ビタミン、アミノ酸、補酵素、酵素の体内での働きを、参考文献とともに整理しています。
生体内で補酵素や補因子などとしてはたらく有機化合物のうち、主に食事から摂取される栄養素です。ここでは8種類について、化学的性質と生理的な役割を整理しています。
ビタミンC（L-アスコルビン酸）は水溶性のビタミンです。ヒトは体内で合成できないため、食事から摂取する必要がある栄養素で、強い還元性をもちます。
プロリン水酸化酵素とリジン水酸化酵素の補因子として、プロコラーゲン中のプロリン残基とリジン残基の水酸化に関与し、コラーゲン三重らせんの形成に必要な構造を整えます。カルニチンやカテコールアミンの生合成に関わる酵素の補因子でもあります。電子供与体としてスーパーオキシドやヒドロキシルラジカルなどの活性酸素種と反応し、酸化されたビタミンEラジカルを還元してビタミンEへ戻します。
ビタミンB12（コバラミン）はコバルトを含む水溶性ビタミンです。メチオニンシンターゼとL-メチルマロニルCoAムターゼという2種類の酵素の補因子となります。
メチオニンシンターゼの補因子として、ホモシステインからメチオニンが合成される反応を触媒し、普遍的なメチル基供与体であるS-アデノシルメチオニン（SAM）の生成に関与します。SAMはDNA、RNA、ヒストンなどのメチル化反応に利用されます。L-メチルマロニルCoAムターゼは脂肪酸などの代謝経路に関わる異性化反応を触媒します。
ビタミンD3（コレカルシフェロール）は脂溶性のプロホルモンです。紫外線B波の照射により体内で合成され、2段階の水酸化を経て活性型のカルシトリオールになります。
コレカルシフェロールは25位の水酸化を受けて25(OH)D3となり、さらに1α位の水酸化を受けて活性型の1,25(OH)2D3（カルシトリオール）になります。カルシトリオールは核内のビタミンD受容体（VDR）に結合し、レチノイドX受容体とヘテロ二量体を形成して、多数の遺伝子の転写を調節します。また、小腸でのカルシウム吸収に関与します。
ビタミンB群は、B1、B2、B3、B5、B6、B7、B9、B12の8種類の水溶性ビタミンの総称です。細胞内で補酵素としてはたらきます。
活性型であるチアミンピロリン酸、FAD、NAD+、補酵素A（CoA）は、ミトコンドリアでの好気呼吸において、クエン酸回路や電子伝達系の重要な段階を触媒し、アデノシン三リン酸（ATP）の産生に関わります。B群のビタミンはこのほか、DNA合成、神経伝達物質の合成、一炭素代謝の各経路でも補酵素として利用されます。
ビタミンAは脂溶性ビタミンで、レチノール、レチナール、レチノイン酸などの形で存在します。活性型のオールトランスレチノイン酸（atRA）は核内受容体に結合します。
atRAはRAR/RXRヘテロ二量体に結合し、DNA上のレチノイン酸応答配列を介して、細胞の分化や増殖に関わる遺伝子の転写を調節します。また、11-シスレチナールは視細胞での光の受容に必要な成分です。
ビタミンE（α-トコフェロール）は脂溶性ビタミンです。生体膜やリポタンパク質などの脂質環境に存在し、連鎖停止型の抗酸化剤としてはたらきます。
脂質ペルオキシルラジカルに水素原子を供与することで、脂質の過酸化の連鎖反応を停止させます。生成したトコフェロキシルラジカルはビタミンCによって還元され、再びα-トコフェロールとして利用されます。
ビタミンK2（メナキノン）は脂溶性ビタミンです。側鎖のイソプレン単位の数が異なる複数の分子種があり、MK-7はその一つです。
γ-グルタミルカルボキシラーゼの補因子として、ビタミンK依存性タンパク質のグルタミン酸残基をγ-カルボキシ化します。このカルボキシ化によって、オステオカルシンとマトリックスGlaタンパク質はカルシウムとの結合能を獲得します。オステオカルシンは骨基質でカルシウムと結合し、マトリックスGlaタンパク質は軟組織の石灰化の抑制に関わります。
葉酸（ビタミンB9）は水溶性ビタミンで、一炭素代謝の中心的な補因子です。活性型のテトラヒドロ葉酸（THF）として一炭素単位を運搬します。
THFが運搬する一炭素単位は、チミジンやプリンヌクレオチドの合成、およびメチオニン回路に利用されます。メチオニン回路ではSAMが生成され、DNAやヒストンのメチル化に必要なメチル基が供給されます。葉酸が不足すると、ヌクレオチドプールの維持やメチル化反応が進みにくくなります。
