生化学

生化学 · 13/1

生体内変換反応の特徴と分類;第I相・第II相反応;誘導の臨床的意義;薬物代謝と解毒における役割

Characterization and classification of biotransformation reactions; Phase I and Phase II reactions; clinical significance of induction; role in drug metabolism and detoxification — L I

応用トピック
薬物代謝(生体内変換)の相

🧠 は「の対極」として読む。 では比較的高いをもつ酵素が中心となる一方、では重複するをもつ酵素群が多様な内因性・外因性化合物を扱う。多くの場合は脂溶性分子をして排泄を促すが、薬物の活性化やの生成も起こりうる。流れは「第I相でを付ける → 第II相で水溶性の大きな基を結合する → 第III相で輸送体が細胞外へ出す」の3段で覚える。

生体内変換はどこに位置するか

対比項目
基質数 比較的限られる 非常に多様
酵素の特異性 高い(例:) 低い(非特異的)
狭い範囲、常時存在 広い範囲、出現が可変
酵素の発現様式 (または) または酵素種に応じて
主な帰結 ・ ・排泄促進、活性化または毒性化

💡 酵素は「生物との」から進化した。 ある種(ハエA)はサボテンXの毒を代謝するP450酵素をもつが、サボテンYの毒には無防備。別の種(ハエB)は逆にYを代謝できるがXには無防備——このような種間の相互作用(内因性の・前駆体を代謝する酵素が、たまたま類似構造の外来のも代謝できる)が、酵素進化の基盤になっている。

内因性化合物と外因性化合物

は内因性化合物(ビリルビン、代謝物、物、ステロイド骨格など)と外因性化合物(異物・薬物・環境)の両方を扱う。主要な帰結は脂溶性のをより極性の高い代謝物へ変換して尿・便などへの排泄を促すことだが、やを生じる場合もある。

生体内変換の特徴

  1. 非特異的酵素: 1つの酵素が複数の基質を、1つの基質が複数の酵素で代謝されうる。
  2. 収束: 多様な基質が、重複する第I相・と第III相輸送体によって処理される。
  3. : 一部のは薬物・喫煙・食事・ホルモンなどで誘導されるが、程度は酵素種と曝露条件で大きく異なる。

局在

局在 内容
主に酸化、一部の抱合(例:)
、メチル化、アセチル化、、
酸化、抱合(肺・腸・皮膚・腎などにも存在)

「」は細胞をしたときにが作る小胞の分画名で、実体はの膜である。とはここに埋まっており、・N-・の多くは細胞質(可溶性分画)にある。

生体内変換の帰結

パターン 代表例 要点
活性→不活性 の・ 大部分の薬物がたどる「解毒」の経路
不活性()→活性 (モルヒネを生成)1 の活性が効果と毒性の両方を左右する
活性→ (を生成) と代謝物の両方が薬効をもつ
不活性→活性・毒性 CYP2E1でラジカルが生じ、のを起こす
活性→毒性(同一薬物内での分岐) (を生成) 通常は少量でが解毒するが、過量で

上の表の各反応を、物質の変化として並べると次のようになる。

flowchart TD
  PHE["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='phenacetin'>フェナセチン</span>"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytochrome P450 1A2'>CYP1A2</span><br>O-脱エチル化"| APAPM["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='paracetamol'>パラセタモール</span><br>(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='active metabolite'>活性代謝物</span>)"]
  COD["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='codeine'>コデイン</span><br>(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='prodrugs'>プロドラッグ</span>)"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytochrome P450 2D6'>CYP2D6</span><br>O-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='demethylation'>脱メチル化</span>"| MOR["モルヒネ<br>(活性体)"]
  COD -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytochrome P450 3A4'>CYP3A4</span><br>N-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='demethylation'>脱メチル化</span>"| NOR["ノル<span class='jp-term jp-term-diagram' title='codeine'>コデイン</span>"]
  CCL4["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='carbon tetrachloride'>四塩化炭素</span> CCl₄"] -->|"CYP2E1<br>還元的脱ハロゲン化"| CCL3["トリクロロメチルラジカル CCl₃•"]
  CCL3 -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='non-enzymatic'>非酵素的</span><br>O₂付加"| PER["トリクロロメチルペルオキシラジカル<br>→ <span class='jp-term jp-term-diagram' title='membrane lipid'>膜脂質</span>の過酸化"]

