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2015年12月17日

血圧・血糖値・pHの調節|生体を維持する恒常性のはたらき(2)

ナースのための解剖生理の解説書『身体のしくみとはたらき―楽しく学ぶ解剖生理』より
今回は、生体を維持する恒常性のはたらきから解剖生理を理解するお話の2回目です。

〈前回の内容〉

神経とホルモンによる調節|生体を維持する恒常性のはたらき(1)

前回は、神経とホルモンが内部で起こる環境変化に対してどう反応し、細胞や個体を守っているかについて学びました。

今回は、正常な体内環境の状態を維持するために、神経やホルモンが調節している血圧血糖値・pHについて解説します。

 

〈目次〉

 

血圧の調整

血圧の受容器は、大動脈弓と頚動脈(頸動脈)洞、そして腎臓の糸球体に入る輸入動脈にあります。大動脈弓は全身に血液を送る最初のポイント、頚動脈洞は脳に血液を送るルート、腎臓は体内の水分を調節する重要な役割を果たしている器官ですから、それぞれに受容器があるのは、本当にうまくできているというほかありません。

たとえば、事故で大量出血し血圧が急速に低下したと仮定しましょう。こうした場合、まずは神経ルートがはたらきます。大動脈弓と頚動脈洞の受容器が血圧低下をキャッチすると、大動脈弓からは迷走神経を通って、頚動脈洞からは舌咽神経を通って、延髄の血管運動中枢に伝わります(図1)。

図1血圧調節の神経ルート

血圧調節の神経ルート

 

すると、血管運動中枢は、交感神経を使って心臓の収縮力を高め心拍数を上げます。同時に、生命維持に直接関係しないような末梢の細い血管を収縮させ、脳や心臓など生命維持に必要な身体の中央部に優先的に血液が流れるようにします。

また、交感神経の刺激を受けた副腎髄質は、カテコールアミン(アドレナリンと少量のノルアドレナリン、ドーパミン)を分泌します。このカテコールアミンも、血管に作用し、細動脈を収縮させるはたらきがあるからです。血圧が上昇したときは逆に迷走神経が心臓のはたらきを抑えます。

 

COLUMNカテコールアミン

アドレナリン、ノルアドレナリン、ドーパミンは、アミノ酸のチロシンから合成されるもので、その分子内にカテコール基をもつのでカテコールアミンといいます。

交感神経の末端にはノルアドレナリンをアドレナリンに変える酵素がないので、分泌されるのはノルアドレナリンだけです。一方、副腎髄質からは分泌されるのは最終産物であるアドレナリンが8割以上です。残りの2割はこれからアドレナリンになろうとしていたノルアドレナリンで、さらにノルアドレナリンになろうとしていたドーパミンもわずかに分泌されます。

パーキンソン病は大脳基底核の黒質のドーパミン細胞の変性によりドーパミンが枯渇することにより起るとされています。ですから、治療として足りないドーパミンを投与することですが、ドーパミンが脳血液関門を通ることができないので、脳内でドーパミンに変わることを期待してその前駆物質であるドーパが投与されています(図2)。

図2カテコールアミンの合成

カテコールアミンの合成

 

しかし、これだけでは効果が持続しないので、次にホルモンによる調節が重要になります。大量出血を起こすと血液が足りなくなりますから、体内の水分を逃がさないようにして血液量を保たなければなりません。血圧は血管の抵抗と血液の量に比例しますから、血液の量が増えれば、血圧も上がることになります(図3)。

図3ホルモンによる血圧調節

ホルモンによる血圧調節

 

腎臓の機能でも説明しましたが、血圧が下がると糸球体の入り口にある細胞からレニンという蛋白分解酵素が分泌されます。このレニンはまず、血液中に待機していたアンジオテンシノーゲンという物質にはたらき、それがアンジオテンシンⅠに変換し、それがアンジオテンシンⅡへと次々に変化して末梢血管を収縮させます。また、このアンジオテンシンⅡは副腎皮質を刺激し、アルドステロンというホルモンの分泌も促します。

