シトクロムP450とは

シトクロムはほとんど全ての生物種がもっている酵素で、酸素分子を用いて有機物を酸化することができます。還元型で一酸化炭素が結合したときに450nmの吸収の極大を持つことからこう名付けられました。ヘムを持つたんぱく質で、多様性があり多数のファミリーに分類されまています。

1. タンパク質の高次構造形成過程における プロリン残基の役割：シトクロムP450 の場合　生物物理 41（4）, 181-185（2001）

生物にとっての異物、毒物や、薬などの代謝に関係しています。

ChatGPTによる説明

https://chat.openai.com/chat　で質問してみました。What is cytochrome P450?　以下、その答えです。

Cytochrome P450 (CYP450) is a family of enzymes that play a crucial role in the metabolism of many drugs, toxins, and endogenous compounds in the human body. These enzymes are found in many tissues, including the liver, lungs, kidneys, and intestines, and are involved in the oxidation of organic substances.

CYP450 enzymes are responsible for the breakdown of a wide range of substances, including pharmaceutical drugs, hormones, and environmental toxins. They are important in drug metabolism because they can change the chemical structure of drugs, often making them more water-soluble and easier for the body to eliminate.

There are many different types of CYP450 enzymes, each with a unique structure and substrate specificity. These enzymes are identified by a specific number, such as CYP1A2 or CYP3A4, and are regulated by various factors, including genetics, diet, and environmental factors. Because of the important role that CYP450 enzymes play in drug metabolism, they are often the target of drug-drug interactions, which can affect the effectiveness and safety of medications.

集合知って凄いですね。

多くの精神疾患でミトコンドリア機能障害の関与が示唆（MedicalTribune）というニュース記事が出ていました。

ミトコンドリアの二大機能として、細胞のエネルギー源であるアデノシン三リン酸（ATP）の産生とカルシウムイオンの取り込みがあり、いずれもミトコンドリア呼吸鎖の活動によって生じるミトコンドリア膜電位により駆動されることから、精神疾患との関連を検討するには、ミトコンドリア呼吸鎖の活性をin vivoで測定することが重要となる。（MedicalTribune）

ミトコンドリア膜電位ってどうやって作られていて、どれくらいの大きさなのでしょうか。

ミトコンドリアは自らを充電すると同時に,蓄えたエネルギーを使って仕事をする.この充電のメカニズムは化学結合のエネルギーを電位差という形に変換するもの

燃焼の際に得られるエネルギーは,ミトコンドリアでまずNADHという分子の中に高エネルギー電子の形で閉じ込められる.

ATPを盛んに合成することは電位差を小さくする方向に働くので,もしATPをあまり合成しないまま水素イオンを内側から外側へ移動させ続けると電位差は大きくなり続け,やがて電子伝達から得られるエネルギーでは膜電位に逆らって水素イオンを移動させることができなくなる.（単一ミトコンドリアの膜電位計測）

ミトコンドリアにおけるATP産生のメカニズムの発見

1950年代から60年代にかけて，多くの生化学者が酸化と燐酸化とを結び付ける高エネルギー中間産物を水溶液中に探し求める努力を続けたが，見るべき成果を挙げることは出来なかった．（「生理学ものがたり」第2回電子伝達系とミトコンドリアの膜電位）

酸化と燐酸化とを結び付ける高エネルギー中間産物があるはずという仮説が間違っていたので、研究がドツボにはまったという、正しい仮説に基づいて研究しないといけないという好例だと思います。

SF6

六フッ化硫黄（SF６）は無色無臭で空気よりも思い気体です。硫黄原子の電子の軌道は、主量子数1,2,3に対応してK殻、L殻、M殻とありますが、硫黄は原子番号16なのでK殻(1s)に2個、L殻（2s, 2px, 2py,2pz）に10個電子が入っていて、のこり6つが、M殻に存在します。

1. 電子核（ウィキペディア）

M殻の電子の軌道は、3s, 3p（3個）, 3d（5個）で、電子が3sに２つ、3pxに２つ、3pyと3pzにそれぞれ1個ずつ入ります。

ーーーーー5d

ーーー3p

ー3s

1. 化学 Ｉ 分子と化学結合（第6回）functfilm.es.hokudai.ac.jp

これが基底状態。励起状態になって、3sの電子の1つと、3pxの電子の1つが5d軌道にそれぞれ1つずつ入ると(3s)1(3p)3(5d)2の6個の軌道に一つずつ電子が存在することになり（不対電子）、これらの軌道が混成することで6個の等価な軌道が新たに作られます。これにより硫黄は「手」が6つ持てて、他と化合物を形成します。

1. SF6とはどんなものか　その応用と性質
2. ４．多電子原子の電子軌道（周期表の理解へ）chem.nara-wu.ac.jp
3. 本当の原子半径によって 電気陰性度を説明できる。　biglobe.ne.jp/~kcy05t

フッ素Fの原子番号は９で、電子は1s, 2s, 2px, 2py までは2個2入り、2pzに一個入ります。不対電子が１つなので、「手」は一本で他と結合します。これでＳＦ６がつくられる仕組みが説明されました。

1. 六フッ化硫黄　ウィキペディア

原子価とは

1. 原子価　ウィキペディア　。基準には水素をとり、水素原子を1価とする　各元素の原子価には電気的な正負の区別をつけたほうが便利であり、元素の電気陰性度が正負の区別の目安となる。たとえば、水素原子の原子価を正の1価とすれば、酸素、塩素の原子価はそれぞれ負の2価、1価である。しかし、多くの元素は同時に正負の両原子価を示すことがある。たとえば、塩素の負原子価は塩化水素の結合から1価のみであるが、過塩素酸HClO4では塩素の原子価は正原子価7となる。このように、各元素の原子価はかならずしも一定の値をもたない。硫黄(いおう)の場合も同様で、硫化水素H2Sから負原子価は2価であるが、正原子価は2価、4価、6価をとりうる。
2. 高校化学基礎5分でわかる！原子価とは　TryIt　原子価とは 「原子の手の数」 のことです。 「手」とは不対電子の数でしたから、 「原子価＝不対電子の数」 となります。