タンパク質の構成成分、または神経伝達物質などの代謝前駆体となるアミノ酸と、関連するペプチドです。ここでは10種類について、代謝上の役割を整理しています。
L-グルタミンは血中に最も多く存在する遊離アミノ酸です。条件付き必須アミノ酸に分類され、増殖の盛んな細胞の主要な基質となります。
小腸上皮細胞の主要なエネルギー基質であり、細胞間の密着結合を構成するタンパク質の発現調節にも関与します。リンパ球など増殖の盛んな細胞では、増殖やサイトカイン産生に必要な窒素源となります。また、ヌクレオチド生合成における窒素供与体としてもはたらきます。
L-アルギニンは準必須アミノ酸です。一酸化窒素（NO）合成酵素の基質であり、尿素回路の中間体でもあります。
内皮型一酸化窒素合成酵素（eNOS）がL-アルギニンをL-シトルリンに変換する際に、NOが生成されます。NOはグアニル酸シクラーゼを活性化してcGMPを増加させ、平滑筋の弛緩に関わるシグナルを伝えます。また血小板凝集の抑制にも関与し、尿素回路にも参加します。
タウリンは含硫アミノ酸の一つで、骨格筋、網膜、中枢神経系に多く存在します。タンパク質の構成成分にはならないアミノ酸です。
ミトコンドリアtRNA上で5-タウリノメチルウリジンを形成し、ミトコンドリアでのタンパク質合成を通じて電子伝達系の活性に関わります。次亜塩素酸を直接捕捉する性質があり、細胞内カルシウムシグナルや浸透圧の調節、胆汁酸の抱合にも関与します。
グリシンは最も単純な構造をもつアミノ酸で、コラーゲンのアミノ酸残基の約3分の1を占めます。
コラーゲンのGly-X-Y反復配列の主要な構成要素で、三重らせんの安定性を決めます。脳幹や脊髄ではグリシン受容体に作用する抑制性神経伝達物質としてはたらき、NMDA受容体の共作動薬としても作用します。このほか、一炭素代謝、クレアチン合成、胆汁酸や異物の抱合にも関与します。
カルノシン（β-アラニル-L-ヒスチジン）は、β-アラニンとL-ヒスチジンからなる内因性のジペプチドです。骨格筋や脳に高濃度で存在します。
ヒスチジンのイミダゾール環のpKaが生理的なpH付近にあるため、筋肉内のpH緩衝にはたらきます。また、タンパク質のカルボニル基と非酵素的に反応して終末糖化産物（AGE）の生成を抑え、亜鉛や銅などの金属イオンをキレートします。
リジンは必須アミノ酸の一つです。タンパク質中のリジン残基は翻訳後修飾を受けてヒドロキシリジンになり、カルニチンの合成原料にもなります。
プロコラーゲン中のリジン残基はリジル水酸化酵素によってヒドロキシリジンに変換されます。この翻訳後修飾は、コラーゲンの架橋とフィブリル形成に必要です。また、リジンはカルニチン合成の前駆体であり、カルニチンは脂肪酸をミトコンドリアへ運搬してβ酸化に供する役割を担います。
システインはチオール基（-SH）をもつアミノ酸です。側鎖はジスルフィド結合の形成、金属との結合、レドックスシグナル伝達に関わります。
チオール側鎖は還元型と酸化型の間を行き来し、ジスルフィド結合などの可逆的な酸化還元修飾を形成します。タンパク質のチオール基の酸化還元状態は立体構造と機能を左右し、酵素活性、シグナル伝達、細胞内のレドックス恒常性の調節に関わります。システインはタウリンや無機硫酸の代謝前駆体でもあります。
チロシンは芳香族アミノ酸の一つで、カテコールアミン神経伝達物質と甲状腺ホルモンの合成の前駆体となります。
チロシンヒドロキシラーゼによってL-DOPAに変換され、さらにドーパミン、ノルアドレナリン、アドレナリンへと代謝されます。また、ヨウ素化されたチロシン残基は、甲状腺ホルモンであるチロキシン（T4）とトリヨードチロニン（T3）の構成単位になります。
トリプトファンは必須アミノ酸で、セロトニンとメラトニンの生合成における食事由来の唯一の前駆体です。
摂取されたトリプトファンの一部はセロトニン（5-HT）を経てメラトニンへ変換され、大部分はキヌレニン経路を経てニコチンアミドヌクレオチド（NAD+の前駆体）に変換されます。セロトニンは腸管運動や腸と脳の相互作用（腸脳相関）に関わるシグナル分子です。
プロリンはコラーゲンのGly-X-Y配列のX位およびY位に多く存在するアミノ酸で、環状の側鎖構造をもつ点でほかのアミノ酸と異なります。
プロコラーゲン中のプロリン残基は、プロリル4-ヒドロキシラーゼによってヒドロキシプロリンに変換されます。この水酸化によって、コラーゲン三重らせんの熱安定性が高まります。プロリンは「プロリン回路」を介して、酸化ストレスに対する細胞応答の調節にも関与します。
