栄養機能化学（小嶋担当分）

１．ビタミンの機能；各種ビタミンの合成と欠乏症

２．酸素の機能；生体の酸化とその防御

　　　　教科書、参考書：栄養機能化学　朝倉書店など

ビタミンの機能；各種ビタミンの合成と欠乏症

1.ビタミンの概念
　糖質、脂質、タンパク質、無機質以外に、動物が栄養素として摂取しなければならない微量有機物質をビタミン（vitamin）という。

2.ビタミン研究の歴史
　古くから、ある種の病気が一定の食物で治ることが知られていた。例として、船員の壊血病が新鮮な果実や野菜によって治療や予防ができることが知られていた。しかし、栄養素の摂取不足による欠乏症の概念が明確になってきたのは以下の出来事からである（19世紀末から20世紀初頭）。日本海軍水兵の食事を改善（肉類、大麦、果実の量を増す）して脚気の発生を防いだ（1882年Takaki）。鶏に白米を与えて脚気を起こさせ、米ぬかを与えて治療した（1897年オランダ医師Eijkman）。モルモットに実験的壊血病を起こさせることに成功（1907年HolstおよびFrolich（ノルウエー）した。米ぬかに含まれる脚気の治療因子としてニコチン酸を取り出した。vitaminという言葉をはじめて使った（1911年Funk）。合成食でネズミは成長しないが牛乳を加えると成長することを明らかにした（1912年Hopkins）。合成食に卵黄を加えるとネズミが成長するがラードを加えたものでは成長が抑制されることを明らかにして、この脂溶性因子をfat-soluble Aと名づけた。また合成食中の粗乳糖を精製乳糖にかえるとやはり成長が抑制されるが、その原因の因子をwater-soluble Bと名づけた（1915年McCollumおよびDavis）。

3.ビタミンの特性
　ビタミンは、ごく微量で生体の代謝機能に大きな影響を与えるので、ホルモンに似ている。しかし、ホルモンは生体内で合成されるが、ビタミンは栄養素として摂取しなければならないもので体内合成できないものである。
　ビタミンが欠乏すれば各特有の欠乏症状を起こす（ビタミン欠乏症）。甚だしい欠乏でなくとも摂取量が必要量より少ないといろいろな障害を起こすことがある（ビタミン減少症）。また、過剰摂取は実験的に大量に与えると動物に毒性を示す場合がある（過剰症）が、自然に起こることとは稀である。
　ビタミンの中には補酵素の構成分をなっているものが多い。また酸化還元系を構成して物質代謝に直接・間接に大きな影響を与えている。これらの理由から、ビタミンが欠乏すると細胞の代謝障害が起こり、その結果としていろいろな欠乏症状が現れる。しかし、代謝障害と欠乏症の発現機構との関係は、まだ十分に明らかにされてはいない。
　ビタミンの要求は動物によって差のあるものがある。また一部分は体内で合成されるが量的な不足のためビタミンとして摂取しなければならないものもある。人やモルモットはビタミンC欠乏に陥るが、鼠は体内でCを合成しうるために欠乏症とならないのは著名な事実である。また多くのビタミンは細菌によって合成される。腸内細菌が合成したビタミンの供給をうけて、とくに食物からビタミンを供給しないでも欠乏症に陥らない場合がある。このような場合、腸内細菌叢の特別な変動によりはじめてビタミン欠乏が起こる。ビタミンの中には自然界に前駆物質として存在し、摂取後、体内で変化してビタミンとなるものがあり、このような物質をプロビタミンという。

4.ビタミンの研究法
　ビタミンの本態が明らかでなかった頃は、ビタミンの検出または定量には動物試験が唯一の方法であった。すなわち実験動物を2群に分け、一群には完全飼料を、他群には完全飼料から問題のビタミンだけを除いて与え、後群にみられる欠乏症を検討した。さらに、欠乏症の群にビタミンを含む餌の量を変えて与え、正常に戻る量を検討した。このような方法により、ビタミンの検出および含有量の測定が行われた。現在では、動物実験のほか、細菌の発育、酵素活性、細胞代謝、化学的方法などによって測定が行われ、研究方法がひろく発達して、主要ビタミンの化学的構造、生理的機能が詳細に調べられるようになった。