酸素が結合するのが酸化、もしくは水素が取られるのが酸化、もしくは電子を取られるのが酸化という習い方をしたように思います。

酸素と結合することがなぜ電子を奪われたことになるのか

水素と結合していた炭素は、お互いの電気陰性度が同程度なので共有結合によって共有されている電子対がどちらかの原子に偏って存在しているということはありません。それに対して、相手が変わって炭素が酸素が結合したときには酸素は電子を引っ張る力が強い（電気陰性度が大きい）ので、酸素と結合した炭素にしてみれば、共有電子対をつくっても全体としては酸素原子のほうに電子が分布した状態になり、電子を取られた状態になっているというわけです。

酸化の定義がなぜ電子が奪われること、または、水素が奪われることなのか

酸化の定義として２つの言い方を同時に習うと、どっちなの？同じなの？なぜ同じなの？という疑問が湧きます。自分の理解としては H → H+ + e- と分けて考えられるのでHが引き抜かれるのと電子が奪われるのが同じです。例えばアルコールの酸化の場合

CH3CH2OH → CH３CHO + 2H で水素が2個引き抜かれていますが、

2H ＝2H+ + 2e- と考えれば電子が2個奪われたともいえます。

酸化還元について考えると、”水素原子”は”水素イオン”（H+）と電子（e-）に等価である（H原子＝H+ + e-)ことを知っておくことは重要である。

（マクマリー生化学反応機構　第2版　106ページ）

酸化数

酸化された還元されたというのをわかりやすくするために「酸化数」というものが考えだされました。電気陰性度が小さい水素（原子価１）の酸化数は＋１、電気陰性度が大きい酸素（原子価２）はー２です。電気陰性度が大きい窒素（原子価３）の酸化数はー３です。また、分子全体の酸化数の合計は０．例えばメタンCH４ですと、水素の酸化数が＋１で4個あるので、メタンの炭素の酸化数はー４になります。メタンが完全に酸化されて二酸化炭素CO2になると、酸素の酸化数がー２なので二酸化炭素の炭素の酸化数は＋４になります。変化としては、ー４から＋４に酸化数が増加しました。「酸化数の増加」＝酸化された　ということになります。

1. https://www.nhk.or.jp/kokokoza/kagakukiso/assets/memo/memo_0000002069.pdf
2. https://www.daido-it.ac.jp/~yocsakai/qa008.html

よく「酸化数の絶対値＝原子価」と思っている人がいますが間違いです。Yahoo！知恵袋

同じ原子同士が結合しているときは酸化数の寄与はありません。炭素―炭素結合間に関しては酸化数は数えません。例えばプロパンCH3CH2CH3のそれぞれの炭素原子の酸化数を考えてみると、同種原子からの酸化数計算の寄与はないので、結合している水素（酸化数＋１）だけから計算して、それぞれー３，－２，－３となります。真ん中の炭素は酸化数がー２であって、のこり２つの炭素原子とは酸化数が異なっているということになります。

別の例を考えると、過酸化水素水H2O2の場合は、水素の酸化数は＋１ですが、酸素原子は他方の酸素原子とも結合しているので、自分が結合している水素の酸化数のみ考慮して、酸素の酸化数はー１になります。

結合している相手への酸化数の寄与はその結合に関して０になるような値と考えればいいのではないでしょうか。

1. https://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q14239225319

酸化数の考え方を使うと、有機化合物の場合、水素を奪われた炭素は酸化数が＋１増加（か相手によってそれ以上）するので「酸化された」（酸化数が増加した）とわかります

酸化数の定義

化学における酸化数の定義をちゃんと見ておきます。以下の通りでした。

酸化数 （oxidation number ）

（a ） 原 子 X と原子 Y の 結合に お い て ，Y の 方が よ り陰 性で あれ ば ，両 原子問 に あ っ て 結合に 関与 し て い る と考え られ る電子 はすべ て Y に 与 え られ る 。 た だ し陰性 の大小は“ 電気陰性度”（表 4 ）に よ っ て 判定 され る。
（b ） 化合物中におけるO原子 の酸化数は 一2 とする （た だ しF2Oと過酸化 物 M2(I)O2，のばあいを除く）。
（c ） 化合物中にふくまれ るH原子 の酸化数は ＋1とす る （ただし金属水素化物のばあいを除く）。
（d ） 元素のままの状態における酸化数はゼロで あ る 。
（e ） 中性分子中にふくまれる各原子の酸化数を総和した値はゼロである 。
（f ） イオン中にふくまれる各原子 の酸化数総和 はイオンの 荷電数（符号をふくむ ）に 等 し い 。

https://www.jstage.jst.go.jp/article/kagakukyouiku/15/1/15_KJ00003479165/_pdf/-char/ja

酸化反応とエネルギーとの関係

電子を取られる酸化反応がなぜ自然に起こるのかというと、電子にしてみれば、位置エネルギーが高い状態から、位置エネルギーが低い状態に移るからです。例えるなら、机の上に置いたコップは、机の下つまり床の上に置かれたときよりも、机の高さ分の位置エネルギーを持っているわけで、机の支えがなくなったら床にむかって落ちていきます。

化学実験における燃焼（酸化）と生体内における”燃焼”（酸化）との違い

酸素が存在する条件下で炭化水素や糖などを燃やして酸化し、二酸化炭素と水にする反応は、実験室でおきようが生体内で起きようが、反応物と生成物（最終的な）だけ見ると全く同じです。違いは何かというと、活性化エネルギーを得るために火をつけて（高温にして）燃やすということは、生体ではできないことです。何しろ体温が37度なのですから。そこで一気に酸化するのでなく部分的に部分的に、段階的に酸化していきます。それぞれの化学反応は酵素が司るのでそれぞれの反応の活性化エネルギーも小さくなっています。よって体温の温度で反応を進めることができるわけです。

また、一気に酸化して熱エネルギーを貰っても使いようがないので、ちょっとずつ酸化してATPを作ります。実際にはNAD+やFADといった「還元剤」を使ってエネルギーを一度NADHやFADH2といった還元型の物質に蓄えておき、それらをさらに酸化してエネルギーを取り出していくわけです。

The biological oxidation reactions occur in a stepwise fashion using not O2 directly, but rather less potent oxidizing agents like NAD+ and FAD.

