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2)グルタミン酸とグルタミンを介したアンモニアの体内輸送

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1.アミノ酸の代謝

 アミノ酸には、分子内にアミノ基(-NH3)の形で窒素が含まれています。そのため、アミノ酸の代謝においては、まずアミノ酸内の窒素を代謝する過程が重要になります。アミノ酸内の窒素の代謝に関わる反応には、主に2つの種類があります。

  1. アミノ基転移酵素(アミノトランスフェラーゼ)によるアミノ基転移反応
  2. アンモニア分子として取り除く酸化的脱アミノ反応

 前者の反応では、既にアミノ基をもつ別のアミノ酸が必要であるという点が、後者の反応とは大きく異なっています。ちなみに、後者の反応としては、「グルタミン酸デヒドロゲナーゼ」と呼ばれるグルタミン酸の分解と合成の両方を担う酵素がアミノ酸代謝において特に重要になります。

2.酸化的脱アミノ反応

 酸化的脱アミノ反応とは、アミノ酸のアミノ基(-NH3)を脱離させて、アンモニア分子として遊離させる反応のことをいいます。生体内のほとんどのアミノ酸は、アミノ基転移反応によって、α-ケトグルタル酸へとアミノ基が転移されてグルタミン酸を生じます。このようにして生じたグルタミン酸は、肝臓あるい腎臓へと輸送される必要があります。

 肝細胞および腎細胞に存在するミトコンドリア内には、「グルタミン酸デヒドロゲナーゼ」と呼ばれるグルタミン酸からアンモニア分子を遊離させる酵素が存在しています。この酵素によって、グルタミン酸は、酸化的脱アミノ反応を受けて、α-ケトグルタル酸とアンモニア分子へと変換されます。

 グルタミン酸デヒドロゲナーゼが肝臓および腎臓において特異的に存在し、グルタミン酸の酸化的脱アミノ反応を行っている理由としては、遊離されるアンモニア分子が、それ自体に毒性があり、肝臓における尿素回路によってアンモニア分子を尿素として無毒化させる、あるいは、腎臓でアンモニウムイオンの形で尿中へ排泄させるためであると考えられます。

 グルタミン酸デヒドロゲナーゼは、グルタミン酸を分解(脱アミノ化)する際に、補酵素としてNADを用います。NADはグルタミン酸を酸化させることにより、NADHへと変化しますが、このとき生じたNADHは電子伝達系によってATPの合成、すなわち、エネルギーの生産に利用されます。

※α-ケトグルタル酸はクエン酸回路の一員であり、オキサロ酢酸へと変換されることで糖新生の基質となるか、あるいは、再びアンモニア分子を取り込むことにより、グルタミン酸へと再合成されます。

※電子伝達系については「2-3.電子伝達系とATP合成」で詳しく解説しています。

3.グルタミンを介したアンモニアの体内輸送

 これまで、グルタミン酸が肝臓あるいは腎臓へと輸送される必要があることを見てきましたが、実際には、血中に存在する遊離アミノ酸の多くは、グルタミンとして輸送されています。すなわち、肝臓および腎臓以外の組織(特に骨格筋)で生じたグルタミン酸の多くは、「グルタミンシンテターゼ」と呼ばれる酵素によって、遊離アンモニアを取り込み、グルタミンへと変換され、肝臓あるいは腎臓へと輸送されます。

 このように、グルタミンは血中での「アンモニアの運搬体」として重要な役割を担っています。ちなみに、グルタミンはアミノ基(-NH3)を2つ持っています。

※骨格筋は、グルタミン合成酵素の活性は低いですが、骨格筋には多量のアミノ酸が含まれていますので、アンモニアを無毒化する臓器として重要になっています。

 肝臓に輸送されたグルタミンは、「グルタミナーゼ」と呼ばれる酵素によって、グルタミン酸とアンモニア分子へと変換されます。さらに、生じたグルタミン酸は前述のグルタミン酸デヒドロゲナーゼによる酸化的脱アミノ反応を受けて、α-ケトグルタル酸とアンモニア分子に変換されます。

 このようにして生じたアンモニア分子は肝臓における尿素回路によってによって尿素へと変換され、無毒化されていきます。

 ちなみに、このとき、尿素回路で処理できるアンモニアの量を上回った場合には、グルタミンシンテターゼによって、再び、グルタミンとして固定(無毒化)されて腎臓まで輸送されて、腎臓におけるグルタミン酸デヒドロゲナーゼにより、アンモニウムイオンの形で尿中へと排泄されます。

グルタミン酸とグルタミンを介したアンモニアの体内輸送についてはこれで以上です。
次は「3)尿素回路」について学んでいきましょう。

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