タンパク質（栄養素）

アミノ酸はタンパク質の構成要素です。
アミノ酸は必須栄養素です。あらゆる細胞に存在し、核酸、補酵素、ホルモン、免疫反応、修復など、生命に不可欠な分子の原料でもあります。

タンパク質は人体にとって必須の栄養素です。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]タンパク質は体組織の構成要素の一つであり、燃料源としても機能します。[ 1 ]燃料として、タンパク質は炭水化物と同じエネルギー密度、つまり1グラムあたり17 kJ（4 kcal）を持っています。栄養学的観点から見たタンパク質の特徴は、そのアミノ酸組成です。[ 1 ] [ 4 ]

タンパク質は、ペプチド結合によって連結されたアミノ酸からなる高分子鎖である。[ 1 ]人間の消化過程において、タンパク質は胃の中で塩酸とプロテアーゼの作用によってより小さなポリペプチド鎖に分解される。[ 1 ]これは、体内で生合成できない必須アミノ酸の吸収に不可欠である。 [ 2 ] [ 5 ]

タンパク質エネルギー栄養失調とそれに伴う死亡を防ぐために、人間が食事から摂取しなければならない必須アミノ酸は9種類あります。それらは、フェニルアラニン、バリン、スレオニン、トリプトファン、メチオニン、ロイシン、イソロイシン、リジン、ヒスチジンです。[ 4 ] [ 6 ]必須アミノ酸が8種類か9種類かについては議論があります。[ 7 ]ヒスチジンは成人では合成されないため、9種類であるというのが一般的な見解のようです。[ 8 ]人体が合成できるアミノ酸は、アラニン、アスパラギン酸、アスパラギン、グルタミン酸、セリンの5種類です。条件付き必須アミノ酸は6種類あり、その合成は、乳児の未熟性や重度の異化障害のある人など、特別な病態生理学的条件下では制限される可能性があります。それらは、アルギニン、システイン、グリシン、グルタミン、プロリン、チロシンです。[ 4 ]タンパク質の食事源としては、穀物、豆類、ナッツ類、種子、肉類、乳製品、魚類、卵などがあります。[ 2 ]

機能

生物において、水に次いでタンパク質が占める質量は、他のどの分子よりも大きい。[ 1 ]タンパク質はあらゆる細胞に存在し、髪、皮膚、血液、骨など、あらゆる体組織や臓器の構造成分となっている。 [ 1 ]タンパク質は特に筋肉に豊富に含まれており、細胞メッセンジャー（ホルモン）や輸送分子は、酵素や抗体などのタンパク質から構成されている。また、糖タンパク質、Gタンパク質、イオンチャネルなどの細胞膜成分もタンパク質から構成されている。[ 1 ]アミノ酸の種類とその配列によって、タンパク質の独自の3次元構造と機能が決定される。 [ 1 ]

タンパク質の異化によって得られたアミノ酸は、ヌクレオチド、特定の神経伝達物質、ヘムなど、生命に不可欠な非タンパク質分子の生合成も可能にします。[ 3 ] [ 4 ] [ 1 ] [ 9 ]

出典

プロテインパウダー（中央）と牛乳（左）から作られたプロテインミルクシェイクは、ボディビルディングの一般的なサプリメントです。

タンパク質は幅広い食品に含まれています。[ 10 ] [ 11 ]世界的に見ると、植物性タンパク質食品は一人当たりのタンパク質供給量の60％以上を占めています。[ 12 ]北米では、動物由来の食品がタンパク質源の約70％を占めています。[ 11 ]昆虫は世界の多くの地域でタンパク質源となっています。[ 13 ]アフリカの一部では、食事中のタンパク質の最大50％が昆虫に由来しています。[ 13 ]毎日20億人以上が昆虫を食べていると推定されています。[ 14 ]