5.ビタミンの原料と合成
　ビタミンの含有量の多い動・植物組織からビタミンが抽出され、またビタミン合成能の大きな細菌に適当な培養条件を与えて合成させビタミンを抽出している。また、構造が決定されたものの多くは化学的によって合成され、一部は工業的に生産されている。
　化学的合成法の進歩とともにビタミンの誘導体や類縁化合物が多数合成され、K、B₁などは天然のビタミンより強い効力をもつものやすぐれた生理的特性をもつものが作り出されている。またビタミンの構造に似てビタミンの作用に拮抗する抗ビタミンも合成され、ビタミンの作用機構や代謝の研究にも用いられている。

6.単位について
　ビタミンの食品中の含有量を示すのに、便宜的に（一部は絶対量を示すことが難しいとき）生理的効力を示す特別な単位を用いることがある。単位の定め方を統一するために1931年国際単位（international unit；I.U.）が定められた。

食物から細胞のエネルギーを取り出すしくみ

（１）細胞の化学反応は、異化反応と生合成反応である。
（２）食物分子の3段階の分解でATPとNADHができる。
（３）生合成反応では、ATPとNADPHを利用する。

ビタミンと補酵素
化学的に不安定な結合を含む分子（例ATPなど）は、酵素表面に固く結合して酵素反応の反応基供与体として働く。補酵素coenzyme)：酵素の働きに不可欠、同じ反応基を必要とするさまざまな生合成反応で同じ補酵素が使われる。また、酵素とそれほど強く結合していないものもある。動物はほとんど補酵素を合成できないので、植物や微生物から食物として摂取しなければならない。動物にとって不可欠な栄養素であるビタミンは、補酵素の前駆体である。

補酵素の例：（基の転移反応に関与する場合）

ATP；リン酸機の転移をする
アセチルCoA；アセチル基とCoAとがチオエステル結合していて、アセチル機の運搬
NADH、NADPH；水素化物イオン（水素と電子）の運搬
ビオチン；カルボキシル基を転移する
S-アデノシルメチオニン；メチル基を転移する

ビタミン(vitamins)：9種+4種

ごく微量でタンパク質、糖質、脂質の機能を発揮させる補助因子で、重要な必須栄養素
全く合成できないか、必要量を満たすことができなくて食物から摂取する必要のあるもの

（１）水溶性ビタミン（9種）ビタミンB、C
ビタミンB群（8種）主にエネルギー代謝に関する酵素の補酵素として機能

�@ビタミンB1（チアミン）炭水化物の代謝、神経機能の維持
補酵素型への合成と機能　チアミン二リン酸
トランスケトラーゼ（ペントースリン酸経路）
ピルビン酸脱水素酵素複合体
α-ケトグルタル酸脱水素酵素
欠乏症：脚気

�AビタミンB2（リボフラビン）特に脂肪の代謝
補酵素型への合成と機能
酸化還元酵素；フラビン酵素の補酵素
脱水素酵素（コハク酸脱水素酵素）
酸化酵素（キサンチンオキシダーゼなど）
酸素添加酵素（キヌレニン3ヒドロキシラーゼなど）
電子伝達系
欠乏症：口内炎など

�BビタミンB6（ピリドキサール）特にタンパク質の代謝
補酵素型への合成と機能
アミノ酸代謝に関わる酵素の補酵素
欠乏症：口内炎、皮膚炎など

�CビタミンB12（シアノコバラミン）葉酸と協力して赤血球を作る
補酵素型への合成と機能
メチルマロニルCoAムターゼ、メチオニンシンターゼ
欠乏症：悪性貧血、メチルマロニルCoAの蓄積など

�Dナイアシン（ビタミンB3）タンパク質、脂質、糖質全ての代謝に関わる。
補酵素型への合成と機能
NAD+、NADH、NADP+、NADPHは、酸化還元酵素の補酵素
NAD+は、遺伝子発現に関与するタンパク質のポリADP-リボシル化の基質
欠乏症：ペラグラ（皮膚炎、皮膚が赤くただれる）

