解糖とは？ 解糖が行われる場所、定義、解糖経路のステップ。
主な学習目標
- グルコースの分解と酸化の経路について学ぶ
- グルコース代謝がどのように寄与しているかを知る
- グルコース代謝がどのように老化と関連しているかを学ぶ
- グルコース代謝をどのようにサポートできるかを発見する
解糖とは何か？
解糖は、炭水化物であるグルコースを分解して、ATPという形で細胞のエネルギーを生産する代謝経路のことを指します。 解糖は、経路の化学反応の産物として直接的に、またグルコースの化学結合から抽出された電子によって生成されたエネルギーを用いて間接的に、ATPを生成する。 これらの電子は、NAD 分子によってミトコンドリア電子輸送系に運ばれ、そこで酸化的リン酸化（OXPHOS）による ATP 生産の動力源として使用されます。
解糖は細胞代謝の経路である
代謝は、生命を維持する一連の化学反応である。 その中には、食物からエネルギーを得て、そのエネルギーを使って細胞の活動に必要な分子を合成するものがある。 代謝は2種類のプロセスに分けられる。 1つは、大きな分子を小さな分子に分解し、化学結合に蓄えられたエネルギーを放出する一連の分解経路である異化作用、もう1つは、小さな分子から大きな分子を作り、その化学結合に細胞のエネルギーを蓄える一連の生合成経路である異化作用である。 つまり、エネルギーを得るための食物の分解は異化反応によって行われ、より単純なユニットから複雑な細胞分子を合成することは同化反応によって行われる .
食物に含まれるエネルギーは、細胞がすぐに利用できるものではないので、代謝反応によって細胞が利用できるエネルギーの形に変換されなければならない。 この形態はアデノシン三リン酸（ATP）と呼ばれる分子で、すべての生物系に共通する「細胞のエネルギー通貨」です。 ATPは、あらゆる種類の細胞や組織で、あらゆる種類の生物学的機能に利用されており、例えば、筋肉の収縮や神経細胞の活動の維持に力を発揮している。
代謝とは、生命を維持するための、エネルギーを必要とするプロセスとエネルギーを消費するプロセスが相互に関連した総体です。
栄養素からエネルギーを取り出してATPを生成する一連の代謝反応は、細胞呼吸と呼ばれています。 呼吸の過程では、酸素（O2）が消費され、二酸化炭素（CO2）、水（H2O）および熱が生成される。 栄養素からエネルギーを取り出すには、酸化還元反応（還元：電子の獲得＋酸化：電子の損失）と呼ばれる化学反応を利用します。 酸化還元反応では、電子（原子核の周りを回る電気を帯びた粒子）が、ある分子（酸化）から別の分子（還元）へ移動する。 したがって、細胞呼吸では、栄養素が酸化され、ATPとして細胞のエネルギーが生成されると言います。
細胞がATPを生成するために使う主な燃料は、炭水化物の分解で得られるブドウ糖と、中性脂肪の分解で得られる脂肪酸で、タンパク質の分解で得られるアミノ酸も使われますが、その程度は小さくなっています。
細胞呼吸は大きく3つの段階を経て行われる。 第1段階では、燃料分子が酸化され、アセチル-コエンザイムA（アセチル-CoA）のアセチル基の形で炭素2個の断片が生じる。 第2段階では、このアセチル基がミトコンドリア内でクエン酸サイクルで酸化され、電子はビタミンB3依存性のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NAD）とビタミンB2依存性のフラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）という電子伝達体に受け渡される。 第3段階の呼吸では、電子はミトコンドリア内の電子輸送鎖（ETC）を介して酸素に移動し、そのエネルギーは酸化的リン酸化（OXPHOS）というプロセスによってATPを生成するための動力として使用される .
解糖は、細胞呼吸の第一段階の一部で、グルコースを酸化する経路です。 解糖はピルビン酸という分子を生成し、それがアセチル-CoAに変換されて細胞呼吸の第2段階で使用されます。
細胞呼吸は非常に遅い燃焼反応のようなもので、燃料を燃やしてエネルギーを生成し、その過程で酸素を消費して二酸化炭素と熱が放出されます。
図1：食物からエネルギーを抽出し貯蔵する代謝。 出典 OpenStax, Anatomy and Physiology; 24.1 Overview of Metabolic Reactions. ライセンス CC BY 4.0.