アルドステロンは、腎臓でのナトリウムの再吸収を促すはたらきがあります。以前もお話したように、ナトリウムと水は常に一緒に行動しますから、ナトリウムが再吸収されれば水も一緒に再吸収され、血液量が増えることになります。

このように、交感神経の作用と、レニン→アンジオテンシン→アルドステロン系の作用によって、心臓の心拍数が増え、末梢の血管が収縮し血液量が増加、その結果として血圧が上がるという一連の流れが起こります。

一方、血液量が増え血圧が上昇すると、それは静脈を介して心房に戻る血液量の増加として検知されます。そこで、心房から心房性ナトリウム利尿ペプチドというホルモンが分泌され、腎臓におけるナトリウムが水を伴って尿とともに排出され血液量が減少します。

 

COLUMNナトリウムイオンとカリウムイオン

血液の浸透圧に関係するナトリウムイオンの濃度は、副腎皮質から分泌される電解質コルチコイドによって調節されています。電解質コルチコイドというのは、ナトリウムイオン、カリウムイオンの代謝に作用する複数のホルモンの総称で、なかでも最も作用が大きいのは、アルドステロンです。

アルドステロンは腎臓でのナトリウムイオンの再吸収を促すほか、唾液や胃液に含まれるナトリウムイオンの吸収も促進し、体内にナトリウムイオンを貯めるはたらきをします。一方、ナトリウムイオンが多い時は、心房ナトリウム利尿ペプチドという心房から分泌されるホルモンがはたらき、腎臓からのナトリウムイオンの排泄を促します。

アルドステロンなどのはたらきでナトリウムイオンの排泄が抑制されると、これと裏返しにカリウムの排泄は促されます。これは、ナトリウムイオンとカリウムイオンが同じ陽イオンのために、陽イオンの総量を保とうとして起きる現象です。

 

血糖値の調整

寝ている間にお腹が空いて起きてしまったという経験はありますか? もしあるとしたら、それは夕食を食べ損ねたか早く食べ過ぎたかして、肝臓に蓄えたグリコーゲンをすっかり使い切ってしまったからかもしれません。

細胞が「今すぐ使う」ための最も効率のよいエネルギー源は、ブドウ糖です。私たちはこのブドウ糖を通常、朝、昼、晩の1日3回の食事を通じて摂取しています。血液1dL中に含まれるブドウ糖の量を血糖値といい、1日の血糖値の変化をグラフにすると食事の直後はやや高くなりますが、それ以外は寝ている間も含めてほぼ80〜100mg/dLに保たれています。これは、肝臓が食後すぐには使わない糖質をグリコーゲンとして蓄え、長時間ブドウ糖を取り込むことができない場合は、グルカゴンやアドレナリンがグリコーゲンを分解して血液中に流しているからです(図4)。

図4血糖値調節のしくみ

血糖値調節のしくみ

 

グリコーゲンの分解だけで間に合わない時は、肝臓はアミノ酸やグリセリンなど糖質以外の物質から新たに糖を作り出します。これを糖新生と呼びます。糖新生を促進し、血糖値を上げる効果があるのは、成長ホルモンや副腎皮質のグルココルチロイドなどのホルモンです。なかでも、アドレナリンやグルココルチロイドの分泌には、ストレスが関係しているといわれます。

人体にストレスが加わると、まず交感神経が優位になり、心臓の拍動が激しくなります。さらに食事が取れない状態でも血糖が下がらないように、肝臓に蓄えておいたグリコーゲンを分解し、血液中に放出します。でも、肝臓に貯蔵できるグリコーゲンの量は肝臓の重量の約8%、大人で100〜120g、400kcalですから、あっという間になくなってしまいます。そこでグルココルチコイドが糖新生を促し、血糖を維持します。

 

memo低血糖も危険

血糖値が高いのは糖尿病の兆候などとして知られていますが、血糖値が低すぎても人体には悪影響を及ぼします。特に脳はグルコースを必要とする臓器であり、血糖値が下がりすぎると昏睡状態に陥ることがあります。治療としてインスリンを使い始める時は、投与量の加減が難しく、多すぎて低血糖になることがあるので注意が必要です。

