タンパク質分解アンモニア代謝と医療従事者知識の重要性

タンパク質分解アンモニア代謝機構

タンパク質分解によるアンモニア生成の基本メカニズム

食事から摂取したタンパク質は体内でアミノ酸に分解され、さらにエネルギー源として利用される際に必ずアンモニアが発生します。この生化学的プロセスは、アミノ酸の持つ窒素化合物としての特性に由来しています。
参考）https://www.kango-roo.com/learning/3698/

 

タンパク質は糖質や脂質と異なり、分子中に窒素（N）を含んでいることが特徴です。この窒素があることで、アミノ酸が分解される過程で必然的にNH₃（アンモニア）が生成されます。具体的には、グルタミン酸脱水素酵素によってアミノ酸からアミノ基が離脱すると、アンモニアになります。
参考）https://limitest.jp/meal/relationship-between-protein-and-ammonia/

 

アミノ酸の窒素成分の代謝では、各アミノ酸は最初に2-オキソグルタル酸にアミノ基を転移してグルタミン酸となる反応（アミノ基転移反応）が起こります。この反応には、肝機能検査でも使用されているアスパラギン酸アミノトランスフェラーゼ（AST）とアラニンアミノトランスフェラーゼ（ALT）が重要な酵素として働いています。
参考）https://www.nutri.co.jp/nutrition/keywords/ch2-3/

 

続いて、グルタミン酸に転移したアミノ基は、酸化的脱アミノ反応によってアンモニアとして遊離します。アンモニアは人体にとって有害物質であるため、これを無毒化する経路として「尿素回路」が必要不可欠となります。
運動時の筋肉においても、エネルギー源のATPが消費される際にアンモニアが発生します。また、骨髄で赤血球が産生される際には、ヘモグロビン中のヘム分子が1つ作られるごとにアンモニア分子が4つ発生するという興味深い現象も確認されています。
参考）https://www.kenkoin.jp/2023/05/02/867/

 

タンパク質分解産物としてのアンモニア輸送システム

体内で発生したアンモニアは、安全に肝臓まで運搬される必要があります。この重要な役割を担っているのがグルタミン酸です。グルタミン酸はアンモニアを拾い上げて、グルタミンというアミノ酸に変化し、この形で血液中を移動して肝臓に向かいます。
参考）https://aih-net.com/liver/medical/letter/51.pdf

 

筋肉細胞でのアンモニア処理では、基本的に一旦はグルタミン酸にアンモニアを結合させてグルタミンにして血流で肝臓に送ります。グルタミンは、グルタミン合成酵素の働きでアンモニアを拾い上げて形成されます。興味深いことに、アミノ酸の中で血中濃度が最も高いのはグルタミンです。これは身体中からアンモニアを回収している様子を示しています。
肝臓に到達したグルタミンは、グルタミナーゼという酵素によってアンモニアが「放出」され、このアンモニアが尿素サイクルに入って無害な尿素になります。同時にグルタミンはグルタミン酸に戻ります。肝臓から離れた骨髄で造血ができるのは、まさにグルタミン酸によるアンモニア回収システムがあるからこそといえるでしょう。
筋肉でのアンモニア分解には、分岐鎖アミノ酸（BCAA）であるバリン、ロイシン、イソロイシンが必要となります。これは肝臓とは異なる筋肉特有のメカニズムです。
参考）https://hospital.ompu.ac.jp/liver_disease/shokuji.html

 

タンパク質分解時のアンモニア無毒化システムと尿素回路

肝臓でのアンモニア処理は、尿素回路（オルニチンサイクル）という高度な代謝システムによって行われます。このサイクルは肝細胞内に存在し、有毒なアンモニアを無害な尿素に変換する生体の重要な防御機構です。
参考）https://ornithine.jp/function/mechanism.html

 

オルニチンが増加すると、オルニチンサイクルは活発化し、アンモニアの分解を促進します。糖質や脂質は完全に酸化されると水と二酸化炭素になりますが、タンパク質（アミノ酸）中の炭素は、エネルギー源として酸化されて二酸化炭素となる一方で、アミノ酸のアミノ基は有毒なアンモニア（NH₃）になってしまいます。
そこで、エネルギーを消費しながら、肝臓でアンモニアを尿素に変換し、無毒化するシステムが進化によって備わりました。この尿素は血液によって腎臓に運ばれ、最終的に尿中に排泄されます。
参考）https://www.kenpo.gr.jp/daihatsu/contents/memo/06.html