Jakubowski Fundamentals of biochmistry II: Bioenergetics and metabolism (LibreTexts) 17.2: OXIDATION OF FATTY ACIDS 17.2.1:INTRODUCTION page 306

上のLibreTextsの教科書の説明は明解で理解しやすいと思いました。

化学反応のエネルギーと仕事

エネルギーはいろんな形態をとるので、別の例で考えてもいいはずで、例えで考えるとわかりやすいです。位置エネルギーが高いところから位置エネルギーが低いところに移動して、その分、運動エネルギーになります。運動エネルギーをもったコップは、何か他のものを動かしたり仕事ができます。

電子も同様で、電気的な位置エネルギーがたかいところから低いところに移動する間に、その差となるエネルギーを使ってほかの何かの仕事ができる、もしくはそのエネルギーを他のものに与えるというわけ。

1. 12.1: Introduction to Redox (LibreText Chemistry) Electrons in an organic redox reaction often are transferred in the form of a hydride ion – a proton and two electrons. Because they occur in conjunction with the transfer of a proton, these are commonly referred to as hydrogenation and dehydrogenation reactions: a hydride plus a proton adds up to a hydrogen (H2) molecule.
2. Lecture 15B – Electron Reduction Potentials Thomas Mennella チャンネル登録者数 1.2万人 酸化還元電位の表の見方、共役させたときの電位差とギブス自由エネルギーとの関係
3. WHAT IS THE REDOX POTENTIAL OF A CELL? CELL BIOLOGY BY THE NUMBERS
4. 酸化還元反応 (eng.hokudai.ac.jp/)
5. Microbial electron transport and energy conservation – The foundation for optimizing bioelectrochemical systems FIGURE 3
6. 標準電極電位とは？電子のエネルギーと電位の関係から解説　電池の情報サイト

コレステロールの発見と命名

コレステロール(choresterol)という名前は、、chole (胆汁 bile)とstereos (固い solid)、-ol（アルコールであること、つまり水酸基をもつ）という言葉から作られた造語で、このように名付けられたのは発見のいきさつに由来しています。フランスの化学者ラフランソワ・プルティエ・ド・ラ・サール (François Poulletier de la Salle　1719-1788)が、胆石に含まれる成分として1769年にコレステロールを発見しました。

ステレオが「固い」の意味？と思うかもしれませんが、日本語でも　ステレオタイプ＝固定的な考え　という意味で使われています。

1. History in medicine: the story of cholesterol, lipids and cardiology Vol. 19, N° 9 – 13 Jan 2021 Kuijpers Dr. Petra M.J.C. Kuijpers　European Society of Cardiology （ESC)

コレステロールの生合成

コレステロールの合成経路の始まりはアセチルCoAです。アセチルCoA（炭素２つ）が２つ組み合わされてアセトアセチルCoAになります（炭素４つ）。アセトアセチルCoA（炭素４つ）にアセチルCoA（炭素２つ）がさらに結合してヒドロキシメチルグルタリルCoA（HMG-CoA)（炭素6個）になります。このあとHMG-CoA還元酵素により還元、脱炭酸により炭素5個からなるイソペンテニル二リン酸（isopentenyl diphosphate, IPP）になります。この反応がコレステロール生合成の律速段階であり、HMG-CoA還元酵素阻害剤スタチンは非常に有名な薬です。なぜイソペンテニル二リン酸の略号がIDPでなくIPPなのかというと、旧名がisopentenyl pyrophosphate(IPP)だったからで、略号だけはいまだに使われているということのようです。IPPと、その異性体であるジメチルアリル二リン酸（DMAPP）が結合して炭素10個からなるゲラニル二リン酸（ＧＰＰ）ができます。ＧＰＰにＩＰＰがついて炭素15個からなるファルネシル二リン酸になり、それが2量体になって炭素30個のスクアレンになります。スクアレンが環状になってラノステロールをへてコレステロールになります。

1. マクマリー生化学反応機構122ページ
2. Condensation of Acetyl-CoA to HMG-CoA Wikimedia Commons
3. Aldol reactions in metabolism Khan Academy アセチルCoAエノラートの説明など。手描きなのに見やすい。

コレステロール合成の阻害薬スタチン（HMG-CoA還元酵素阻害薬）

スタチンは、コレステロール合成の律速段階であるHMG-CoAの還元を司るHMG-CoA還元酵素の阻害薬であり、いわゆる悪玉コレステロール（多すぎると、動脈硬化を起こして心筋梗塞や脳梗塞を発症させる恐れがある）として有名な低密度リポプロテイン（LDL）の血中濃度を低下させる作用を持ち、冠動脈疾患の予防と治療に世界じゅうで広く使われている高脂血症治療薬です。

スタチンの発見

スタチンが発見された経緯は、研究が進むのがいかに一筋縄にはいかないものかがわかってとても興味をそそられます。

1. 1971年（昭和46年）遠藤章氏、コレステロールの律速段階の反応を司る酵素「HMG-CoA還元酵素」の阻害物質の探索研究を開始。2年間で菌類（カビとキノコ）約6000種の培養液を調べて阻害活性物質ML-236Bを発見。
2. ML-236Bはin vitro実験で強い活性を示すも、ラットを用いたin vivo実験で効果が見いだされず、会社が研究を打ち切りを決定。
3. 遠藤章氏はここであきらめずに、もともと血中コレステロールが高いメンドリを実験動物として用いた場合に、ML-236Bが血中コレステロールを下げることを見出し、ビーグル犬を用いても同様の結果を得て、ML-236Bプロジェクトを会社が再開。
4. 1976年　家族性高コレステロール血症（FH）ホモ接合体細胞と健常人の培養細胞を用いた実験を開始。
5. 1978年11月　慶應義塾大学で臨床試験（フェーズ1）開始
6. 1979年（昭和54年）1月1日　遠藤章氏は三共を離れ、東京農工大学農学部助教授に
7. 1987年（昭和62年）　米国でロバスタチン承認
8. 1989年（平成元年）　三共がプラバスタチンを販売開始
9. 2005年　スタチン製剤の売上合計が年間約3兆円を記録

参考

1. 遠藤章ウェブサイト（http://endoakira.com/）
2. 平成の30年間に世界で一番使われた薬【平成の医療史30年◆スタチン編】 2019年5月31日 平成の医療史30年　m3.com
3. 動脈硬化のペニシリン“スタチン”の発見と開発 遠藤章先生に聞く
4. スタチンの誕生　遠藤章　日農誌　2016
5. スタチンの発見者，遠藤章氏に聞くインタビュー　2014.06.16　医学界新聞
6. ラスカー賞に遠藤章・東京農工大特別栄誉教授　2008/9/15　けむすて