パラセタモール:解毒と毒性化の分岐

flowchart TD
  APAP["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='paracetamol'>パラセタモール</span>"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='UDP-glucuronosyltransferase, UGT'>UDP-グルクロン酸転移酵素</span><br>UDP-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glucuronic acid'>グルクロン酸</span> → UDP"| APG["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glucuronide conjugate'>グルクロン酸抱合体</span><br>(尿中へ)"]
  APAP -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sulfotransferase, ST'>硫酸転移酵素</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='3&#39;-phosphoadenosine-5&#39;-phosphosulfate'>PAPS</span> → PAP"| APS["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sulfation'>硫酸抱合</span>体<br>(尿中へ)"]
  APAP -->|"CYP2E1など(少量)<br>O₂・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (reduced)'>NADPH</span>"| NAPQI["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='N-acetyl-p-benzoquinone imine'>N-アセチル-p-ベンゾキノンイミン</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='N-acetyl-p-benzoquinone imine'>NAPQI</span>(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='toxic metabolite'>毒性代謝物</span>)"]
  NAPQI -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutathione S-transferase (GST)'>グルタチオンS-転移酵素</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='non-enzymatic'>非酵素的</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutathione'>グルタチオン</span>"| GSHC["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutathione conjugation'>グルタチオン抱合</span>体<br>→ システイン抱合体・メルカプツール酸(尿中へ、無毒)"]
  NAPQI -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='non-enzymatic'>非酵素的</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutathione'>グルタチオン</span>枯渇時"| ADD["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hepatocyte protein'>肝細胞タンパク</span>との共有結合<br>→ <span class='jp-term jp-term-diagram' title='centrilobular'>小葉中心性</span>の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hepatocellular necrosis'>肝細胞壊死</span>"]

⚠️ 同じ薬物が「解毒」にも「」にもなりうる好例=。 通常量では大部分が・で不活化されるが、一部はによりに変換され、通常はで速やかに解毒される。で抱合経路が飽和しが枯渇すると、がと結合しを起こす(がの前駆体システインを補ってになる。診療の流れは)。

⚠️ の鎮痛効果はでモルヒネに変わって初めて生じる。 のでは標準用量でもモルヒネが過剰に生成され、健常者の試験ではに比べモルヒネの中央値が45%高かった。標準用量で重篤または生命を脅かす有害事象が起きた症例報告もあり、CPICガイドライン(2021年)はではを避けること(推奨の強さ:強)、者ではモルヒネ生成が減ること、(活性スコア0)では鎮痛効果が期待できないためを避けて別のを使うことを示している。2 同じ理由でものの影響を受ける。

生体内変換の3相

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='apolar'>無極性</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='lipophilic compound'>脂溶性化合物</span>"]
  A --> B["第I相(準備相・酸化相)<br>酸化・還元・加水分解"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Group'>官能基</span>(-OH, -COOH, -SH, -NH₂など)を導入・露出"]
  C --> D["第II相(抱合相)<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='glucuronidation'>グルクロン酸抱合</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sulfation'>硫酸抱合</span>・メチル化・アセチル化・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutathione conjugation'>グルタチオン抱合</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='amino acid conjugation'>アミノ酸抱合</span>"]
  D --> E["水溶性・輸送可能な化合物"]
  E --> F["第III相(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='evacuation phase'>排出相</span>)<br>取り込み・排出輸送体"]
  F --> G["胆汁 → 便"]
  F --> H["血液 → 腎 → 尿"]

第I相を経ずに直接抱合される化合物(すでに-OHをもつモルヒネ・など)もあり、3相は必ずこの順に全部通るわけではない。

第III相では、代謝物や未変化体が取り込み・排出輸送体(P-・MRP2など)で細胞膜を越え、胆汁(→便)または血液から腎(→尿)へ排泄される。胆汁排泄とは並列の出口であり、「血液→胆管→腎→尿」という単一の経路ではない。

