text p.32- 体内の 無機質 inorganic substance ミネラ …onishi/29Mineral.pdf体内の 無機質 inorganic substance ミネラル mineral 酸素 oxygen 炭素 carbon 水素

体内の 無機質 inorganic substanceミネラル mineral

酸素 oxygen炭素 carbon水素 hydrogen窒素 nitrogen

カルシウムリンカリウムイオウナトリウム塩素マグネシウム

鉄銅マンガンヨウ素コバルト亜鉛モリブデンフッ素

180720（1講時）生化学

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text p.32-

Nh

人体を構成する元素 (%)酸素炭素水素窒素

カルシウム 2.0リン 1.1カリウム 0.35硫黄 0.25ナトリウム 0.15塩素 0.15マグネシウム 0.05

鉄 0.004銅 0.00015マンガン 0.00013ヨウ素 tracesコバルト 0.00004亜鉛 tracesモリブデン tracesフッ素 tracesセレンクロム

微量ミネラル

96%

4%

1%以下

主要元素

2

ミネラル

地球上 約100種類生体 約50種類必須 約20種類

多量ミネラル

無機質のおもな生化学的役割

アルカリ金属 １族 電荷の中和，膜電位の制御，構造の安定化

アルカリ土類金属 ２族 情報伝達，酵素の活性化，構造制御

遷移金属 3-12族 電子移動，酸化還元酵素

典型元素 13-17族生体物質の構造要素，コンフォメーション変化の引き金

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• 生体構成成分• 生体機能調節

1. カルシウム Ca calcium体重の２％ → 50 kgなら1 kg存在 99% 硬組織

1% 血液，筋，神経機能 ①骨，歯の構成成分

②血液凝固（第Ⅳ因子）③神経の刺激伝達④筋肉収縮，心臓の興奮性の調節⑤細胞内情報伝達（ホスファチジルイノシトールなど）⑥細胞接着（E-カドヘリン）⑦酵素反応の調節⑧細胞膜活動⑨カルモジュリン (Ca結合性タンパク質)：キナーゼ，ミオシン活性化

細胞内外のカルシウムイオンの動きは厳密に調節（内：0.05～10 µmol/L) 細胞外の1/106から1/500細胞膜カルシウムチャネル（情報伝達）カルシウムポンプ ＝ Ca2+-ATPase （能動輸送） 4

細胞は特定の物質を特定の条件が整った時のみ透過させる独特のしくみをもつ（内在性タンパク質）

チャネル：受動トランスポーター（輸送体）：

受動（構造変化あり）能動（ポンプとも呼ぶ）

イオンチャネル（5種：Na+, K+, Ca2+, 非選択性陽イオン，Cl-）

Ca2+イオンチャネル電位作動型IP3受動体NMDA受動態

2. リン P phosphorus存在 80% 硬組織

20% 血液，軟組織

機能 ①骨，歯などの硬組織②リン酸として核酸，ヌクレオチド，補酵素③リン脂質（細胞膜），リンタンパク質④糖リン酸エステル（グルコース6-リン酸など）としてエネルギー代謝⑤体液の酸アルカリ平衡，浸透圧の調節，筋肉の収縮

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Na は細胞外の主要イオン

K は細胞内の主要イオン

3. ナトリウム Na sodium

機能 ① 浸透圧の維持―水の移動② pH 酸塩基平衡の維持③ ナトリウム：筋収縮④ 細胞外カリウムが高い：神経，筋肉の興奮を抑制⑤ 低Na血症：細胞外液のNa+濃度が低下→細胞内浮腫

イオン 細胞内イオン濃度(mM)

細胞外イオン濃度(mM)

Na+ 10 142K+ 140 4Mg2+ 58 1.2Ca2+ 1 x 10-4 2.4Cl- 4 103

HCO3- 10 28

phosphates 75 4

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Textbook of Medical Physiology Fig.4-1より

ナトリウムポンプ細胞内はNa+濃度が低く，K+濃度が高く維持．

Na+, K+-ATPアーゼが担う

ATPを分解しそのエネルギーを用いてNa+(3)を排出し，K+(2)取り込みを行う

カリウム K potassium

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細胞膜上の酵素で濃度勾配形成（膜電位）ナトリウムポンプ（ナトリウム/カリウムポンプ）Na+, K+-ATPase

