６６．多糖類

  　多糖類はタンパク質と異なり、その構造が遺伝子によって指定されていないので、例えばグリコーゲンといっても、同じグリコーゲン分子はないというくらい多様性があります。これはたとえばケヤキの幹や枝が同じ形の樹木がないのと似ています。それでもケヤキをクスノキや桜と識別できるように、多糖類も構成ユニットである単糖の種類、結合の様式などで分類することはもちろん可能です。１種類の単糖で構成されている多糖類をホモグリカン、複数の単糖で構成されているものをヘテログリカンといいます（１）。
　まずホモグリカンの代表として、グルコースだけで構成される多糖類をみていきましょう。私たちが主食としている米や芋の主成分はでんぷんです。デンプンは主に植物によってつくられる多糖類で、α-1,4-結合でグルコースが直鎖状に重合したアミロースと、α-1,4結合だけでなく、ところどころでα-1,6-結合で分岐しているアミロペクチンがあります（１－２、図６６－１）。
　お米の場合、うるち米はアミロースとアミロペクチンがおよそ２：８なのに対して、「もち米」はアミロペクチンのみでアミロースを含んでいないので、枝分かれ構造のあるアミロペクチンがお餅の粘りのもとなのでしょう（３）。アミロースもアミロペクチンもα-D-グルコースだけが重合したもので、β-D-グルコースは含まれていません（図６６－１）。

図６６－１　でんぷんの構造　アミロースとアミロペクチン

　デンプンは唾液や膵液に含まれるアミラーゼによって分解されますが、アミラーゼは１種類ではなく、図６６－２のようなα型、β型、γ型、イソ型という４種類があります。α型はいわゆるエンドタイプの分解酵素で鎖の任意の位置で切断します。ただし切断できるのは 1,4 結合のみで、1,6結合（分枝する位置）は切断できません。グルコースダイマーのマルトースは切断できません。
　β型は植物などに存在するエクソタイプの分解酵素で、鎖の末端から２つのグルコースをマルトースの形で切り離します。γ型は同じくエクソタイプで、鎖の末端からひとつづつグルコースを切り離します。ヒトの場合マルトースを２つのグルコースに分解する活性も高いとされていて、マルターゼあるいはグルコアミラーゼとも呼ばれています。1,4 結合のみならず1,6結合も分解できるので（４）、αタイプとγタイプのアミラーゼがあればデンプンをグルコースにほぼ分解できます。イソアミラーゼは植物などに存在する酵素で1,6結合を特異的に切断します。

図６６－２　でんぷんの分解　αアミラーゼ（黒）（１，４結合を切断するエンド型）、　βアミラーゼ（赤）（エクソ型）、　γアミラーゼ（青）（エクソ型）、　イソアミラーゼ（黄）枝分かれの部分で枝を切断

　セルロースはβ-D-グルコースだけが重合した多糖類で、α-D-グルコースは含まれていません（図６６－３）。セルロースは主に植物によって作られますが、草食動物はセルロースを主な栄養分としています。草食動物やシロアリは腸内細菌によってセルロースを分解しており、これらの細菌を体内に共生させることによって生体の素材やエネルギーを得ているわけです。
　セルロースはβ-D-グルコースがβ-1,4-結合によって重合した直鎖状のポリマーですが、直鎖同士が非常に水素結合をつくりやすい構造になっているので、シート状の形態になります（図６６－３）。構造は非常に安定で、熱水や酸・アルカリに溶けません。ヒトはこのことを利用して衣服（木綿）や紙を製造しました。
　木綿は８０００年前からメキシコで、７０００年前からインド・バングラデシュで栽培されていた証拠があるようです。しかしその技術が欧州にもたらされたのは９世紀になってからです（５）。紙は中国で紀元前から使用されていたようですが、紀元後の後漢王朝の頃、宦官の蔡倫が製造法を確立して現在に至ります（６）。紙が欧州にもたらされたのはルネサンスの頃で、ルイ・ロベールが紙漉き用の機械を製造してから一般的に使われるようになりました（７）。

図６６－３　セルロース

　細菌などが持つセルロース分解システムは複雑ですが、大まかには図６６－４のような３種類の酵素の作用で行われます。このような分解系を利用してさまざまな有用物質を生産しようとする試みは盛んに行われています（８）。特にセルロースからエタノールを得てエネルギー源にしようとする試みは注目されています。セルロースというタイトルの専門誌も存在します（９）。

図６６－４　セルロースの分解

　植物がデンプンを貯蔵するのに対して、動物はグリコーゲンを貯蔵します。グリコーゲンはα-D-グルコースが α1,4 および α1,6結合で重合しているという意味ではデンプンと同じです。ただ分岐は非常に多く編目のような構造になっています（図６６－５）。分岐が多いということの利点は、少ない容積に多数のグルコースを詰め込むことができるということです。もうひとつグリコーゲンに特徴的なのは、最初にグリコジェニンという特異な酵素が働くことです。この酵素は自らが基質となり、自分のチロシンのＯＨにグルコースを結合させ、そこからグルコース鎖を延長させることができます（１０－１１）。

図６６－５　グリコーゲン　複雑で不規則な枝分かれ構造を形成するが、中心に位置しているのはグリコジェニンという酵素兼基質

グリコーゲンをつくるための最初の反応は

UDP-alpha-D-glucose + glycogenin ⇌ UDP + alpha-D-glucosylglycogenin

次の反応は

alpha-D-glucosylglycogenin + UDP-alpha-D-glucose ⇌ UDP + alpha-D-glucosylglycosylglycogenin