酸化還元反応で電子を運搬する補酵素や、ミトコンドリアの代謝に関わる成分です。ここでは4種類について、生化学的な役割を整理しています。
NAD+は全ての生細胞に存在する補酵素です。酸化的リン酸化やクエン酸回路などの酸化還元反応において、電子を運搬します。
酸化還元反応の電子伝達体であると同時に、サーチュイン（SIRT1〜SIRT7）、ポリADPリボースポリメラーゼ（PARP）、CD38などのNAD+を消費する酵素の基質でもあります。サーチュインはNAD+を消費して脱アシル化反応を行い、ヒストンや転写因子を脱アセチル化します。細胞内のNAD+量は、生合成と消費のバランスによって決まります。
FAD（フラビンアデニンジヌクレオチド）は、リボフラビン（ビタミンB2）から合成される酸化還元活性の補酵素です。フラビンタンパク質の補欠分子族としてはたらきます。
イソアロキサジン環を介して、1電子または2電子の酸化還元反応を触媒します。ミトコンドリア複合体IIの構成成分として、コハク酸からフマル酸への酸化を触媒し、電子をコエンザイムQ10へ受け渡します。また、脂肪酸のβ酸化やクエン酸回路に関わるフラビンタンパク質の補欠分子族でもあります。
コエンザイムQ10（ユビキノン）は脂溶性のキノン化合物です。ほぼ全ての細胞に存在し、ミトコンドリア内膜で電子を運搬します。
ミトコンドリア呼吸鎖において、複合体IおよびIIから複合体IIIへ電子を受け渡します。酸化型と還元型の間のQサイクルによってプロトン勾配が形成され、ATP合成酵素の駆動に利用されます。還元型のユビキノールは、膜脂質の過酸化の連鎖を停止させる抗酸化物質でもあります。
α-リポ酸（ALA）は、ミトコンドリアの脱水素酵素複合体の補因子となる天然の化合物です。脂溶性と水溶性の両方の性質をもちます。
ピルビン酸脱水素酵素複合体と、α-ケトグルタル酸脱水素酵素複合体の補因子としてはたらきます。ALAとその還元型であるジヒドロリポ酸（DHLA）の酸化還元対は、スーパーオキシド、ヒドロキシルラジカル、一重項酸素などの活性酸素種と反応し、金属イオンをキレートし、ビタミンEやビタミンCの再生にも関わります。
活性酸素種や異物の代謝に関わる酵素です。ここでは4種類について、触媒する反応と構造上の特徴を整理しています。
スーパーオキシドジスムターゼ（SOD）は、スーパーオキシドを酸素と過酸化水素に変換する金属酵素です。細胞質、ミトコンドリア、細胞外にそれぞれアイソフォームがあります。
SODはスーパーオキシドアニオン（O2•-）の不均化反応を触媒します。反応は、活性部位の銅（Cu,Zn-SOD）またはマンガン（Mn-SOD）イオンの酸化還元サイクルによって進みます。細胞質にはCu,Zn-SOD、ミトコンドリアにはMn-SOD、細胞外にはEC-SODが存在し、細胞内の抗酸化防御の第一段階に位置づけられます。
カタラーゼは過酸化水素を水と酸素に分解するヘム酵素です。主にペルオキシソームに存在し、SODと協働して活性酸素種を処理します。
カタラーゼは、2H2O2 → 2H2O + O2 の反応を触媒します。過酸化水素が酵素の鉄中心を酸化して高原子価の鉄中間体（Compound I）となり、2分子目の過酸化水素がこれを還元します。ターンオーバー数が非常に高く、ヒドロキシルラジカルの生成源となりうる過酸化水素の蓄積を抑えます。
グルタチオンペルオキシダーゼ（GPx）は、活性部位にセレノシステインをもつセレン含有酵素のファミリーです。過酸化水素や脂質ヒドロペルオキシドを還元します。
還元型グルタチオンなどのチオール化合物を電子供与体として、過酸化水素を水に、脂質ヒドロペルオキシドを対応するアルコールに還元します。GPx4は複雑な脂質過酸化物を直接還元するアイソフォームで、フェロトーシスと呼ばれる鉄依存性の細胞死の調節因子として同定されています。
グルタチオンS-トランスフェラーゼ（GST）は、還元型グルタチオンを求電子性の異物に結合させる反応を触媒する酵素ファミリーです。
シトクロムP450による代謝で生じた求電子性の異物に対し、活性部位の残基がグルタチオンのチオール基を求核性の高いチオラートに活性化し、これが異物と抱合体を形成します。生成した抱合体は水溶性が高く、排出されやすくなります。