プロテインパウダー（カゼイン、ホエイ、卵、米、大豆、コオロギ粉など）は加工・製造されたタンパク質源です。[ 15 ]バランスの取れた食事をしている人は、タンパク質サプリメントを必要としません。[ 2 ] [ 11 ] [ 16 ]

以下の表はタンパク質源としての 食品グループを示しています。

食料源リジントレオニントリプトファン含硫アミノ酸
マメ科植物64381225
穀物と全粒穀物31321237
ナッツと種子45361746
果物45291127
動物85441238

カラーキー:

 それぞれのアミノ酸の密度が最も高いタンパク質源。
 それぞれのアミノ酸の密度が最も低いタンパク質源。

動物性タンパク質

動物性食品の栄養価と環境への影響（農業全体と比較） [ 17 ]
カテゴリー 畜産動物製品の寄与率 [%]
カロリー
18
タンパク質
37
土地利用
83
温室効果ガス
58
水質汚染
57
大気汚染
56
淡水取水
33
動物性タンパク質の供給源
シーフード
卵
チーズ

肉、乳製品、卵、大豆、魚、全粒穀物、穀類はタンパク質源です。[ 10 ]タンパク質濃度が7%を超える主食や穀物の例としては、そば、オート麦、ライ麦、キビ、トウモロコシ、米、小麦、モロコシ、アマランサス、キヌアなどが挙げられます（順不同）。[ 11 ]狩猟肉は一部の国では手頃なタンパク質源です。[ 18 ]

動物由来ではないタンパク質

植物性タンパク質源。

植物性タンパク質源には、豆類、ナッツ類、種子類、穀物、一部の野菜や果物などが含まれます。タンパク質濃度が7%を超える植物性食品には、大豆、レンズ豆、インゲン豆、インゲン豆、緑豆、ひよこ豆、ササゲ、リマ豆、キマメ、ルピナス、インゲン豆、アーモンド、ブラジルナッツ、カシューナッツ、ピーカンナッツ、クルミ、綿実、カボチャの種、麻の実、ゴマ、ヒマワリの種などが含まれます（ただし、これらに限定されません） 。[ 11 ]

太陽光発電を利用した微生物タンパク質生産では、太陽光パネルからの電力と大気中の二酸化炭素を利用して微生物の燃料を生成し、バイオリアクターで培養した微生物を乾燥タンパク質粉末に加工します。このプロセスは、土地、水、肥料を非常に効率的に利用します。[ 19 ] [ 20 ]

食品における検査

窒素ベースの粗タンパク質

食品中のタンパク質濃度を測定するための古典的な方法としては、ケルダール法とデュマ法があります。これらの試験は、サンプル中の総窒素を測定します。ほとんどの食品において窒素を含む主要成分はタンパク質のみです（脂肪、炭水化物、食物繊維には窒素は含まれません）。食品に含まれるタンパク質の種類に応じて窒素量に係数を乗じることで、総タンパク質量を算出できます。この値は「粗タンパク質」含有量として知られています。適切な換算係数の使用については、特に植物由来のタンパク質製品の導入が進むにつれて、激しい議論が交わされています。[ 21 ]しかし、食品ラベルでは、タンパク質の平均窒素含有量が約16%であるため、タンパク質は窒素量に6.25を乗じて算出されています。ケルダール法はAOACインターナショナルが採用しており、世界中の多くの食品規格機関で使用されているため、一般的に使用されています。ただし、デュマ法も一部の規格機関で承認されています。[ 22 ]

窒素ベースのタンパク質測定では、真のタンパク質と非タンパク質窒素（NPN）を区別することができません。NPNは牛乳、 [ 23 ]、食用昆虫、[ 24 ] 、 [ 25 ]、魚類[ 26 ]に多量に含まれています。さらに、粗タンパク質含有量の測定値を水増しするNPN源によるタンパク質ミールの偶発的な汚染や意図的な偽和は、食品業界で数十年前から発生していることが知られています。食品の品質を確保するために、タンパク質ミールの購入者は、尿素や硝酸アンモニウムなどの最も一般的な非タンパク質窒素汚染物質を検出するように設計された品質管理検査を定期的に実施しています。[ 27 ]