�Eパントテン酸（ビタミンB5）タンパク質、脂質、糖質全ての代謝に関わる。特に脂質の代謝。
補酵素型への合成と機能
CoA、アシルキャリアータンパク質の4’-ホスホパンテテインとして存在する。ピルビン酸脱水素酵素複合体、α-ケトグルタル酸脱水素酵素の補酵素、アセチルCoA、
欠乏症：疲れやすい、ストレスに弱い

�F葉酸（ビタミンM）タンパク質と核酸の合成に関係する。赤血球を作る。
補酵素型への合成と機能
ギ酸やホルムアルデヒドから1炭素単位を受け取り運搬する1炭素単位の転移酵素の補酵素
欠乏症：疲れやすい、食欲不振、白髪、巨赤芽球

�Gビオチン（ビタミンH）タンパク質、脂質、糖質全ての代謝に関わる。
補酵素型への合成と機能
アセチルCoAカルボキシラーゼ、ピルビン酸カルボキシラーゼ、プロピオニルCoAカルボキシラーゼ、β-メチルクロトニルCoAカルボキシラーゼの補酵素
グアニル酸シクラーゼを活性化（ｃGMP濃度の上昇）
欠乏症：疲れやすい、口内炎、悪性貧血

・ビタミンC　コラーゲンの生成、結合組織の強化、抗酸化作用
補酵素型への合成と機能
抗酸化能、コラーゲン合成における役割、生体異物の解毒代謝での役割、刈るに沈合成での役割、コレルテロール代謝での役割、鉄の吸収を促進
欠乏症　壊血病

（２）脂溶性ビタミン（4種）ビタミンA、D、E、K

�@ビタミンA　視覚機能、皮膚・粘膜の維持
機能：体の発育、皮膚などの上皮組織の分化、視覚機能、生殖に必須
欠乏症：夜盲症、皮膚や粘膜上皮の角化、性腺の退行変性、感染症に対する抵抗性の低下

�AビタミンD　正常な骨の発育促進
機能：体内カルシウムとリンの恒常性を維持し、骨形成に重要。十二指腸と腎尿細管で再吸収。副甲状腺ホルモンとの共同作用で血中の濃度を一定にする。
欠乏症：くる病、骨軟化症

�BビタミンE　過酸化脂質の発生を防止、脂肪の酸化を防ぐ。
機能：生体膜の安定化、抗酸化機能

�CビタミンK　血液凝固に関与する。
機能：抗出血性ビタミン血液凝固因子の生合成に不可欠。ビタミンK依存カルボキシラーゼの補酵素、プロトロンビンとカルシウムの結合能に関与、カルシウム代謝に関与
欠乏症：血液凝固遅延、出血症

（３）ビタミン様物質
コリン、イノシトール、リポ酸、オロット酸、カルニチン、ビタミンP、ビタミンU、ビフィズス因子、ユビキチン（コエンザイムQ）

気になるビタミン（2004年食品系の大学3年生アンケート結果)
＜ビタミンA＞・生殖に関係のあるビタミンだから・多彩な作用があるから。・今、生殖科学の勉強をしていてプリントにビタミンAは生殖に必須と書いてあったから。・ビタミンAは皮膚や粘膜に関わっていることが、乾燥肌にも関わっているのかどうかが気になる。・野菜ジュースに一杯入っていた。親がそういうのは体に悪いと言ってた。肝臓に溜まるのがいけないのだろうか。・注意喚起表示に“妊娠3ヶ月以内又は妊娠を希望する女性は過剰摂取しないように”とあるが何故か？以前からたまに商品パッケージで見かけ、不思議だったので