 

グルココルチコイドはステロイドホルモンと称され、さまざまな疾患の治療で使われます。しかし、食事が取れる状況で投与されると血糖が上昇し、糖尿を引き起こすことがあります。

 

memoステロイドホルモン

ステロイドホルモンは、①グルココルチコイドのほかに、②ミネラルコルチコイドと、③性ホルモンがあります。

①グルココルチコイドはインスリンの逆で、細胞内への糖の取り込みを抑制します。それは、脳や心臓に糖を優先して回すためです。しかし、その作用が強すぎると糖が余るので血糖が上がるのです。さらに、糖が入らなくなった筋肉と脂肪組織では蛋白質と脂肪の分解が進み、その分解産物が肝臓で糖に変換され、血糖はさらに上昇します。免疫細胞では糖が入らなくなることで炎症が抑制されるので、免疫抑制薬や抗炎症薬として多くの疾患の治療薬として使われています。しかし、副作用が多いので、注意が必要な薬です。

②ミネラルコルチコイドの代表はアルドステロンで腎尿細管におけるナトリウムイオンの再吸収を促進するホルモンです。

③性ホルモンには男性ホルモンと女性ホルモンがあり、スポーツ選手によるドーピングで問題になるのは筋肉増強剤として使われる男性ホルモンを指しています。

 

高くなった血糖値を下げる唯一のホルモンは、膵臓のランゲルハンス島から出るインスリンです。インスリンはほとんど全ての細胞にはたらき、糖の細胞内への取り込みを助けます。インスリンが欠乏すると、血液中に糖があってもそれを細胞内に取り込むことができず、糖が不足しているのと同じ状態になります。すると、エネルギー源として脂肪や蛋白質を分解されるため、身体は痩せ細ってしまいます。

身体が必要とする以上のエネルギーを摂取し血糖が上昇するとインスリンのはたらきで、グルコースを細胞内に取り込ませます。しかし、こうした状態が長く続くと膵臓は大量のインスリンを出し続けることに疲れ、血糖を正常に維持するのに必要な量のインスリンを出すことができなくなります。また、細胞膜にあるインスリン受容体の感受性が落ちてしまいます。成人の糖尿病の大部分はこのタイプの糖尿病(Ⅱ型糖尿病)で、ほとんどの患者は太っています。

重症の糖尿病では、食事療法によって血液中の糖をコントロールすると同時に、このインスリンを補充して糖の利用を促進し、血糖値を下げる方法がとられます。

 

水素イオン(pH)の調整

私たちの身体は酸性でしょうか、それともアルカリ性でしょうか。『身体の中の社会|生体としての人体(3)』を思い出してください。私たちの身体を流れる血液のpHは7.35〜7.45が正常値で、つまり弱アルカリ性でした。

細胞はとてもデリケートで、この正常値の範囲を超えると、とたんに代謝活動が止まってしまいます。代謝活動が止まるということは細胞が死んでしまうということで、それはすなわち細胞の集合体である個体もまた生きてはいけないことを意味しています。

pHはpotential Hydrogenあるいはpower of Hydrogenの略で、「ピーエイチ(英語読み)」あるいは「ペーハー(ドイツ語読み)」と呼びます。つまり、pHは水素イオンで決まります([ ]はモル濃度を意味する。[H]はHのモル濃度)。

分子式H2Oで表される水は、H2O → H + OH のようにごくわずか解離しています。式を見てわかるように、右辺の水素イオンHと水酸化物イオンOHの数は同数です。そして、中性の純水の場合は[H]=[OH]=10−7mol/LでpH=7です。つまり、[H]= 10−7mol/Lの10の右肩にある小さい数字(指数)のマイナスを取った整数部分の数字がpHを表しています。