 

尿素は肝臓でアンモニアから合成され、血液によって腎臓に運ばれる代謝産物です。尿素窒素とは、尿素の中に含まれる窒素分のことで、腎機能の評価指標として臨床的に重要です。腎機能が低下すると、尿中に排泄される尿素が減少し、血中の尿素窒素（BUN）の値が上昇します。
アンモニアの一部はアンモニウム塩として尿中に直接排泄されますが、大半は肝臓で尿素に変換されて無毒化され、尿中に排泄されます。

タンパク質分解によるアンモニア産生と食事療法の臨床応用

肝機能が低下した患者では、アンモニアの代謝能力が著しく制限されるため、食事療法が極めて重要になります。アンモニアは腸内細菌が食物中のタンパク質を分解する際に発生し、健康な人では肝臓で無毒化されて腎臓に送られ、尿とともに排泄されます。
参考）https://www.carenet.com/news/general/hdn/58599

 

しかし肝硬変になると、肝機能が低下してアンモニアが処理されなくなります。そのためアンモニアは有毒な状態のままで体内に蓄積し、このような有毒なアンモニアが脳に達すると、錯乱やせん妄の症状を引き起こします（肝性脳症）。放っておくと昏睡状態に陥り、死に至ることもある深刻な合併症です。
参考）https://www.aska-pharma.co.jp/kansikkan/complications/03.html

 

食生活がアンモニアの生成に大きな影響を及ぼすという研究結果が注目されています。食物繊維が少なく、肉や炭水化物が多い欧米型の食事は、腸で生成されるアンモニアのレベルを高めるからです。米リッチモンドVA医療センターで実施された研究では、肝硬変患者30人を対象に、1回の肉食ベースの食事をタンパク質量が同等の肉を含まない食事に置き換えた場合の効果が評価されました。
この研究により、基本的な食生活の見直しだけでも、肝硬変患者のアンモニア代謝に顕著な改善効果があることが明らかになっています。医療従事者は、肝疾患患者に対する栄養指導において、単純なタンパク質制限だけでなく、食物の種類や組み合わせまで考慮した包括的なアプローチが必要です。

タンパク質分解阻害とアンモニア濃度の相関関係

嫌気性消化における研究から、アンモニア濃度がタンパク質分解に及ぼす影響について興味深い知見が得られています。炭水化物とタンパク質の分解に及ぼすアンモニアの影響を検討した研究では、タンパク質分解への生成物阻害に比べ、炭水化物分解の方がアンモニアによる阻害を強く受けることが明らかになりました。
参考）https://www.jstage.jst.go.jp/article/jscej1984/2000/650/2000_650_33/_article/-char/ja/

 

タンパク質の除去率は、アンモニア性窒素濃度条件によらず、滞留時間の短縮に対してほぼ同様に推移していました。滞留時間6.0時間でのタンパク質の除去率を比較すると、アンモニア性窒素濃度2000mg-N/Lでは55%でしたが、4200mg-N/Lでも49%の除去率を維持していました。
参考）https://www.jstage.jst.go.jp/article/jscej1984/2003/727/2003_727_31/_pdf

 

これらの結果から、アンモニア性窒素濃度2000-4200mg-N/Lの範囲内では、タンパク質資化性細菌への阻害は炭水化物の場合と比較して小さいということが判明しています。アンモニアによる生成物阻害が起こるには、メタン生成や炭水化物分解への阻害に比べ、さらに高いアンモニア濃度が必要であることが示されています。
タンパク質分解へのアンモニア濃度の影響が小さかったことや、タンパク質からの酸生成の最適pHが維持されたことは、生体内でのタンパク質代謝システムの堅牢性を示唆する重要な発見です。
この知識は、医療従事者が尿素サイクル異常症や高アンモニア血症の患者管理において、タンパク質摂取量の調整や治療戦略を立てる際に極めて有用です。特に、アンモニア濃度の上昇がタンパク質分解そのものを即座に停止させるわけではないという理解は、栄養管理の精密化に寄与します。
参考）https://kobe-kishida-clinic.com/metabolism/metabolic-disorder/urea-cycle-disorder/

 

嫌気性消化におけるアンモニア性窒素の影響に関する詳細な研究データ
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