＜ビタミンB群＞・疲れやすい体質なのでビタミンB群が足りてないのかと思ったから。

＜ビタミンB₁＞・疲労回復効果があるから。最近疲れ気味なので。

＜ビタミンB₂＞・口内炎の薬でよく見かける。

＜ビタミンB₆＞・最近、口内炎ができたから。

＜ビタミンC＞・今使用している化粧水に含まれているから。・本当に肌に効くのか？・喫煙者よりも非喫煙者の方が2倍消費するということを聞いて興味を持ったから。・飲酒やタバコで消費するという点が気になります。・コラーゲンの生成や、抗酸化作用、結合組織の強化など肌にとても良いことが考えられて、もっと知りたい。・そろそろ風邪のはやる季節だから。・今いろいろな食品に1番表示されているのがビタミンCなので詳しく知りたい。・貧血になりやすいので、鉄の吸収を促進するビタミンCは意識して摂取するようにしています。・コラーゲンの生成に関与するから。食後に分けて食べよう。・最近タバコの量が増えてしまったので。・皮膚や、粘膜の維持や、健康維持に関与するということで気になります。・一番身近で摂取しやすいビタミンだと思うので。・ビタミンCを摂取すると風邪を引きにくいと聞いたことがあるが、具体的に体内ではどのように風に対して抵抗性を高めているのか知りたいから。・コラーゲンの生成、抗酸化作用などの働きがあるため。・太陽の光を浴びると生成されるところが気になる。どの程度の光で生成されるのだろう？

＜ビタミンD＞・骨が丈夫になるようなので。女性の方が骨粗しょう症になりやすいらしいから。・骨の発育に関係するビタミンで、カルシウムは単体だけでなく、このビタミンが存在することによって吸収が促進されるから。

＜ビタミンE＞・バイト先で疲れ目に効く成分ということで、VE入りの目薬を勧めています。食事としてではなく、直接目に注すことで吸収されるのか気になったので。・体内の脂質を酸化から守るので、ダイエットに効きそうだと思ったから。

＜ビタミンK＞・IやJをとばしていきなりKであるところ。・納豆が好物だからです。

＜葉　酸＞・最近良く耳にするのと、女性に大切なビタミンと言われているので知りたい。

＜パントテン酸＞・今まで聞いたことがないビタミンだから。しかも、代謝に関係していて重要そうだし、欠乏したら疲れやすく、スポーツマンには必要。

＜ビオチン＞・あまり聞きなれないビタミンだから。

＜ナイアシン＞・ビタミンCのように抗酸化作用はないが、皮膚や粘膜の健康の維持を助けるという共通した働きがあるので。

１．酸素を利用した生体防御系
（１）食細胞と殺菌作用
感染菌；白血球、アレルゲンタンパク質；免疫系、低分子有害物質；シトクロームp450酵素（モノオキシゲナーゼ）
（２）P450の役割（生理機能と異物の解毒・代謝、栄養素との関係）
水酸化反応；脂溶性異物の水酸化による水溶性化（第１相反応）、グルクロン酸、硫酸、クルタチオンで抱合（第２相反応）排泄
･ステロイドホルモンの合成
･胆汁酸の合成
･ビタミンDの活性化
・脂肪酸のω酸化
NADPH　NADHレダクターゼが共存している。
栄養状態がP450の活性に影響を与える。

２．生体内シグナル（局所的ケミカルメディエーター）の産生
（１） エイコサノイド（プロスタグランジン、トロンボキサン、ロイコトリエン）
筋肉の収縮･弛緩、血管の拡張（高血圧の抑制）、血小板の凝集抑制（血栓症の低減）作用
シクロオキシゲナーゼ経路とリポオキシゲナーゼ経路により作られる。
（２）一酸化窒素（NO）
血管拡張作用･筋肉の弛緩作用、血小板凝集抑制作用
L-アルギニンからNO合成酵素により､酸素とNADPHを利用して作られる。
（３） 過酸化脂質
さまざまな生体シグナル活性　p169参照

３．酸素毒に対する防御
（１）活性酸素とは
活性酸素種（ROS）ガンや虚血性疾患等の生活習慣病発生の因子、種類；p171参照
（２）活性酸素の毒性
酸素毒の防御系（抗酸化酵素と抗酸化物質）
（a）スーパーオキシドジスムターゼ　(Superoxide Dismutase,SOD)
（b）グルタチオンペルオキシダーゼ　(Glutathione Peroxidase,GSH-Px)
（c）カタラーゼ　（Catalase）
（d）抗酸化酵素の活性調節
セレン、ビタミンE、低タンパク食、EPA、栄養状態で活性に影響する