↓脱分極，神経活動の源

アルドステロン（カリウムの調節因子）

アルドステロン作用過剰（副腎皮質機能亢進症） → カリウム欠乏

腎不全（腎での排泄に障害）アジソン病（副腎皮質機能不全） → 髙カリウム血症腎血流低下（高度脱水，ショック）

低カリウム血症：鼓腸，呼吸困難，頻脈，興奮性麻痺，心停止

髙カリウム血症：神経，筋が易刺激性，骨格筋の筋力低下，筋弛緩性麻痺，徐脈，不整脈，心停止

膜電位の脱分極によって機能する心筋にとっては，カリウム失調は致死的な機能失調につながる

4. 硫黄 S sulfur

存在 メチオニン，システイン，シスチングルタチオンビタミンB1，ビオチングリコサミノグリカン： コンドロイチン硫酸

デルマタン硫酸ケラタン硫酸

硫黄は化学的に活発な元素で多くの元素と化合するが，特に酸素との親和性が強く種々の酸化物を生成する．

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5. 塩素 Cl chlorine細胞外液の主要陰イオン細胞内濃度は低い①浸透圧維持②酸塩基平衡③胃酸の成分 HCl

ペプシノーゲンからペプシンへの活性化ペプシンの至適 pHの維持鉄（３価）をイオン化し，腸管からの吸収促進摂食食物の殺菌消毒

④好中球酵素により次亜塩素酸となり，好中球の貪食作用に関与⑤酵素の活性化：アミラーゼ，ウレアーゼ

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ウレアーゼ(NH2)2CO + H2O 尿素 urea

→ CO2 + 2 NH3

好中球ペルオキシダーゼ（myeloperoxidase)Cl-+ H2O2 → OCl- + H2O

CO2 + H2O → H2CO3

H2CO3 → HCO3- + H+

H+ + Cl- → HCl

6. マグネシウム Mg magnesium

存在 60% 硬組織30% 筋その他すべての細胞中に存在

約300種類の酵素の補因子ATPが基質となる酵素反応（リン酸転移酵素）の活性化

ヘキソキナーゼなどの解糖系Na+-K+-ATPaseCa2+-ATPase

Mg欠乏→ 細胞内外のNa, K, Caのバランスが崩れ心機能に影響Ca/Mg比が高い（Mgが低い）→ 虚血性心疾患

精神的抑うつ症

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担体 イオン 細胞外イオン濃度(mM)

トランスフェリン Fe3+ 10-16

セルロプラスミン Cu2+ 10-14

アルブミン Cu2+ 10-14

アルブミン Zn2+ 10-8

リンタンパク質 Ca2+ 10-3

担体を必要としない Mg2+, Na+, K+ 10-3—10-1

生理的な酸素濃度でFe2+はFe3+に速やかに酸化される．Fe3+は中性溶液にはきわめて溶けにくい生体内では超微量の遷移金属の多くが特別な担体タンパク質と結合して輸送される

遷移金属の輸送

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金属の貯蔵フェリチン 鉄は肝臓，脾臓，骨髄中の細胞に吸収され貯蔵（3-4 g).

フェリチン Fe2+, Fe3+

メタロチオネイン Cu2+, Zn2+

セルロプラスミン Cu2+

アルブミン Cu2+, Zn2+

リンタンパク質 Ca2+

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微量ミネラル

7. 鉄 Fe iron, ferrous, ferric総量は３～４ｇ．70%がヘモグロビンと結合，30%がフェリチンとして貯蔵

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図2-36

ヘモグロビン 血液中の酸素運搬 70%2600mg

ミオグロビン 筋肉内に酸素を保持，運搬

酵素（チトクロム，カタラーゼ，ペルオキシダーゼ） 電子伝達系，酸化還元反応

トランスフェリン アポトランスフェリンと結合して血漿中，鉄の輸送 3~4 mg

フェリチン（肝，脾，骨髄） アポフェリチンと結合して貯蔵

30%300~1000

ヘモジデリン アポフェリチンと結合していない鉄

生体内での鉄の存在形態

わずか，35 mgの鉄が，酵素，輸送タンパク質，O2結合タンパク質，酸化還元タンパク質による代謝において活発に働いている．

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食品からの鉄の吸収 1 mg

ヘム鉄（鉄＋ポルフィリン）はそのまま特異的担体で腸管上皮細胞に吸収．細胞内でFe2+とポルフィリンに非ヘム鉄はFe3+では吸収されず，Fe2+に還元されて，２価金属イオン輸送担体に結合して吸収．亜鉛，銅と競合

細胞内で3価（Fe3+）となり，アポトランスフェリンと結合し(トランスフェリン) ，血漿中を輸送 →

• 骨髄で幼若赤血球内でヘモグロビン合成に利用• 組織（肝，腎，脳，筋）で酵素，ミオグロビン利用• アポフェリチンと結合し (フェリチン)，網内系細胞（肝，脾）に貯蔵．• アポフェリチン量を超えた鉄はヘモジデリンとして細胞内に沈着

一度吸収された鉄は，赤血球の崩壊の際にヘモグロビンのヘムの分解に伴い遊離 → 可能な限り再利用され，体外への損失は非常に少ない．鉄の不足 → 鉄欠乏性貧血鉄の過剰（大量輸血等で鉄が過剰に蓄積）→ ヘモジデリンが肝，皮膚に沈着