グルコースとは何か? なぜ解糖が重要なのか」
グルコースは炭水化物の一種です。 炭水化物とは、炭素、水素、酸素からなる生体分子の一種で、糖類、でんぷん、セルロースなどが含まれます。 より具体的には、グルコースは単糖であり、糖の最も単純な形態であり、炭水化物の最も基本的なタイプです。
私たちは、デンプンのような、単糖がいくつかから多数結合した複合糖質（すなわち、多糖類）の分解から食物グルコースを摂取しています。 また、スクロースやラクトースなどの二糖類（2つの単糖類単位からなる）のような、より単純な食物糖の分解によってもグルコースを得ることができる。 フルクトースやガラクトースなどの他の単糖もエネルギー生産に使用できるが、それらはまず、グルコース代謝経路で使用できる他の分子に変換される必要がある。 グルコースは、すべての生物にとって最も重要なエネルギー源です。 人体では、グルコースは大部分の細胞にとって好ましい燃料であり、赤血球が使用できる唯一の燃料であり、非飢餓状態で脳が使用する好ましい燃料であり、激しい運動中に筋肉が使用する主燃料である。
ブドウ糖は非常に重要なので、私たちの体には、血糖値を比較的一定に保ち、脳に常にブドウ糖が十分に供給されるようにするためのメカニズムがいくつか備わっています。 食後、血糖値が上昇すると膵臓ホルモンのインスリンの分泌が増え、主に肝臓や骨格筋などの組織へのブドウ糖の取り込みと、グリコーゲンという形でのブドウ糖の貯蔵が促進されるのです。 食間は、血糖値の低下により膵臓ホルモンのグルカゴンの分泌が増加し、貯蔵されているグリコーゲンのグルコースへの分解と血中への放出が促進される。 グリコーゲンの貯蔵は、身体活動をサポートするためにグルコースが使用されている場合にも動員されます。
炭水化物であるグルコースは、ほとんどの細胞にとって最も重要なエネルギー源です。
グルコースは解糖で酸化されてATPを産生する
解糖は細胞の液体マトリックス（サイトゾル）で、2段階に分かれた10の反応のシーケンスで行われます。 第1段階では、グルコース（炭素数6）が2つの炭素数3の断片に分割されるが、この過程で実際にATPが消費されてグルコースの分解が準備される。 第2段階では、各炭素3フラグメントが酸化されてピルビン酸という分子になり、ATPが生成される。
酸化反応で取り出された電子は、酸化的リン酸化（OXPHOS）を通じてさらにATPを生産するために、ミトコンドリアの電子輸送鎖（ETC）に電子を運ぶ酸化還元分子であるNAD+に移動されます。
図2: 解糖。 出典 OpenStax, Anatomy and Physiology; 24.2 Carbohydrate Metabolism.
License CC BY 4.0.
Glycolysis is the metabolic pathway that breaks down glucose to produce ATP.
The First Stage Of Glycolysis Uses ATP
グルコースは膜トランスポーターによって容易に細胞に出入りできるようになる。 しかし、リン酸化という反応によって、リン酸基（リン原子に3個の酸素原子が結合したもの）という化学構造が付加されるため、簡単な構造変更で、細胞内に留まって代謝されるようになる。 解糖はまさにこの反応から始まります。グルコースをリン酸化し、細胞内に閉じ込めておくのです。
グルコースのリン酸化は、ヘキソキナーゼという酵素が、ATPからリン酸基を取り出し、グルコースに転移させてグルコース6-リン酸を生成します（図3のステップ1参照）。 ヘキソキナーゼはキナーゼと呼ばれる酵素群に属している（ATPから得たリン酸基を用いて基質をリン酸化する酵素、またはその逆の酵素の分類である）。 すべてのキナーゼ酵素は、その活性のためにマグネシウムを必要とします。 したがって、マグネシウムはこの反応に重要な役割を担っているのです。 実際、マグネシウムは、解糖経路に関与するすべてのキナーゼの補因子であるため、一般に解糖において重要な役割を担っています 。
解糖の次のステップでは、グルコース6-リン酸がフルクトース6-リン酸に変換され（ステップ2、図3）、これが再びリン酸化されてフルクトース1,6-ビスリン酸が生成されます（ステップ3、図3）。 この2回目のリン酸化は、別のキナーゼ（ホスホフルクトキナーゼ）が、もう1分子のATPとマグネシウムを補酵素として行っている。 この炭素数6の分子は、次に炭素数3の2つの分子に切断され（ステップ4、図3）、これらは異なるが相互に変換可能である（ステップ5、図3）；グリセルアルデヒド-3-リン酸の形は解糖の第2段階で用いられる.
図3：解糖の第1段階. 出典 OpenStax, Biology; 7.2 Glycolysis.