となります。グルコースにＵＤＰ（ウリジン２リン酸）がくっついているのは、反応を進行させるためにグルコースを活性化するというしかけです。

　ある程度鎖が延長されるとグリコジェニンはお役御免となり、グリコーゲンシンテースや分岐酵素にバトンタッチして鎖延長や分岐が続行されます。グリコジェニンという奇妙な酵素はクララ・クリスマン、ウィリアム・ウェランらによって発見されました（１０－１３、図６６－６）。クララ・クリスマンらはＵＤＰ－グルコ－スを１４Ｃでラベルして肝臓抽出液に投入してインキュベートすると、トリクロル酢酸で沈殿する分画にラベルが移行し、これによってグルコースオリゴマーがタンパク質に結合していることを示唆しました。ウェランらはこの結合が共有結合であることを証明しました。グリコーゲンがタンパク質と共有結合しているかどうかは、昔激しい論争があったようで、ウェランも刺激的なタイトルの総説を書いています（１２）。自分が基質になる酵素というのは他にないわけではなく、たとえばタンパク質分解酵素のなかには自己消化を行うものもありますが、それはある酵素分子が自分自身を消化するという意味ではありません。

図６６－６　ウィリアム・ウェラン

　グルコースの誘導体のひとつとしてＮ－アセチルグルコサミンについては前回述べましたが、Ｎ－アセチルグルコサミンがβ-1,4-結合を繰り返してポリマーになったものがキチンです（図６６－７）。節足動物の体表を被う外骨格の素材として用いられています。セルロースと同様に分子間の水素結合が強力で、丈夫な線維・シートを形成することができます。創傷治癒のための医療用品・化粧品・衣料・農薬などの素材に用いられています（１４）。

図６６－７　キチンの構造単位

　さて私たちオピストコンタと植物（プランタ＝アーケプラスチダ）というかけ離れた分類学上の位置にある生物が似たような多糖類、すなわちデンプンとグリコーゲンをエネルギー源として貯蔵しているのはちょっとした驚きですが、両者と分類学上離れた位置にあり、ストラメノパイルというスーパーグループに属する昆布などはどのような多糖類を合成しているのでしょうか？　
　ウィキペディアによると昆布は夏から秋にかけて重量の４０～５０％を占めるくらい大量のラミナランという多糖類を合成して貯蔵しておくそうです。それはやはりグルコースのポリマーなのですが、結合様式が β1,3結合 と β1,6結合 からなっていて、オピストコンタやプランタとは大きく異なっています（１５、図６６－８）。

図６６－８　ラミナラン

　ヘテログリカンの代表としてヒアルロン酸を紹介しておきます。ヒアルロン酸はＮ－アセチルグルコサミンとグルクロン酸がβ-1,4-結合した２糖を基本単位として、これらがβ-1,3-結合で重合したものです（図６６－９）。ヒアルロン酸は主に細胞外に放出されて、細胞間のマトリクスとして存在します。ぬめぬめしたゲルのような性質で、関節がなめらかに動くように機能しています。また皮下の結合組織や眼球の硝子体に多量に存在しますが、これはヒアルロン酸が水を保持する能力に優れ、組織や細胞をひからびさせないようにする作用があるためと思われます。

図６６－９　ヒアルロン酸

　膝の関節に注入することによって疼痛を軽減できますが、徐々に分解されるので、ある期間が過ぎると追加が必要になります。経口ではほぼ効かないようです（１６）。毒性がほとんどないのでシワとりなど美容整形にもよく用いられますが、この場合も徐々に分解することは避けられません。また間違って動脈に針が入ると、血管が詰まって悲惨なことになってしまうので、個人的にはあまりおすすめできません。

参照

１）研究.net  研究用語辞典　「多糖」　http://www.kenq.net/dic/157.html
２）ホートン　生化学第３版　p.183 東京化学同人（２００２）
３）ＪＡ全農やまぐち　http://www.yc.zennoh.or.jp/rice/mamechishiki/mame01-4.html
４）酵素辞典　http://www.amano-enzyme.co.jp/jp/enzyme/4.html
５）ウィキペディア：　木綿
６）中国の歴史　紙の発明と歴史　【古代中国での発明と蔡倫による改良】
http://chugokugo-script.net/rekishi/kami.html
７）飯田清昭 抄紙機における技術開発の歴史：ロベールから始まる100年間　第1部：フォードリニヤー抄紙機及び円網抄紙機の誕生
 紙パ技協誌　68 巻 4 号（２０１４）
８）三重大学　教育資料　セルラーゼの話題　http://www.bio.mie-u.ac.jp/~karita/sub3.html
９）Cellulose,  Springer  https://link.springer.com/journal/10570
１０）Krisman CR, Barengo R., A precursor of glycogen biosynthesis: alpha-1,4-glucan-protein. Eur. J. Biochem. vol.52, pp. 117–23 (1975)  doi:10.1111/j.1432-1033.　1975.　tb03979.x. PMID 809265
１１）Whelan WJ., The initiation of glycogen synthesis. BioEssays vol.5, pp. 136-140 (1986)
１２）Whelan WJ., Pride and prejudice: the discovery of the primer for glycogen synthesis., Protein Sci. vol.7, 2038–2041 (1998)  doi:10.1002/pro.5560070921. PMC 2144155Freely accessible. PMID 9761486
１３）Whelan WJ., My Favorite Enzyme Glycogenin., IUBMB Life, Vol. 61, pp. 1099-1100 (2009)
１４）キチン・キトサン利用技術：http://www.inpit.go.jp/blob/katsuyo/pdf/chart/fkagaku19.pdf
１５）ウィキペディア：　ラミナラン
１６）変形性膝関節症：　http://www.jcoa.gr.jp/health/clinic/knee/koa.pdf
file:///C:/Users/User/AppData/Local/Microsoft/Windows/INetCache/IE/PVA09UPG/koa.pdf