%E8%82%AA%E9%85%B8

７）https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%88%E3%83%A9%E3%83%B3%E3%82%B9%E8%84%82%E8%82%AA%E9%85%B8

８）https://headlines.yahoo.co.jp/hl?a=20150619-00000009-wordleaf-soci

９）ホートン　生化学第３版　東京化学同人（２００３）

１０）https://www.youtube.com/watch?v=8RtDw0FKzPk

１１）自然 / 中央公論社 vol. 29, 12号、pp.44-52

１２）山川民夫　「糖脂質物語」　講談社（１８８１）