License CC BY 4.0.
解糖の第1段階は、ATPを使ってグルコースを分解のために準備する。これは、ATPの投資であり、報われることになるだろう。
The Second Stage Of Glycolysis Produces ATP
第二段階の最初の反応は、グリセルアルデヒド3-リン酸を1,3-ビスホスホグリセリドに変換します（ステップ6、図4） 。 この反応には、酸化とリン酸の付加という2つの連関した過程がある。 酸化反応では、グリセルアルデヒド3-リン酸から2個の電子を取り出し、酸化還元分子であるNAD+（ビタミンB3由来）に受け渡し、NADH型に還元される。 次のステップでは、別のキナーゼ（ホスホグリセリン酸キナーゼ、マグネシウムを補酵素とする）により、ATPが付随して3-ホスホグリセリン酸が生成される（ステップ7、図4）。 クオリア生命では、マグネシウムとビタミンB3（ナイアシンアミド、ニコチン酸）を補給することで、これらの反応をサポートしています。
次の2つのステップでは、3-ホスホグリセレートが再配列され（ステップ8、図4）、さらに脱水されて（ステップ9、図3）ホスホエノールピルビン酸が生成されます。 解糖の最終段階では、ホスホエノールピルビン酸はピルビン酸に変換され、マグネシウムを補酵素としてピルビン酸キナーゼがもう一つのATP分子を生成する（ステップ10、図4）。
第2段階では、炭素3単位から2分子のATPが生成されるので、グルコース1分子からは4分子のATPが生成されることになる。 解糖の第1段階が2分子のATPを使用してグルコースを分解する準備をすることを考えると、解糖の正味の結果は、グルコース分子あたり2分子のATPの生産である。
このATP生産のメカニズムは、基質レベルのリン酸化と呼ばれる。 高エネルギー基質の低エネルギー生成物への変換によって放出される化学エネルギーを利用して、リン酸基の転移を動力とし、高エネルギー分子であるATPを生成するのである。 基質レベルリン酸化は、より速く、しかし効率よくATPを生成することができる。 また、NAD+を1つ使ってNADHになるというコストもかかる。 このシリーズの第4回で説明するように、ほとんどのATPは酸化的リン酸化によって生成され、NAD+は細胞呼吸の最終段階で回収されます。
図4：解糖の後半部分。 出典 OpenStax, Biology; 7.2 Glycolysis.
License CC BY 4.0.
解糖の第2段階ではピルビン酸、NADHおよびATPが生成される。解糖の純結果は、グルコース分子あたり2つのATP分子の生成だが、NAD+1つを犠牲にしている。
解糖で生成されたピルビン酸はミトコンドリアでアセチルCoAを生成する
解糖はグルコースの完全酸化で生成できるATPのほんの一部しか生成しない。 それは解糖で生成されたピルビン酸分子がまださらに酸化される可能性があるからである。 ATP産生の大部分が行われるのは、次の細胞エネルギー生成経路であるクエン酸サイクルとOXPHOSである。
解糖が細胞質で行われるのに対し、クエン酸サイクルとOXPHOSはミトコンドリア内で行われる 。 したがって、解糖の最終産物であるピルビン酸はミトコンドリアに運ばれ、炭素2個の断片であるアセチル単位と二酸化炭素（CO2）に変換される。 この反応は、ピルビン酸脱水素酵素複合体と呼ばれる酵素群によって行われ、ピルビン酸から取り出された電子はNAD+に移動し、NAD+をNADHに還元する。 アセチルユニットはコエンザイムA（CoA、パントテン酸すなわちビタミンB5由来）に移動してアセチルCoAとなり、炭素数2のユニットがクエン酸サイクルに供給されて、さらに酸化されることになる。 各アセチル単位から抽出された電子は、その後、OXPHOSを通じてATPを生成するために使用されます。
図5：ピルビン酸酸化。 出典 OpenStax, Anatomy and Physiology; 24.2 Carbohydrate Metabolism.
License CC BY 4.0.