コレステロールに関する参考サイト

1. コレステロール（ウィキペディア）

クエン酸回路とは

クエン酸回路とは何なのか？高校の生物や大学の生物あるいは生化学でクエン酸回路を学びます。お、く、い、あ、さ、こ、ふ、りん　の８つの中間代謝産物と８つの反応（そして８つの酵素）でグルグル回るわけですが、そういった表面的なところではなく、クエン酸回路の本質とは何かを一言で言い表すとどうなるでしょうか。

ストライヤー基礎生化学第4版（東京化学同人）によれば、

アセチル基を完全に燃焼させるクエン酸回路

1分子のアセチル基が2分子の二酸化炭素へと酸化される

クエン酸回路の機能は、異化作用によって炭素燃料から高エネルギー電子を取り出すことである（249ページ）

と説明されています。クエン酸回路とは、アセチル基を完全に酸化して二酸化炭素にし、アセチル基にあった高い位置エネルギーを持つ電子をNADHやFADH2といった電子伝達体に渡す仕組みだと言えるでしょう。アセチル基の中にあるC-Ｃ間やC-H間の共有電子対がもつエネルギーよりも、二酸化炭素Ｏ＝Ｃ＝Ｏの共有電子対のほうがエネルギーが低いわけです。

マクマリー生化学反応機構では、

クエン酸回路　連続する8ステップの反応で、一つのアセチル基が2分子の二酸化炭素と還元型の補酵素へと変換される（182ページ）

とまとめられています。

クエン酸回路で酸素は使われない

エネルギー代謝で酸素が使われるのは、解糖系でもなくクエン酸回路でもなく、その先の電子伝達系（酸化的リン酸化）の過程においてです。シトクロムcから複合体IVへ電子が渡されたあと、複合体IVから酸素分子が電子を貰う（つまり還元される）ことにより、電子伝達系における電子伝達が完了するわけです。

2e- + 1/2 O2 + 2H+  → H2O

1. 呼吸鎖・電子伝達系と酸化的リン酸化　.sc.fukuoka-u.ac.jp　マトリックス側で2個のH+が消費されるので，差し引き2個のH+がマトリックス側から膜間スペースへ汲み出されたのと同じ効果
2. 1)電子伝達系の役割とプロトン勾配 Bio-Science~生化学・分子生物学・栄養学などの『わかりやすい』まとめサイト~

では、酸素がなくてもクエン酸回路はまわるのかというと答えは否です。

酸素がないとクエン酸回路がまわらない理由

クエン酸回路の反応を司る酵素は、反応物や生成物によって促進・抑制されます。イソクエン酸デヒドロゲナーゼはイソクエン酸から炭酸を離脱させてα－ケトグルタル酸を生成する酵素ですが、そのとき補酵素NAD+をNADHへと還元します。この酵素活性はNAD+で促進さsれNADHで抑制されます。素の不足により電子伝達系が働かずNADHが増えてNAD+が減った状態になると、クエン酸回路も回らないということになります。

1. Does TCA Cycle require oxygen?　BYJU’S　Despite the fact that oxygen isn’t directly involved in the TCA cycle, if it isn’t available, the TCA cycle will come to a halt due to a lack of NAD+ and FAD.

クエン酸回路で生じる二酸化炭素の炭素の由来

クエン酸回路はアセチル基を完全に酸化させて二酸化炭素にするのが目的だと先に述べましたが、実は、クエン酸回路に入ってきたアセチル基の炭素は、一周目で放出される二酸化炭素の炭素ではなく、オキサロ酢酸にあった炭素が２つ、二酸化炭素として放出されるそうです。

1. http://www.sc.fukuoka-u.ac.jp/~bc1/Biochem/tca_cycl.htm

クエン酸の構造は、CH2(-COO^–)C(-OH)(-COO^–)CH2(-COO^–)なので、上下ひっくり返しても同じだと思うのですが、クエン酸が生じるときと、クエン酸からイソクエン酸になるときに向きが一定のままということなのでしょうか。マクマリー生化学反応機構182ページの説明を見ても、たしかに、色分けされていますが、アセチルCoA由来の２つの炭素はCO2が２つ放出されたあとも、残っています。

クエン酸に関する参考サイト

1. https://unacademy.com/content/neet-ug/study-material/biology/intermediates-of-tca-cycle/　簡潔な説明
2. https://www.bu.edu/aldolase/biochemistry2/12_TCA%20Cycle_3.pdf 説明がわかりやすい

分子は原子と原子が結合したものですが、一体どうして２つ原子同士はつながっているのでしょうか？「子はかすがい」という言葉があるように夫婦を結びつけるものが子供の存在だったりします。同様に、２つの原子を結び付けているのは2原子間で「共有」されている電子対（２つの電子が一つの軌道に入った状態）です。

水素原子の電子の軌道（原子軌道を呼ぶ）は量子力学で計算により明らかになり、1s, 2s, 2px, 2py, 2pz, 3s, などと名前が付けられています。これらの軌道が重なっただけでは分子の形をうまくせつめいできないことから、混成軌道という概念が生まれました。2sは球状で、2px, 2py, 2pzはそれぞれアレイのような形の軌道が互いに直交しているわけですが、これだとメタンCH４がなぜ正四面体構造になるのかが説明できません。そこで2sと2p軌道3つが「混成」して新たな軌道をつくりその軌道が正四面体構造になっていると考えるわけです。

H2Oの形もこの方法で説明がつきます。NH3もしかり。

エチレンやアセチレンや二酸化炭素はどうやって説明するのか？それは、混成するｐ軌道の数で説明されます。ｐ軌道を２つつかうsp2混成軌道であれば、平面上に三ツ矢サイダーみたいな軌道ができます。つかわれなかったのこりの一つのｐ軌道は、三ツ矢サイダーのつくる平面に対して垂直です。これでエチレン2HC=CH2の水素が、ハの字にひろがることも、分子全体がひとつの平面上にあることも説明ができます。

二酸化炭素の分子軌道

二酸化炭素ＣＯ２の形（直線状）を説明する分子軌道としては、酸素原子に関してはsp2を考えます。炭素Ｃに関してはspを考えます。これで炭素―炭素間の3重結合の説明が尽きます（一つがsp混成軌道がつくるσ軌道、２つが、p軌道２つがつくるパイ結合２つ）。Cが一つのOとつくるパイ軌道と、もうひとつのOとつくるパイ軌道は直交します。パイ軌道と酸素の非共有電子対が入った２つの軌道は直交するので、結局２つの酸素原子の軌道は直交することになります。