[H]が10−7mol/Lより高くなると、たとえば10倍になり10−6mol/LとなるとpHは6となり、酸性になります。逆に[H]が10−7mol/Lより低くなると、たとえば10分の1になり10−8mol/LとなるとpHは8となり、アルカリ性になります。

代謝により生じる二酸化炭素が血液中に放出されると水と反応し炭酸を生じます。炭酸は水素イオンと重炭酸イオン(HCO3)に解離します。つまり、栄養素の代謝により二酸化炭素が生じると二酸化炭素を減らすために下の式は右に進み、水素イオンが増え、血液は酸性に傾きます。

 

  • CO2 + H2O ⇔ H2CO3 ⇔ H + HCO3

 

たとえば、激しい運動をすると呼吸が荒くなりますね。これは代謝によって生じた二酸化炭素が体内にたまると血液中のpHが酸性に傾いてしまうため、それを早く吐き出すと同時により多くの酸素を取り込もうとするために起きる現象です。

 

COLUMN酸・塩基平衡異常

二酸化炭素が水素イオンを遊離する物質で代表的な酸性の代謝産物ですが、そのほかにも乳酸、尿酸といった物質も水素イオンを遊離するので酸性の代謝産物です。このように代謝により陽イオンである水素イオンが血液中に遊離されても、それと結合する陰イオンがあれば水素イオンは増えず、血液は酸性に傾きません。水素イオンと結合できる代表的な陰イオンが重炭酸イオンです。

つまり、pHは酸の代表的な二酸化炭素とそれを中和する塩基(アルカリ)の重炭酸イオンの比で決まります。両者の比は二酸化炭素が肺から呼気として排出され、重炭酸イオンが腎臓で再吸収されることで維持されています。このように、pHを正常値に保つためには、肺と腎臓のはたらきがとても重要だということがわかります。

 

 

HCO3が増えるかCO2が減ると、この比が大きくなり、逆にHCO3が減るかCO2が増えると、この比が小さくなります。前者をアルカローシス、後者をアシドーシスといいます。

アルカローシスの代表的なものに過換気症候群があります。これは精神的なストレスなどにより過呼吸になり、その結果、手足のしびれやけいれんなどの症状を起こすことがあります。この病態は二酸化炭素が過剰に排出されpHが大きくなるので、呼吸性アルカローシスといいます。

アシドーシスの代表的なものは、上記の逆で、呼吸器疾患で二酸化炭素の排出が障害され血液中にたまり酸性になる病態で、呼吸性アシドーシスといいます。また、腎臓による重炭酸イオンの再吸収が障害されるか、二酸化炭素以外の酸性代謝産物の増加により重炭酸イオンが消費されて減ることでアシドーシスになることもあります。この病態は代謝性アシドーシスといい、呼吸性アシドーシスと区別しています。

 

動脈血の二酸化炭素分圧が上昇する(水素イオンが増える)と主に延髄にある中枢化学受容器が、また、酸素分圧が低下すると主に大動脈体と頚動脈小体にある末梢化学受容器がそれをキャッチします。大動脈体からは迷走神経、頚動脈小体からは舌咽神経を伝わって、延髄の呼吸中枢へ情報が伝えられます。すると、呼吸中枢ではなんとか多くの二酸化炭素を吐き出して新鮮な酸素を取り込もうと、横隔膜や外肋間筋にはたらきかけ、呼吸の回数を増やしたり、呼吸を深くしたりするのです(図5)。

図5呼吸調節のしくみ

呼吸調節のしくみ

 

memoチェーン・ストークス呼吸

無呼吸の状態が続いた後不規則な呼吸が表れ、また無呼吸となる状態を反復する病的な呼吸型を、チェーン・ストークス呼吸といいます。呼吸中枢の興奮性の低下によって起こるといわれています。

 

〈次回〉

体温の調節|生体を維持する恒常性のはたらき(3)


本記事は株式会社サイオ出版の提供により掲載しています。

[出典]『身体のしくみとはたらき―楽しく学ぶ解剖生理』(編著)増田敦子/2015年3月刊行

引用・参考文献 

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