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脂質分子と脂肪酸測定法


生体は細胞の集合体で細胞は脂質分子からなる膜によって内部と外部に区分けされています。膜には細胞を形作る細胞膜や細胞内小器官を形成するオルガネラ膜などがあり、それらの膜を通して外と内が繋がって区分けされた部分のあちらこちらでさまざまな反応が進みます。また、脂質はエネルギー蓄積や産生においても重要な役割を果たします。ここでは、脂質の構造、脂肪酸のエネルギー産生工程、脂肪酸の生合成経路、脂質合成の流れ、そして脂肪酸を測る方法についてまとめてみました。


脂質分子の構造

脂肪酸はアルキル鎖と呼ばれるC4~C30程度の炭化水素が連なった構造の末端にカルボキシル基(COOH)が付加した構造を取っています。そのカルボキシル基はエステル結合でグリセロールに付加してグリセロールエステルを形成します。グリセロールエステルはグリセロールに一つの脂肪酸が結合したモノグリセリド、二つの脂肪酸が結合したジグリセリド、三つの脂肪酸が結合したトリグリセリドがあり、膜を形成するのはジグリセリドにリン酸基がエステル結合しさらに四級アンモニウム塩が付加したホスファチジルコリンと呼ばれるリン脂質化合物です。また、リン酸基の代わりに糖が付加したものが糖脂質化合物です。図1にパルミチン酸とオレイン酸の二種類の脂肪酸が付加した脂質の分子構造を示します。脂質を形作る脂肪酸は14個から24個の偶数の直鎖状炭素鎖で、そのうちの幾つかは不飽和構造を持つため組み合わせは膨大な数になります。これら脂質分子は水中では親水性基は水相を向くことで炭素鎖が親水性基によって包み込まれた構造となりリポソームと呼ばれる細胞膜の基本構造体が形成されます。

             図1 脂質の構造:リン脂質、糖脂質


脂質分子の取り込みとエネルギー生産経路

食品に含まれる中性脂肪は消化器官を通って脂肪酸とグリセロールに分解され、短鎖脂肪酸と中鎖脂肪酸は小腸毛細血管を通って肝臓へ運ばれます。長鎖脂肪酸とグリセロールは小腸粘膜上皮細胞に吸収され再度中性脂肪に再合成された後、カイロミクロンと呼ばれる構造体に取り込まれリンパ管を通って血液の流れに入っていきます。筋肉組織や脂肪組織の毛細血管の内皮細胞のリパーゼによってカイロミクロンの中性脂肪は脂肪酸とグリセロールに分解され、内皮細胞に取り込まれてエネルギー源として貯蔵または使用されます。また肝臓でも中性脂肪とコレステロールを包含するリポタンパクが合成され、それらも血液循環に入っていきます。空腹状態になると脂肪細胞に蓄えられた中性脂肪は脂肪酸とグリセロールに分解され、脂肪酸はアルブミンとともに血流にのって細胞へと届けられます。細胞の中での脂肪酸はアシルコエンザイムA(アシル-CoA)からアシルカルニチンとなりミトコンドリアに移行し、再びアシルCoAに変換されたのちβ酸化と呼ばれる工程でエネルギーを産生します(図2)。

ミトコンドリア内でのアシルCoAからのβ酸化は、①アシルCoA脱水素酵素、②エノールCoA水和酵素、③ヒドロキシアシルCoA脱水素酵素、④アセチルCoA CアシルCoA転移酵素の4つの酵素反応で進行し、1分子のフラビンアデニン二ヌクレオチド還元型(FADH2)と1分子のニコチンアミドアデニン二ヌクレオチド還元型(NADH)が生じます。この反応で二つの炭素鎖が外れ、最終的にアセチルCoAになるまで続きます。


脂質の生合成経路

ミトコンドリアから放出されたクエン酸は細胞質においてATPクエン酸リアーゼでアセチルCoAとオキサロ酢酸に変換され、次いでアセチルCoAはアセチルCoAカルボキシラーゼによってマロニルCoAになります。その後、図3に示す経路でブタン鎖、ヘプタン鎖が合成され、3-ケトアシルACP還元酵素、エノイルACP水添加酵素、エノイルACP還元酵素の反応を経てオクタン鎖が合成されます。これらの酵素反応の繰り返しにより炭素二分子が結合して長鎖脂肪酸が合成されます。ACP(アシル運搬酵素)は脂肪酸合成酵素の一部です。