1. What is the Hybridization of Carbon Dioxide?　byjus.com　sp2, spを示した図が非常にわかりやすい。

ホルモンは種類が多く、作用も多岐にわたっていて覚えるのは至難の業です。

ホルモンはある臓器で分泌され血中を移動し標的となる臓器の細胞に作用します。どこで作られて、どこに作用するのか、どんな作用をもつのかを整理することが大事。ホルモンは、生体の恒常性の維持のために働いています。何か（たとえば血圧、あるいは血糖値、など）が上がればそれを下げるようなホルモンが分泌する。逆に下がれば、上げようとするというわけ。

Anti-diuretic hormone helps to control blood pressure by acting on the kidneys and the blood vessels. Its most important role is to conserve the fluid volume of your body by reducing the amount of water passed out in the urine. It does this by allowing water in the urine to be taken back into the body in a specific area of the kidney. （Anti-diuretic hormone）

1. 循環系と血圧
2. 高血圧症の理解に重要な血圧のしくみ

第110回看護師国家試験　午後問題83 血圧を上昇させるのはどれか。2つ選べ。 1. セロトニン 2. ヒスタミン 3. バソプレシン 4. ブラジキニン 5. 心房性ナトリウムペプチド

1. 血圧を上昇させるホルモンについて　看護師国家試験＆実習に役立つコンテンツ満載！ 医教コミュニティ つぼみクラブ　血圧は、A．心臓、B．循環血液量、C．末梢血管収縮によって調節されている

バソプレシン(vasopressin) は名前が示すように、血管(vasoは管、血管)を収縮させます。血管壁を構成する平滑筋が収縮すると血管の内部の容積が小さくなりますから、血圧が上昇します。

抗利尿作用（水の再吸収を促すことで尿の量を減らす、すなわち血液の量を維持する・増やす）と、血管を収縮させることは、どちらも血圧を上げる方向に働くわけです。バソプレシンが抗利尿と血管収縮作用の２つの、一見ことなる作用をもっていることには、どちらも一つの目的にむかっていたという意味があったわけですね。

1. 治療編 (テキスト解説) 13. 利尿薬（特徴）　バイエルファーマナビ　利尿薬は古くから用いられている薬剤です。腎臓の機能単位であるネフロンの尿細管や集合管に作用し、体内のNaと水分の排泄（利尿）を促進し、体液量（血液量）を減らすことによって降圧します。塩分の摂取量が多すぎると（Naの摂り過ぎ）、身体は体液の塩分濃度を一定に保とうとして水分をより多く取り込み、体液量が増えてしまいます。血管を流れる血液量が増えれば、血管はその分圧迫され、末梢血管の抵抗も増加し、血圧が上昇します。（＊この説明は非常にわかりやすい）
2. 利尿薬を処方されました。なぜ、尿を多く出すことで血圧が下がるのですか？　OMRON　利尿薬により、体内のナトリウムを水分と一緒に排出することで血圧が下がります。

セロトニン(serotonin)は、血清(serum)中に含まれている、平滑筋を収縮(tonicは収縮、緊張の意味）させる物質として同定されたため、このように命名されたという経緯があります。血管壁の平滑筋が収縮すると血圧が上昇します。

1. セロトニン〈serotonin〉　トーアエイヨー　1948年、Pageらは凝固した血液の血清中に存在する血管収縮物質をセロトニンと名づけた。これは、やがて5-ヒドロキシトリプタミン（5-hydroxytryptamine；5-HT）であることが同定された。
2. >>セロトニン(5-HT)<<　zutsuu-daigaku.my.coocan.jp

機能の異常が疾患に直結するので、機能ごとに整理することが大事ですが、分泌する部位ごとにまとめるのがいいと思います。

視床下部ホルモン

副腎皮質刺激ホルモン放出ホルモン（CRH)　　下垂体前葉に作用し下垂体前葉からの副腎皮質刺激ホルモン放出を促す　視床下部ー下垂体ー副腎皮質　軸（HPA軸）を構成。

甲状腺刺激ホルモン放出ホルモン（TRH)　視床下部-下垂体-甲状腺　軸（Hypothalamic–pituitary–thyroid axis、HPT軸）を構成。

性腺刺激ホルモン放出ホルモン（GnRH)

成長ホルモン放出ホルモン（GHRH)

ソマトスタチン（SOM)

プロラクチン放出ホルモン（PRH)

ドパミン

下垂体ホルモン

下垂体前葉ホルモン

成長ホルモン（GH)

甲状腺刺激ホルモン（TSH)　視床下部-下垂体-甲状腺　軸（Hypothalamic–pituitary–thyroid axis、HPT軸）を構成。

副腎皮質刺激ホルモン（ACTH)　副腎皮質に作用し（ACTH受容体、ｃAMP産生促進）、副腎皮質ホルモンの分泌をうながす。　視床下部ー下垂体ー副腎皮質（HPA軸）を構成。

卵胞刺激ホルモン（FSH)

応対形成ホルモン（LH)

下垂体後葉ホルモン

バソプレシン（抗利尿ホルモン　antidiuretic hormone；ADH）　V1受容体　V2受容体

1. Cardiovascular effect of the antidiuretic hormone arginine vasopressin  Klin Wochenschr . 1985 Oct 1;63(19):989-99. doi: 10.1007/BF01737635. The two major biological actions of vasopressin are antidiuresis and vasoconstriction. ‥　Vasopressin contributes substantially via increase in systemic vascular resistance to maintain blood pressure during water deprivation. During hemorrhage and hypotension vasopressin has a major role to restore blood pressure.
2. Antidiuretic hormone　yourhormones.info　Antidiuretic hormone is also called vasopressin because it causes vasoconstriction – constriction of blood vessels.