４．食物中の抗酸化成分(Antioxidants)
(a)ビタミンCとビタミンE
(b)カロテノイド
(c)生体内抗酸化因子
尿酸､ビリルビン、還元型コエンザイムQ､トランスフェリン､ラクトフェリン、セルロプラスミン

５．ヒト血漿での抗酸化防御機構

　　　　　　　　　　平成2年食品科学試験問題　（全問解答）

（A）食品材料には量の多少はあるが常に脂質（油脂）が含まれている。脂質は栄養源であり、かつ必須脂肪酸や脂溶性ビタミンの給源であるが空気中の酸素と接触して酸化され、Off-flavorの発生や着色、さらには有害成分を生成する。以下の問いに答えよ。
（A）油脂の酸化には酵素的酸化と非酵素的酸化がある。酵素的酸化の反応機構を説明せよ。また、その防止法を示せ。
（B）非酵素的酸化には自動酸化と光増感酸化がある。
　（１）自動酸化の反応機構を開始、進行、停止の順に説明せよ。その際、不飽和脂肪酸をRHとして示せ。
　（２）リノレン酸のヒドロペルオキシドの生成機構を図式化して説明せよ。
　（３）脂質の自動酸化を促進する因子として内的および外的因子がある。内的要因により起こる酸化として光増感酸化があるが、それについて説明せよ。
　（４）ヒドロペルオキシドは過酸化物形成期を過ぎると分解しはじめる。この分解機構で重要な反応を説明せよ。また最近マロンアルデヒド（二次生成物の一つ）が注目されているが、その理由を述べよ。
　（５）油脂の酸化防止には物理的手段と化学的方法がある。それぞれを具体的に説明せよ。

（B）食物の美味しさは五感で感じる。
　（１）味の基本についてHenningの説を示せ。
　（２）味の閾値とは何か。
　（３）甘味と化学構造に関するKier(1972)の説を示せ。
　（４）甘味物質の代表はショ糖であるが、価格が高く、肥満およびむし歯など健康上の問題が生じ、ショ糖に変わる甘味料の利用が増大している。ショ糖に変わる甘味料について次の語句を用いて説明せよ。異性化糖、マルチトール、転移糖。

（C）アミノカルボニル反応の主要経路を構造式を用いて説明せよ。
　（１）その際初期段階、中期段階および終期段階に分けて行うこと、
　（２）この反応により香気成分が発生する。この反応(Strecker反応)について説明せよ。

（D）“きらら397”は人気の高い道産米品種である。道産米の食味向上について次の語句を用いて説明せよ。アミロース、アミノペクチン、糊化、老化。

（E）野菜や果物などの香気は実に多種類の揮発性有機化合物から構成されているが、共通するものは不飽和脂肪酸の酸化分解物である。リノレン酸から生じる香気成分（青葉アルコールや青葉アルデヒド等）の生合性経路を構造式を用いて説明せよ。

（F）バイオテクノロジー技術を用いた食品素材の改変について具体例を上げ、説明せよ。

Q. ビタミンやミネラルは天然物から取るのが良いか、強化食品・飲料や錠剤などから取るのが良いか。
(学生のアンケート結果)

Q ; 栄養化学で重要な因子は何と考えるか？(学生のアンケート結果)

A ; 栄養化学で重要な因子
　　　　　　　　　　　　　　　 人数
　栄養のバランス・健康　　　　　　11
　 ビタミン・ミネラル　　　　　　　7
　 Ca　　　　　　　　　　　　　　　5
　代謝・酵素・消化酵素　　　　　　3
　タンパク質　　　　　　　　　　　3
　炭水化物　　　　　　　　　　　　1
　 酸素の働き　　　　　　　　　　　1
　水　　　　　　　　　　　　　　　1
　元素と化合物の性質　　　　　　　１
　自分について分かっていること　　1