第I相反応の種類

例
水酸化 ・・窒素上
N-, S-, P-(O-も含む:、)
—
N-, S-, P-酸化 —
—
還元 アゾ還元、ニトロ還元、ジスルフィド還元
加水分解 エステル・アミドの加水分解

関与する酵素: 、、脱水素酵素、。

シトクロムP450系

として、多くの臨床薬物の酸化代謝に関与する主要な第I相酵素系である。3

モノオキシゲナーゼ反応

flowchart TD
  RH["脂溶性の基質<br>R-H"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytochrome P450, CYP'>シトクロムP450</span>(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='monooxygenase'>モノオキシゲナーゼ</span>)<br>O₂ + <span class='jp-term jp-term-diagram' title='nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (reduced)'>NADPH</span> + H⁺ → H₂O + NADP⁺<br>電子は<span class='jp-term jp-term-diagram' title='nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (reduced)'>NADPH</span>-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytochrome P450, CYP'>シトクロムP450</span>還元酵素(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='flavin adenine dinucleotide'>FAD</span> → FMN)から"| ROH["水酸化された代謝物<br>R-OH"]

💡 「混合機能」=酸素分子の2原子の行き先が「混ざる」。 O₂の1原子は基質に入って-OHになり、もう1原子は由来の電子で還元されて水になる。1つの酵素が「酸化」と「還元」を同時に行うのでこの名がある。の電子は還元酵素のからFMNへ渡り、1個ずつ(Fe³⁺ → Fe²⁺)に届く。

系の構成成分

成分 役割
フラボタンパク(1 FMN + 1 =-還元酵素) 、から電子を受けてへ渡す
b5(ヘムタンパク) 、2個目の電子の供給を補助しうる
リン脂質 、膜上で成分どうしを近づける
アイソ酵素(ヘムタンパク) (を決める)

💡 「P450」という奇妙な名前の由来。 に局在するヘムタンパク性で、を=として使う。が450 nmにをもつことに由来する。が高く、を形成し、著しいを示す。Fe²⁺/Fe³⁺のを変え酸素分子と結合できる。

CYPファミリーと薬物代謝(哺乳類で薬物代謝に関わる4ファミリー)

ファミリー 誘導因子 基質の例 特記事項
CYP1 、ダイオキシン類、煙 (など)、、、 誘導には()が関与
CYP2 、エタノール、、誘導体、ステロイド 多種多様な異物、 は主にCYP2Bを、エタノール・はCYP2E1を誘導する
CYP3A ステロイド、リファンピシンなど 多くの内因性化合物、、、 肝・小腸の主要な群で、既知の薬物の約30〜50%を代謝4
CYP4 を介して:など。絶食や糖尿病などのでも発現が変化しうる 脂肪酸、(ω水酸化) 主に内因性で重要で、一般的なの主軸とは区別する

⚠️ ヒトでは57の機能的遺伝子が知られ、外来物・の多くは主にCYP1・2・3ファミリーに属する約12酵素が担う。 主に肝に発現するが、肺・腸・皮膚・腎にも存在する。薬物相互作用やは、、CYP2C9、CYP2C19、/5など個別単位で考える。3

第II相反応(抱合)

第I相で露出した-OH・-NH₂・-COOH・-SHなどに、高エネルギーの「活性化された」から大きな極性基を転移する。反応の向きを決めているのは転移酵素ではなく、側の高エネルギー結合である。