オキシトシン　オキシトシン受容体

副腎皮質から放出されるホルモン

副腎皮質ホルモン　副腎皮質ホルモン受容体（GR, MR)　視床下部ー下垂体ー副腎皮質（HPA軸）を構成。

1. 副腎と腎臓は関連があるの？2017/10/06　看護roo! 副腎と腎臓は名前が似ていて場所も近くであるとはいえ、働きのうえでは全く関連がありませんし、副腎が腎臓の付属器官であるわけでもありません。副腎があるのは腎臓の上部で、三角形をした器官が腎臓に乗っているような形態をしています。
2. 腎臓の位置　看護roo! 腎臓は左右にあり、尿管が出ています。腎臓の上側には副腎があります。(＊腎臓や副腎が、動脈や静脈につながっている様子も図示されていてわかりやすい）
3. HPA　Axis　図

副腎髄質から放出されるホルモン

アドレナリンとノルアドレナリンはともに、生命に危険がせまったような危機に対するストレス応答（Fight or Flight）を司ります。逃げるか、戦うか、どちらにしても興奮状態にするわけです。

アドレナリン（エピネフリン）

• アドレナリンα１受容体
• アドレナリンα２受容体 cAMP産生抑制
• アドレナリンβ受容体（β１～β３） cAMP産生亢進

ノルアドレナリン（ノルエピネフリン）

1. 副腎と腎臓は関連があるの？2017/10/06　 看護roo! 副腎は発生学的には、もともと全く異なる２種類の組織からできています。外側を取り巻く皮質は腺細胞の集合体ですが、中央部の髄質は交感神経の神経細胞が軸索を失って分泌細胞（腺細胞）に変化したものです。
2. 副腎髄質から分泌されるホルモンは何？ 看護roo! 副腎髄質は副腎の中央部にあり、交感神経の支配を受けています。従って、交感神経が優位になると、アドレナリン（エピネフリン）とノルアドレナリンというホルモンを分泌します。
3. 副腎髄質から分泌されるホルモンは何？2017/10/13　看護roo!  外部環境の急激な変化や生命を脅かすようなストレスなどを感じると、交感神経が活発になり、その刺激を受けるとすぐにホルモンが分泌される 　ともに生体を興奮状態にするという作用　（＊図1アドレナリンとノルアドレナリンの作用　が良くまとまっていてわかりやすい）
4. 闘争・逃走反応 ウィキペディア　闘争・逃走反応（英語: fight-or-flight response）

膵臓（膵島）から放出されるホルモン

インスリン　インスリン受容体

グルカゴン　グルカゴン受容体　ｃAMP産生促進

甲状腺から分泌されるホルモン

甲状腺ホルモン　甲状腺ホルモン受容体　　視床下部-下垂体-甲状腺　軸（Hypothalamic–pituitary–thyroid axis、HPT軸）を構成。

カルシトニン　カルシトニン受容体

副甲状腺から　分泌されるホルモン

副甲状腺ホルモン　副甲状腺ホルモン受容体

卵巣（卵胞）から分泌されるホルモン

エストロゲン　エストロゲン受容体

精巣（睾丸）から分泌されるホルモン

第104回 看護師国家試験 午前問題27

ホルモンとその作用の組合せで正しいのはどれか。

1. バソプレシン ― 利尿の促進
2. オキシトシン ― 乳汁産生の促進
3. テストステロン ― タンパク合成の促進
4. アルドステロン ― ナトリウムイオン排泄の促進

https://www.kango-roo.com/kokushi/kako/detail/3947/1

上の答えは、「テストステロンがタンパク質合成を促進する」です。第二次性徴を迎えた少年がどんどん筋肉質の体に変貌するのは、こういう理由だったんですね。

• 思春期には、精巣のテストステロン産生が増えます。

• テストステロンは、生殖器を成熟させたり、筋肉や骨を成長させたり、ひげや陰毛が生えるようにしたり、声を低くしたりします。

  男児の思春期（MSDマニュアル家庭版）

アンドロゲン　アンドロゲン受容体

テストステロン

心臓（心房）から分泌されるホルモン

心房性ナトリウム利尿ペプチド（ANP)　ANP受容体

腎臓から分泌されるホルモン

エリスロポエチン　造血ホルモンとしての作用がある。

レニン　血圧を上昇させる作用がある

1. 第１章 腎臓のつくりとはたらき　腎臓の役割は， ・余分な水分を排泄する． ・老廃物を排泄する． ・ミネラルや pH（酸性度）のバランスを整える． ・造血ホルモンをつくる． ・ビタミン D を，その効果が発揮される状態に活性化する． ・血圧を調節するホルモンをつくる．

腸で産生されるホルモン

セロトニン　セロトニンは血清(serum)中に存在する平滑筋収縮作用(tonic, tone)を持つ物質として発見されたためこの名があります。実際に人間のセロトニンのほとんどは腸で作られており、腸が消化のために蠕動運動するのを制御しています。腸で作られたセロトニンの一部は血中でも働きがあります。また脳の中でもセロトニンは作られています。

1. セロトニン　ウィキペディア　消化管で生成されたセロトニンの一部は血小板中に取り込まれ、血液凝固・血管収縮、疼痛閾値の調節、脳血管の収縮活動の調節などに働く。
2. セロトニン神経系　管理薬剤師.com セロトニンの合成と分布 消化管粘膜（腸クロム親和性細胞）に約90％、血小板に約8％、中枢神経系に約2％。
3. 考える「腸」と「脳」：その不思議なメカニズム
4. 連載03 腸は「第2の脳」といわれていますが、「第１の脳」かもしれません　いそだ病院　ドーパミンやノルアドレナリンの暴走をも抑えるセロトニンは腸（腸内細菌との協同作業）で作られ、体内のセロトニンの90%は腸に存在し、腸管の蠕動運動に関与し、多ければ下痢をきたし、少なければ便秘になります。脳内に存在するセロトニンは2%のみです。
5. 幸せホルモンと腸内環境の関係　2021 Aug 26 　最新の研究では、精神を安定させる神経伝達ホルモンである「セロトニン」の９０％は、脳ではなく腸でつくられていることが明らかとなりました。
6. 粒子分離　ベックマン　血液は血漿（水とその他の多くの化合物からなる溶液）と、それに懸濁している数種類の粒子、すなわち赤血球、白血球および血小板からなります。‥　大きな細胞は小さな細胞よりも素早く沈降します。したがって、大きさと沈降速度に十分な差がある場合には、ある種類の細胞を別の種類の細胞から分離することができます。たとえば、血小板は赤血球および白血球に比べてかなり小さいため、分離することが可能です。ここで必要なのは、遠心力と時間を正しく選択することだけです。血液を2,900 x gで3分間だけ遠心することによって、この時点では血小板が重い細胞と共に沈降するだけの時間にはまだ達していないため、血小板を、血小板を多く含む上層の血漿から回収することができます。
7. Int J Cardiol . 1987 Feb;14(2):189-203. doi: 10.1016/0167-5273(87)90008-8. Serotonin and the vascular wall P M Vanhoutte PMID: 3818135 DOI: 10.1016/0167-5273(87)90008-8