図2-36

8. 銅 Cu copper (cuprum, ラテン語)骨，肝臓，脳，腎臓，筋，血液に存在．大部分セルロプラスミン

①造血，血液凝固および骨形成に関わる酵素の補欠分子族ヘモグロビンの合成に関与（セルロプラスミンを介して）

②酵素の補因子シトクロムオキシダーゼ（シトクロムaa3)スーパーオキシドジスムターゼ（SOD）

2 O2-• + 2 H+ → O2 + H2O2

チロシナーゼ（カテコールオキシダーゼ，モノフェノールモノオキシダーゼ）2 カテコール + O2 → 2 o-キノン + 2 H2O

セルロプラスミン（フェロオキシダーゼ）①銅の運搬と代謝②鉄の代謝に関与している

血漿中の銅の90～95％はセルロプラスミンと結合して存在２価の鉄イオンを3価に変える（酸化する）4 Fe2+ + 4 H+ + O2 → 4 Fe3+ + 2 H2O

欠乏→ 貧血，白血球減少，骨変化，精神発達遅延先天性銅代謝異常症：wilson病

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9. マンガン Mn manganese

存在 生体内総量：１２～２０ mg肝臓，腎臓に貯蔵胆汁中に排泄

機能 スーパーオキシドジスムターゼ（SOD）の活性基2 O2

-• + 2 H+ → O2 + H2O2

ATPaseメバロン酸のリン酸化，スクアレンへの転化

欠乏症状 稀．過剰：気道などからの長期曝露でマンガン中毒（精神症状）

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Cu/ZnFe/Mn

Ni

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10. コバルト Co cobalt

成人体内に約1 mgビタミンB12（コバラミン）の成分

ビタミンB12の欠乏 → 悪性貧血

11. 亜鉛 Zn zinc1.4 g～2.3 g存在肝臓，膵臓，骨，すべての臓器，組織，血液細胞に含まれる．前立腺が最も高濃度．

欠乏 皮疹，味覚低下，下痢，貧血機能 ①免疫，味覚，皮膚や骨の機能の維持

③金属酵素 炭酸脱水酵素カルボキシペプチダーゼアルカリ性ホスファターゼDNAポリメラーゼRNAポリメラーゼマトリックス金属プロテアーゼ（MMP）

④インスリン 膵臓β細胞貯蔵時にZnを中心に6量体②zinc finger 転写調節因子のモチーフ

（DNAに結合するドメイン.亜鉛が安定化）18

ステロイドホルモンの受容体に多い

12. モリブデン Mo molybdenum金属酵素

キサンチンオキシダーゼの補因子キサンチン ＋ NAD+ ＋ H2O → 尿酸 + NADH

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キサンチン 尿酸

アルデヒドオキシダーゼ：ヒポキサンチン→キサンチン亜硫酸オキシダーゼ：亜硫酸→硫酸

欠乏は稀．過剰：銅不足（モリブデンは銅と拮抗するので）

13. フッ素 F fluorine 体内へ吸収：90％

大部分は小腸から一部は胃から

代謝 90％ 尿中排泄10％ 硬組織に沈着

歯：エナメル質表層，象牙質歯髄側で濃度高

中毒 急性 3～5 mg/kg 体重 の摂取 → 嘔吐，下痢それ以上大量摂取 → 低カルシウム血症

慢性 10 ppm長期 → 骨軟化症，斑状歯

機能 フルオロアパタイト（結晶性向上）→う蝕予防効果

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14. ヨウ素 I iodine生体内総量：30 mg

存在 60% 甲状腺甲状腺濾胞上皮細胞は血中のヨウ素を取り込み，チログロブリンのチロシン残基をヨウ素化

甲状腺ホルモンの生成トリヨードチロニン（T3）チロキシン（T4）

欠乏（ヨードが土壌に含まれていない地域の農産物，水の摂取）→ 甲状腺機能障害，発育障害，知能障害

欠乏症（胎生期）：クレチン病過剰症：甲状腺腫

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セレン Se seleniumタンパク質中にセレノシステイン残基（Sec: selenocysteine)として存在する．

セレノシステインは酸化還元酵素に存在• グルタチオンペルオキシダーゼ

2 GSH + H2O2 → GS-SG + 2 H2O

細胞内で抗酸化作用各種の金属類，有害金属化合物の毒性発現を抑制膵臓の働きを正常化し脂質の消化吸収に重要な役割

• チオレドキシン還元酵素，ギ酸還元酵素，グリシン還元酵素

欠乏 → 狭心症，心筋梗塞，ガンの発生を高める欠乏症：克山病（中国）

H2N CH C

CH2

OH

O

SeH

システインの硫黄(S)がセレン(Se)に置き換わっている

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クロム Cr chromium吸収されにくい穀物に存在するクロムは精製でほとんど失われる

小麦 98%米 92%

耐糖因子（GTF: glucose tolerance factor）を構成する耐糖因子はインスリンが体内でレでプターと結合するのを助ける