flowchart TD
  ROH["-OH・-COOH・-NH₂をもつ基質<br>(第I相の代謝物、ビリルビン、ステロイドなど)"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='UDP-glucuronosyltransferase, UGT'>UDP-グルクロン酸転移酵素</span><br>UDP-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glucuronic acid'>グルクロン酸</span> → UDP"| GLU["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glucuronide conjugate'>グルクロン酸抱合体</span>"]
  ROH -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sulfotransferase, ST'>硫酸転移酵素</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='3&#39;-phosphoadenosine-5&#39;-phosphosulfate'>PAPS</span> → PAP"| SUL["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sulfation'>硫酸抱合</span>体"]
  CAT["カテコール類・チオプリン"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='methyltransferase'>メチル基転移酵素</span>(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='catechol-O-methyltransferase'>COMT</span>・TPMTなど)<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='S-adenosylmethionine'>S-アデノシルメチオニン</span> → S-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='S-adenosylhomocysteine'>アデノシルホモシステイン</span>"| MET["メチル化体"]
  AMI["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='aromatic amines'>芳香族アミン</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hydrazine'>ヒドラジン</span><br>(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='isoniazid, H'>イソニアジド</span>など)"] -->|"N-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='acetyltransferase'>アセチル転移酵素</span>(NAT2など)<br>アセチルCoA → CoA"| ACE["アセチル化体"]
  ELE["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='electrophilic'>求電子性</span>の代謝物<br>(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='N-acetyl-p-benzoquinone imine'>NAPQI</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='epoxide'>エポキシド</span>など)"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutathione S-transferase (GST)'>グルタチオンS-転移酵素</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutathione'>グルタチオン</span>"| GSC["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutathione conjugation'>グルタチオン抱合</span>体"]
  GSC -->|"γ-グルタミルトランスフェラーゼ・ジ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='peptidase'>ペプチダーゼ</span>で切断<br>N-アセチル化(アセチルCoA)"| MER["メルカプツール酸<br>(尿中へ)"]
  BEN["安息香酸"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='acyl-CoA'>アシルCoA</span>合成酵素<br>ATP・CoA"| BCOA["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='benzoyl-CoA'>ベンゾイルCoA</span>"]
  BCOA -->|"グリシンN-アシル転移酵素<br>グリシン → CoA"| HIP["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hippuric acid'>馬尿酸</span>(尿中へ)"]
抱合 転移酵素 代表的な基質 臨床で問題になる
(小胞体) ビリルビン、、モルヒネ、ステロイド UGT1A1の活性低下:の上昇、のSN-38による骨髄抑制・下痢
(細胞質) 、ステロイド、カテコールアミン 容量が小さく高用量で飽和しやすい
メチル化 、TPMTなど カテコールアミン、チオプリン(・) TPMT活性低下でチオプリンによる重い骨髄抑制
アセチル化 N-(細胞質) 、、、 NAT2の遅い:の末梢神経障害、
(主に細胞質) の 枯渇で毒性化(過量)
グリシン・を結合する転移酵素 安息香酸、胆汁酸 —

💡 メチル化とアセチル化は水溶性をあまり上げない(むしろ下げることもある)。 大きな電荷をもつ・硫酸・と違い、付くのが小さな・だからである。この2つは「排泄の準備」というより、反応性の高いアミン・カテコールのをふさいで不活化する意味が大きい。

誘導の臨床的意義

は薬物相互作用の主要な機序であり、な薬物・アルコール・が他の薬物の代謝速度を変化させ、治療域を外れさせたり薬効を減弱させたりする。誘導の多くは(または転写因子)が異物を感知して酵素遺伝子の転写を増やすことで起こる。

flowchart TD
  X["誘導物質<br>(リファンピシン、<span class='jp-term jp-term-diagram' title='phenobarbital'>フェノバルビタール</span>、<span class='jp-term jp-term-diagram' title='tobacco'>タバコ</span>煙、<span class='jp-term jp-term-diagram' title='fibrate'>フィブラート</span>など)"]
  X --> R["細胞内の受容体に結合<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='aryl hydrocarbon receptor'>AhR</span>・CAR・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pregnane X receptor'>PXR</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='peroxisome proliferator-activated receptor alpha'>PPARα</span>"]
  R --> T["核内で<span class='jp-term jp-term-diagram' title='target gene'>標的遺伝子</span>の転写を増やす"]
  T --> P["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytochrome P450'>CYP</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='UDP-glucuronosyltransferase, UGT'>UDP-グルクロン酸転移酵素</span>・輸送体のタンパク量が増える<br>(新しい酵素の合成が要るので数日〜2週間かけて効いてくる)"]
  P --> C1["併用薬の代謝が速まる → 血中濃度低下・効果減弱"]
  P --> C2["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='prodrugs'>プロドラッグ</span>や<span class='jp-term jp-term-diagram' title='toxic metabolite'>毒性代謝物</span>の生成が増える"]
受容体 主な誘導物質 主に増える酵素 臨床での例
煙の、ダイオキシン類 CYP1A1・ 喫煙者ではや・の血中濃度が下がり、禁煙すると逆に上がる
CAR CYP2B6など どうしの相互作用
PXR リファンピシン、カルバマゼピン、フェニトイン、 (CYP2C群・・P-も) ワルファリン・経口避妊薬・などの効果減弱
CYP4A 脂肪酸のω酸化の亢進