セクレチン

インクレチン

コレシストキニン

1. 腸にまつわる超すごい話　腸と脳の不思議な関係　東北大学大学院医学系研究科 行動医学分野 教授／東北大学病院心療内科 科長 福土 審 先生

ホルモンの名称、作用の覚え方

機能・作用ごとにホルモンをまとめて覚えるというやり方も効果的です。

1. 血圧調節ホルモン｜内分泌 2017/03/31　看護roo!
2. 【生理学⑧】簡単にホルモンを覚えられる４つのコツ｜理学療法士作業療法士国試塾 鰐部ゼミナール 理学療法士作業療法士国家試験専門塾【鰐部ゼミナール】 チャンネル登録者数 1.05万人　
3. 解剖 / 病態編 (テキスト解説) 7. 血圧上昇のメカニズム（レニン-アンジオテンシン・アルドステロン系）　バイエルファーマナビ

酸化還元電位は高校の化学では大きなトピックでしたが、もうすっかり忘れてました。

酸化還元反応は、一方が酸化されていれば、他方は還元されているという表裏一体の関係があります。生化学を理解するためには、酸化還元順位の理解は必須です。例で理解するのが楽なので、亜鉛と銅の組み合わせで考えてみます。

Cu2+ + 2e- ⇔ Cu

Zn ⇔ Zn2+ + 2e-

銅で電極をつくり銅イオンの水溶液につけます。他方、亜鉛で電極をつくり亜鉛イオンの水溶液を作ります。この２つを塩橋でつなぎ、２つの電極を導線でつなぎます。すると、亜鉛側では

Zn →Zn2+ + 2e-　酸化反応（電子が亜鉛原子から奪われた）

の反応がおきて電子がつくられて、導線を伝わって銅の電極のほうに移動します。銅電極ではその電子が水溶液中の銅イオンにわたされて銅が析出します。

1. Figure 20.3.3 : The Reaction of Metallic Zinc with Aqueous Copper(II) Ions in a Galvanic Cell.   この図はわかりやすい。亜鉛電極がやせ細り、銅の電極が太っている写真がよい。

Cu2+ + 2e- → Cu　還元反応（銅イオンが電子を受け取った）

なぜこういうことになるかというと、「イオン化傾向」というものがあって、亜鉛のほうが銅よりもイオン化傾向がつよいのでした。受験化学で、「リッチに貸そうかな　まああてにすんな　ひどすぎる借金」とか覚えたような気がします。

Li（リッチに） > K（貸そう） > Ca（か） > Na（な） > Mg（ま） > Al（あ） > Zn（あ） > Fe（て） > Ni（に） > Sn（すん） > Pb（な） > (H₂)（ひ） > Cu（ど） > Hg（す） > Ag（ぎる） > Pt（借） > Au（金）

1. イオン化傾向の覚え方とは？語呂合わせや金属の反応性について解説！　受験のミカタ

頭の文字しかないと覚えるのも危ういので、読み方としては、リッチに貸そうかな、ま（ぐ）あ（る）あ（えん）てにすんな（む）ひどすぎ（ん）るしゃっきん　などと元素名に引きずられつつ覚えたような。

すっかりこんなごろあわせすら忘れていましたが、亜鉛のほうが銅よりもずっとイオン化傾向が大きいので、亜鉛側でイオンになって電子を出すということがわかります。

銅と亜鉛では酸化還元電位も銅のほうが高いです。電位が高いということはポテンシャルエネルギー準位が高いということで、正荷電粒子は高い位置エネルギーから低い位置エネルギーの方向へ移動します。電子は負電荷なので逆に参加還元電位が高いほうに移動します。これは、生化学のエネルギー代謝で出てくるミトコンドリアの電子伝達系で起こることです。

1. イオン化傾向と電極電位
2. 酸化還元平衡電位　銅 Cu2+ + 2e- → Cu 0.34V　亜鉛 Zn2+ + 2e- → Zn -0.76

さて、正極、陰極、アノード、カソードはどっちがどっちでしたっけ？下のウェブ記事がわかりやすい説明をしてくれていました。

高校化学における電池での定義：導線に向かって電子が流れ出る電極が負極であり，導線から電子が流れ込む電極が正極である。化学電池の負極では酸化反応，正極では還元反応が起こる。

高校化学における電気分解での定義：電源の正極は導線から電子が入ってくる電極。陽極では電子が奪われる酸化反応が起こる。負極は電子が流れ出る電極。そこにつながる陰極では還元反応が起こる。

正極・負極は、それぞれ電位の高い側と低い側を表す。

還元が起こる電極をカソード（cathode），酸化が起こる電極をアノード（anode）と呼ぶ。かんげん，カソード。

（参照：Chemist Eyes）

1. 0005.0001. 電池式の書き方と電極の呼び方

酸化還元電位の測定の原理に関しては下のスライドの図もわかりやすいです。水素電極を基準として、表します。

1. 11.3　酸化剤，還元剤の強さの定量化　11.4　標準電極電位　doshisha.ac.jp
2. 第11章　酸化と還元　（電気化学・分析化学参照）　oshisha.ac.jp
3. 19.1.1 Describe the standard hydrogen electrode.　ibchemistry-review.blogspot.com/

4. 6.2: Standard Electrode Potentials

下のBrainKart.comの説明は、生化学の文脈の中で酸化還元電位の説明をしていて、理解しやすいと思いました。

If we had two potential electron carriers, such as NADH and coenzyme Q, for example, how would we know whether electrons would be more likely to be transferred from the NADH to the coenzyme Q or the other way around? This is determined by measuring a reduction potential for each of the carriers. A molecule with a high reduction potential tends to be reduced if it is paired with a molecule with a lower reduction potential. （Reduction Potentials in the Electron Transport Chain）