ミトコンドリアでのピルビン酸からアセチルCoAへの変換は、解糖とクエン酸サイクルの間のリンクとなるものである。 これはいくつかの補酵素を必要とする重要な反応である。 CoA（パントテン酸由来）、NAD+（ビタミンB3活性を有する化合物から合成、またはL-トリプトファンを基質としビタミンB6を補酵素として使用）、FAD+（フラビンアデニンジヌクレオチド、ビタミンB2すなわちリボフラビン由来）、チアミンピロリン酸補酵素（ビタミンB1すなわちチアミン由来）およびリポ酸 … 続きを読む
クオリア生命では、ナイアシンアミド・ニコチン酸（ビタミンB3）、リボフラビン（ビタミンB2）、パントテン酸（ビタミンB5）、チアミンHCl（ビタミンB1）、ピリドキサール-5′-リン酸（ビタミンB6）、リポ酸、L-トリプトファン、マグネシウムを供給しこれらの反応をサポートしています。
ピルビン酸はミトコンドリアでアセチル-CoAに変換され、このステップは解糖とクエン酸サイクルおよび酸化的リン酸化をつなぐものである。 これは、NAD+ユニット1個のコスト（これは後で回収される）を伴う。
解糖で生成されたNADHはミトコンドリアでATPを生成する
NAD+は、ミトコンドリアの電子輸送鎖（ETC）に電子を運び、OXPHOSを通してATPを生成する酸化還元分子である。 グルコース1分子をアセチルCoAに酸化する際に、4個のNAD+が使われ、それぞれが2個の電子を受け取ってNADH型となる。 NAD+はATP生成の中心的な要素であるため、細胞は電子を受け取ることができるNAD+のプールを維持することが重要である。
クオリアライフには、細胞内のNAD+プールのアップレギュレーションをサポートする成分がセットで配合されています。 これらの成分には、グレーププロアントシアニジン（グレープエキス、BioVin®）、レスベラトロール（グレープエキス、BioVin®）、コエンザイムQ10、リポ酸が含まれます。
NADHはミトコンドリアの電子輸送鎖に電子を運び、酸化的リン酸化によってATPを生産します。
グルコース代謝が老化に与える影響
グルコースやその他の単糖は、タンパク質、脂質、核酸のアミノ基と反応して、非酵素的糖化という構造変化を起こす能力がある。 このような修飾を受けた分子は、AGEs（Advanced glycation end-products）と呼ばれ、機能を失う、つまり損傷を受けた分子となる。
AGEsは通常、細胞の品質管理機構によって分解されるが、組織内に蓄積されることもある。 例えば、血糖値が高い状態が長く続くと、AGEの産生が増加する。 AGEの分解は、代謝効率や細胞防御機構の損失が進行するため、加齢とともに減少します。
AGE蓄積は、老化や加齢性機能不全の発症に大きく関与しています。 例えば、タンパク質の糖化は、血管の硬化や、脳におけるタンパク質の神経変性凝集に寄与する可能性があります。 さらに、AGEsは損傷分子である以外にも、酸化ストレスや他の損傷分子の産生を増加させ、組織機能不全の一因となるシグナル伝達経路を活性化します。
したがって、糖質代謝の効率は、細胞のエネルギー生産だけでなく、糖化に伴う細胞損傷を最小化するためにも重要であることがわかります。 糖質が細胞のエネルギー経路で使われないと、タンパク質や脂肪、その他の分子と反応し、不健康な老化の一因となる。 これらの理由から、私たちの体をAGEの蓄積から守るために、グルコース代謝経路をサポートすることが重要です。
加齢によるグルコース代謝と細胞防御機構の効率低下は、有害な先進糖化最終生成物（AGEs）の蓄積につながります。
グルコース代謝/解糖をサポートすることが重要な理由
グルコース代謝をサポートすると、解糖流の健康維持に貢献することになります。 グルコースは、私たちの細胞や組織にとって最も重要なエネルギー源であるため、これは何よりもまず重要です。 健康的な糖質代謝は、生物学的プロセスに電力を供給するATPを効率的に生産するために重要です。
効率的なグルコース代謝は、健康的な血糖値を維持するためにも基本的なことです。 他の利点（たとえば健康的なインスリン信号など）の中で、これはタンパク質や脂肪の有害な糖化反応の可能性を減少させるのに役立ちます。
グルコース代謝は、解糖とアセチル-CoA生成に関与する補因子の前駆体を提供することによってサポートすることが可能です。 これまで見てきたように、クオリアライフはそれらの成分を提供しています。 また、クオリアライフでは、グルコース調節酵素をサポートする成分として、ロスマリナスオフィシナリス葉エキス（ウルソール酸50％）.を配合しています。 さらに、クオリアライフには、AGEsから身を守るために機能する細胞の品質管理経路をサポートする成分も含まれています。 さらに、クオリアLIFEには、AGEsから保護する機能を持つ細胞の品質管理経路をサポートする成分として、Sirtmax® Kaempferia parviflora Root ExtractとRosmarinus officinalis Leaf Extract (50% ursolic acid) .
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