脳でエネルギーとして使われるケトンについて調べてみた

ケトンということばをよく聞くようになったのは、糖質制限ダイエットが流行してからです。

ケトンが化学用語だというのは、昔、共通一次試験で化学Ⅰと生物Ⅰを選択したので覚えていました。確か生物Ⅰにはフェニルケトン症の説明がでていて、ケトンと聞くと何となく体によくないイメージを勝手に思っていました。

中鎖脂肪酸とはで書きましたが、アルツハイマー病の機能回復に、消化されやすい中鎖脂肪酸から得られるケトン体が役に立つのではと期待されています。ケトン体はエネルギーとして使われるのです。

この記事では、ケトンとはどのようなもので、どのようにエネルギーに変わるのか調べてみました。ケトンとケトン体ということばを使いましたが、もちろん違いがあります。

ケトンは形をあらわしている

このブログを始めてから化学的な内容については最初はウイキペディアを頼りにしていたのですが、足りないことがしばしばあるので、古本屋で高校生の化学の参考書を買ってきました。

ケトンとは、物質の名前ではなく、化学的に特定な構造をもつ物質の総称です。下図を見てください。

カルボニル基(−C(=O)−)の両側にR、R’という炭化水素基がついたものがケトンです。「基」というとわかりにくくなりますが、結合する「ある集まり」だと思ってください。具体的には、例えば脂肪酸の端にあるカルボキシル基(-COOH)を抜かした部分が炭化水素基にあたります。

その上にあるアルデヒドは、カルボニル基の片方の腕がHに決められています。もう一方が炭化水素基Rです。構造が結構似ています。

ketone2

なぜあまり関係がないアルデヒドを載せたのかというと、私がビールがとても好きだからです。ビールを飲むと体の中でアルコールがアセトアルデヒドに分解されます。二日酔いの原因はこれです。分子式はC2H4O。

アセトアルデヒド

アセトアルデヒド

もう一つマニキュアを落とす時に使う除光液はアセトンからできています。分子式 C3H6O。一番簡単なケトンがアセトンです。除光液というとツンとくるにおいまで思い出せます。

アセトン

アセトン

このように具体的な構造式を書いておくとイメージしやすくなります。2つの構造式と一番上の図をよく見比べるとケトンの形がよく分かると思います。何もむずかしくありません。そして、似ているけれどちょっとした構造の違いで性質がちがう物質になるというところが化学の面白いところです。このような違いは構造式を見ないと分かりません。

ところで、脂肪はエネルギー源になるためにアセチルCoAまで分解されるで書きましたが、脂肪がエネルギーとして使われるには、細胞の中にあるミトコンドリアでβ酸化という過程を経て、アセチルCoAという物質になってエネルギー源となります。

下図のアシルCoAとアセチルCoAを見てください。構造は、ケトンと似ています。しかし、補酵素CoAはとても複雑な構造を持つ物質で、構造式を正確に書くとP(リン)やN(チッソ)が入っていて炭化水素基ではありません。

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補酵素CoAの構造式は下図です。赤点線で囲ってある部分が、CoAです。左端の水素(H)は、アシル基と結合するときに、アシル基のOHと結合して水になり、外れます。硫黄(S)がアシル基と結合します。(上図)

アシル基とは、脂肪酸のカルボキシル基(-COOH)からOHを抜いた形、すなわちR-CO-というような形の基のことです。上図アシルCoAの硫黄(S)より左側がアシル基です。

下図にあるようにCoAにはP(リン)やN(チッソ)の他にS(硫黄)まで入っています。これはケトンではありません。赤線を入れたのは、S-CoAを分かりやすくするためです。左端の水素(H)は他のものと結合するときに離れていきます。

CoA

CoA

ちなみに、補酵素A(CoA)は、エネルギー源ではありません。アセチルCoAの図を見てください。脂肪酸からCoAに連れられて炭素(C)2個からなるアセチル基が切り離されます。これがアセチルCoAと呼ばれます。

では、脂肪酸からケトン体にどのように変化するのでしょう。そして、なぜアセチルCoAではなくてケトン体になるのか興味があります。

なぜかというと、アセチルCoAは、細胞が生きていくためのエネルギーをつくるTCA回路に入る最初の物質だからです。アセチルCoAはTCA回路に入りますが、利用されるのは炭素2つからなるアセチル基です。脂肪酸の補酵素A(CoA)はまたそこで切り離されて外に出て来ます。脂肪酸がエネルギーとなるアセチルCoAに変化する反応をβ酸化といいますが、β酸化は、長い脂肪酸の炭化水素基から炭素を2個ずつ切っていく反応です。

ケトン体はエネルギーが欠乏するとつくられる

ケトン体とは、アセト酢酸、3-ヒドロキシ酪酸(β-ヒドロキシ酪酸)、アセトンの3つのことをいいます。

ケトン体は、肝臓でつくられます。

例えば絶食している時など、ブドウ糖が著しく少ない状態では、アセチルCoAをミトコンドリアのTCA回路で処理する時に必要なオキサロ酢酸ができないため、TCA回路が十分に回りません。オキサロ酢酸はTCA回路外にある解糖系でブドウ糖が分解されたピルビン酸からつくられます。

そのため、TCA回路で処理できなかった過剰のアセチルCoAは肝臓でケトン体になります。アセトンは上に省略なしの構造式を載せました。アセト酢酸、3-ヒドロキシ酪酸(β-ヒドロキシ酪酸)の構造式は下の通りです。

アセト酢酸は、二分子のアセチルCoAから作られます。CoAの複雑な構造は何も考える必要はありません。炭素2個からなるアセチル基が2つくっついたと考えればよいです。アセト酢酸から脱炭酸(-CO2)すると、アセトンになり、アセトンは呼気から蒸発していくのでエネルギーには変わりません。

アセト酢酸

アセト酢酸

β-ヒドロキシ酪酸もほとんど似たような構造です。もちろん、アセチルCoAから作られます。こちらも同じく炭素の数は4個です。

β-ヒドロキシ酪酸

β-ヒドロキシ酪酸

ケトン体は脳のエネルギー源

脳は普段、ブドウ糖しかエネルギー源として利用できません。脳以外の細胞なら脂肪酸を取り込んでβ酸化してアセチルCoAとして使えます。しかし、脳細胞の場合は、その前に脂肪酸が血液脳関門を通過できないので、脳は脂肪酸をエネルギー源として利用できないのです。

それではブドウ糖が欠乏したときに脳が使えるエネルギー源がなくなってしまうので、肝臓で脂肪酸を分解する過程でケトン体をつくるようになったのです。ケトン体は優先順位としては、第一番に脳のエネルギー源だと覚えておくとよいですね。

ケトン体のアセト酢酸、3-ヒドロキシ酪酸(β-ヒドロキシ酪酸)は、水溶性で血液脳関門を通過することができます。

もちろん、ケトン体は、脳だけでなく心臓や筋肉や腎臓にも運ばれてエネルギー源として使われます。その際、運ばれた先でまたアセチルCoAに戻され、ミトコンドリアのTCA回路に入ります。ただ、肝臓でつくられたケトン体は肝臓では使われない仕組みになっています。ケトン体を使えないように酵素が欠けています。よくできた仕組みです。

糖質制限をすると、なるほど、ケトン体ができてくる仕組みが分かりました。

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