⚠️ 誘導は「止めたとき」にも危険になる。 誘導物質を中止すると酵素量は数日〜数週で元に戻るため、誘導下で増量していた併用薬が過量になる。慢性飲酒でCYP2E1が誘導されている人では、からの生成が増えやすい。これに対し(による腸管阻害など)は新しいを要さず、数時間のうちに効く。

臨床ではファミリー単位の暗記だけでなく、、、CYP2C9、CYP2C19、/5など個別ごとの基質・誘導・阻害・を確認する。

まとめ

  • は多様な基質を重複するの酵素群で処理し、主に・排泄を促すが、活性化や毒性化も起こりうる。
  • 内因性・外因性化合物の両方を扱い、種間のがその進化的起源。
  • 第I相(酸化・還元・加水分解、が主役)でを導入・露出、第II相(抱合)で活性化された(UDP-・・・アセチルCoA・・アミノ酸)から極性基を付け、第III相(輸送体)で排出する。
  • はO₂の1原子を基質へ、1原子を水へ入れるで、電子は-還元酵素(・FMN)から受け取る。450 nm吸収に名の由来をもつヘムタンパクで、ヒトのは主にCYP1・2・3ファミリーの限られたが担う。
  • 同じ薬物が解毒(の硫酸・)にも()にもなりうる。→モルヒネはによるの代表例で、ではを避ける。
  • の多型(UGT1A1、TPMT、NAT2)は、・毒性・チオプリン毒性・神経障害として臨床に現れる。
  • 誘導は・CAR・・などが転写を増やす現象で、効くのにも消えるのにも日数を要する。阻害は速やかに効く。

出典

  1. 1.Population Pharmacokinetic Quantification of CYP2D6 Activity in Codeine Metabolism in Ambulatory Surgical Patients for Model-Informed Precision Dosing(Clinical Pharmacokinetics・2024)CYP2D6がコデインをO脱メチル化してモルヒネを生成し、遺伝型がモルヒネ曝露を左右すること閲覧 2026-08-20
  2. 2.Clinical Pharmacogenetics Implementation Consortium Guideline for CYP2D6, OPRM1, and COMT Genotypes and Select Opioid Therapy(Clinical Pharmacology & Therapeutics(CPIC)・2021)Consensus の全文抜粋(Table 2 と本文)で確認。CYP2D6超高速代謝者(活性スコア>2.25)はモルヒネ生成が増えて毒性リスクが高いためコデインを避ける(推奨の強さ strong)、中間代謝者はモルヒネ生成が減ること、低代謝者(活性スコア0)は効果不十分のためコデインとトラマドールを避けること、健常ボランティアで超高速代謝者のモルヒネAUC中央値が通常代謝者より45%高かったこと、標準用量でも重篤な有害事象の症例報告があること閲覧 2026-09-27
  3. 3.Cytochrome P450 enzymes in drug metabolism: regulation of gene expression, enzyme activities, and impact of genetic variation(Pharmacology & Therapeutics・2013)ヒトの57機能的CYP遺伝子のうち主にCYP1・2・3の約12酵素が臨床薬の70〜80%の代謝に関与すること閲覧 2026-08-20
  4. 4.CYP3A4 and CYP3A5: the crucial roles in clinical drug metabolism and the significant implications of genetic polymorphisms(PeerJ・2024)CYP3A4・CYP3A5が既知の薬物の約30〜50%を代謝し、遺伝的多型が薬物応答へ影響すること閲覧 2026-08-20