下の解説記事も非常に明解な説明でわかりやすい。

fumarate + 2H+ + 2 e–     succinate    E°’ = 0.030 V
FAD + 2H+ + 2 e–    F ADH2    E°’ = -0.180 V
remember the rule that a higher E°’ value indicates a stronger tendency for the compound to gain electrons.
fumarate + FADH2 succinate + FAD
Redox Reactions (https://sceweb.sce.uhcl.edu/wang/biochem/redox/4_reduction_potential.html　University of Houston-Clear Lake　Dr. Wang’s Homepage)

1. 標準酸化還元電位 (pH = 7)　dbp.akita-pu.ac.jp/　フマル酸 / コハク酸 +0.03　　FAD / FADH2 -0.22
2. http://www.fumi-theory.com/img/TYV.pdf

まとめ

ここまで勉強したことを自分なりに纏めておきます。結局、酸化還元反応を行う物質A,Bがあったとき、半反応をそれぞれに関しして書き出してみて、

AH2 ⇔ A2+ + 2H + 2e-    酸化還元電位＝a

BH2 ⇔ B2+ + 2H + 2e-　酸化還元電位=b

どっちが酸化される側で、どっちが還元される側になるかを考えるわけですが、それはそれぞれの酸化還元電位できまります。これは実験的にきまるので表を参考にします。

酸化還元電位がaのほうが高い、a>bだとすれば、電位が高いほうから低いほうに正電荷が流れる（すなわち、電子は電位が低いほうから高いほうに流れる）ので、Aのほうが電子を受け取る側、つまり還元される側になります。つまりBのほうは電子を取られる（酸化される）側になるので、

BH2 → B2+ + 2H + 2e-

という反応が起きて、その電子をAのほうに渡しますのでAのほうは電子を受け取ります。つまり

A2+ + 2H + 2e- → AH2

という反応が起きるわけです。こう書いてみれば、酸化の定義として、電子を奪われる、水素をとられる、還元の定義が電子をもらう、水素をもらうというのも納得がいきます。酸化が酸素が結合することでなくても良いのも当然で、酸素は

1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O

という反応で、電子を受け取っているわけです。電子を受け取るものでありさえすればなんでもいいので、別に酸素でなくても、酸化反応というのは成り立つというわけ。だいぶ頭が整理されてすっきりしました。

主な物質の酸化還元電位

1. 酢酸/アルデヒド -0.60V
2. 水素イオン/水素 -0.42V
3. NAD+/NADH　-0.32V
4. アセトアルデヒド/エタノール　-0.20V
5. ピルビン酸/乳酸 -0.19V
6. FAD/FADH2　-0.16V 　別の資料だと -0.06V
7. デヒドロアスコルビン酸/アスコルビン酸 0.08V
8. ユビキノン（酸化型）/ユビキノン（還元型） 0.10V
9. シトクロムｃ（酸化型）/シトクロム（還元型） 0.22V
10. Fe3+ / Fe 2+ 　 0.77V
11. 酸素/水　 0.82V

参考

1. 酸化還元酵素反応と電極反応

酸化還元電位測定に関する論文

1. Amperometric Biosensors Based on Direct Electron Transfer Enzymes　　Molecules 2021, 26(15), 4525; https://doi.org/10.3390/molecules26154525
2. Extremophilic Oxidoreductases for the Industry: Five Successful Examples With Promising Projections　Front. Bioeng. Biotechnol., 12 August 2021 Sec. Industrial Biotechnology Volume 9 – 2021 | https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.710035
3. An uncharacteristically low-potential flavin governs the energy landscape of electron bifurcation　PNAS　March 15, 2022 119 (12) e2117882119 https://doi.org/10.1073/pnas.2117882119
4. Reversible, Electrochemical Interconversion of NADH and NAD+ by the Catalytic (Iλ) Subcomplex of Mitochondrial NADH:Ubiquinone Oxidoreductase (Complex I)　J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 20, 6020–6021 Publication Date:April 30, 2003 https://doi.org/10.1021/ja0343961

カルボン酸R1-C(=O)-OHとアルコールR2-OHが脱水縮合すると、エステルR1-C(=O)-O-R2になりますが、どのような反応機構に基づいてエステル化が起きるのでしょうか。H2SO4などの酸が触媒になる反応です。

1. カルボン酸のカルボニル基の酸素の非共有電子対が酸触媒のH+イオンにわたされて結合をつくります（プロトン化と呼ぶ）。
2. カルボニル基の酸素の部分でプロトン化されたカルボン酸は、カルボニル基の二重結合のうちのひとつの電子対が酸素に渡されてカルボニル基の炭素が正電荷を帯びた状態と共鳴して安定化し、カルボカチオンとなります。
3. アルコールの酸素原子上の非共有電子対がカルボカチオンを攻撃し結合します（求核付加）。
4. 求核付加したアルコールの水酸基の水素Hと酸素の結合の電子対は酸素に渡され、水素は酸触媒HSO4-から電子をもらいます。
5. これでカルボニル炭素に水酸基が２つ結合した状態になりましたが、水酸基のうちのどちらかの酸素が非共有電子対を酸の水素イオンに渡して結合をつくります（プロトン化）
6. 他方の水酸基の酸素が非共有電子対を炭素にあたえ（酸素と炭素の間が二重結合になり、酸素にはプロトンが結合している）、プロトン化したほうの水酸基の酸素と炭素の間の共有電子対は酸素にわたされて水として脱離します。
7. 二重結合をつくっている酸素に結合したプロトンに対して酸触媒のHSO4-が電子を与えることにより、酸素とプロトンの間の結合が切れ（結合に使われていた電子対は酸素に渡され）ます。これによりエステル化が完成します。

なるほど確かにH2SO4は触媒として働いていて、プロトン化でH+が使われてもまた、HSO4－が塩基として働いてプロトンを取り戻すということをしているので、反応前後で酸触媒の変化はプラスマイナスゼロになっています。

R1-C(=O)-OH　と　 HO-R2との脱水で、H2Oが外れるわけですが、外れる酸素Oは、カルボン酸とアルコールのどちらのOだろうと疑問がありましたが、この反応機構からすると、アルコールの酸素ではなく、カルボン酸の酸素が外れるということがわかります。カルボン酸の２つの酸素のうちどちらの酸素かというと、反応の途中段階でカルボニル基の酸素はプロトン化して水酸基が２つとうい状態になるので、必ずどちらの酸素ともいえないようです。

参考図書：基礎講座有機化学　４０３～４０４ページ