次に脂質分子の生合成経路についてご紹介します。はじめにグリセロールのリン酸化によりグリセロール3-リン酸となり、二位のヒドロキシル基へアシルCoAにより脂肪酸エステルが導入されリソホスファチジン酸となります。さらに一位のヒドロキシル基へ脂肪酸が導入されL-α-ホスファチジン酸となります。三位のリン酸基が脱離しジグリセリドとなり、そこにさらに脂肪酸エステル結合を生じることでトリグリセリドとなります。ホスファチジルコリンはコリンから派生したシチジン二リン酸コリン(CDP-コリン)とジグリセリドの反応によって形成され、ホスファチジルエタノールアミンはエタノールアミンから派生したシチジン二リン酸エタノールアミン(CDP-エタノールアミン)の反応によって形成されます。ホスファチジルセリンはホスファチジルエタノールアミンのエタノールアミン部分とセリンの交換反応で形成されます。


脂肪酸を測る方法

脂質分子の測定では、脂質の脂肪酸組成や量を測るのが一般的です。膜脂質成分や遊離脂肪酸、脂肪滴の中のトリグリセリドや脂肪酸エステルなどに含まれるすべての脂肪酸が対象となります。脂肪酸分析は測定したいサンプルの脂質を抽出することから始まります。脂質の抽出にはいくつかの有機溶媒が使用されますが、一般的にはクロロホルムとメタノールの混合溶媒が用いられます。サンプルによっては抽出や凍結乾燥が必要な場合がありますので、サンプルに応じた適切な前処理を行います。また、脂質がどれくらい含まれるのかによって使用するサンプル量を決めることになります。遊離脂肪酸を測定するためには、まず脂質成分から遊離脂肪酸のみを単離する必要がありますので、シリカゲルカラムや薄層クロマトグラフ(TLC)を使って分離を行います。脂質成分は触媒を用いてメチル化反応を行い、得られた脂肪酸メチルエステルをガスクロマトグラフ/質量分析(GC/MS)により脂肪酸の含有量を測定します。目的に応じて定量分析、定性分析(組成分析)の二つがあり、定量分析はサンプル容量あたりの脂肪酸量を各脂肪酸の検量線から求める方法、定性分析(組成分析)は全脂肪酸のうち各脂肪酸がどれくらいの割合で含まれているかを測定する方法です。定量分析の場合は〇〇µg/gあるいは〇〇µg/ml、定性分析(組成分析)の場合は〇〇%で表示されます。


おわりに

二本の長鎖脂肪酸と脂肪酸の結合部分の近くに親水基を持つ化合物は、水に分散するだけで様々な膜構造を作ることが知られています。従って脂質分子が供給されると近傍の膜構造の中に入り込み、何も制御を受けなければ入り込んだ脂質分子は熱安定性の高い場所へと動いていくと考えられます。膨大な数の脂質分子の一つ一つを制御する仕組みを想像することは難しく、エネルギー的にも見合わないので物理法則に則って動いていると思われます。細胞が機能するための流動性は膜の構成成分によって調整されていると推測されますが、どの脂質分子が細胞膜やオルガネラ膜のどの場所にどれくらい必要かを知らせ、必要な場所に必要な脂質を届ける仕組みがあるものと思われます。あるいは、細胞膜の裏打ち構造の動きによって脂質分子が落ち着く場所が決まるのであれば、一定数の脂質分子のバランスを保つための仕組みが働いているとも推察されます。このような脂質分子が作られて集合して小さな液胞ができたことで外と内を区別する安定な構造体ができ、それが自発的に複製できるようなったこと、また、エネルギーの蓄積と放出も担う分子にもなったことを考えると、この小さな脂質分子が生命の誕生に果たした役割は極めて大きいと言えます。



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