ケルダール法の限界は、2007年の中国産タンパク質輸出汚染事件と、 2008年の中国牛乳スキャンダル（測定された「タンパク質」を増やすために牛乳やグルテンに工業用化学物質メラミンが添加された事件）の中心であった。[ 28 ] [ 29 ]

真のタンパク質

食品産業の少なくとも一分野である乳製品業界では、一部の国（少なくとも米国、オーストラリア、フランス、ハンガリー）が、粗タンパク質の測定ではなく「真タンパク質」の測定を支払いと検査の基準として採用している。「真タンパク質は牛乳中のタンパク質のみを測定するものであるのに対し、粗タンパク質はあらゆる窒素源を測定するものであり、尿素など、人体にとって栄養価のない非タンパク質窒素も含まれる。…現在の牛乳検査装置は、真タンパク質の直接測定であるペプチド結合を測定する。」[ 30 ]穀物中のペプチド結合の測定は、カナダ、英国、オーストラリア、ロシア、アルゼンチンなど、赤外線分光法の一種である近赤外線反射（NIR）技術を用いて実施されている国もある。[ 31 ]

真のタンパク質分析へのより伝統的なアプローチは、アミノ酸分析です。ヒトや他の動物は必須アミノ酸を特に必要とするため、この分析データは栄養学的にも重要な意味を持ちます。国連食糧農業機関（FAO）は、乳児用調製粉乳など、唯一の栄養源として使用される食品中のタンパク質の測定には、アミノ酸分析のみを使用することを推奨していますが、同時に次のように規定しています。「アミノ酸分析のデータが入手できない場合は、ケルダール法（AOAC, 2000）または類似の方法による総窒素含有量に基づくタンパク質測定が許容される」[ 32 ]。アミノ酸分析の標準法を用いると、真のタンパク質含有量は、分析対象とした18種類のアミノ酸すべての無水質量の合計として報告できます[ 25 ] 。アミノ酸分析は、ISO 13903 (2005) やAOAC 988.15などの標準法を用いて行うことができます[ 24 ] 。

乳製品の場合、NPNはタンパク質を沈殿させて残りの画分中の窒素含有量を測定することによっても計算できます。[ 23 ]

反芻動物の代謝タンパク質

肉牛飼料中のタンパク質検査法は、戦後、科学的な側面を強く持ちました。米国の標準テキストである『肉牛の栄養所要量』は、少なくとも70年間にわたり8版を重ねてきました。[ 33 ] 1996年の第6版では、第5版の粗タンパク質に代えて「代謝可能タンパク質」という概念が導入されました。これは2000年頃に「微生物由来タンパク質と未分解の摂取タンパク質によって供給され、腸管で吸収される真のタンパク質」と定義されました。 [ 34 ] （これは特に反芻動物の栄養を指し、反芻動物ではルーメン内に生息する微生物がNPNをタンパク質に変換します。このような変換は、ヒトなどの非反芻動物では起こりません。）[ 35 ]

タンパク質の品質

栄養学的観点からタンパク質の最も重要な側面であり、決定的な特徴はアミノ酸組成である。[ 4 ]タンパク質の生物に対する有用性を、アミノ酸の相対的割合、そして一部のシステムではタンパク質源の消化率に基づいて評価するシステムは複数存在する。これらには、生物学的価、正味タンパク質利用率、そしてタンパク質効率比（PER）法の改良版としてFDAが開発したPDCAAS （タンパク質消化率補正アミノ酸スコア）などがある。PDCAAS評価は、1993年に米国食品医薬品局（FDA）と国連食糧農業機関／世界保健機関（FAO/WHO）によって、タンパク質の品質を決定するための「推奨される最良の」方法として採用された。これらの組織は、タンパク質の品質を評価する他の方法は劣っていると示唆している。[ 36 ]

2013 年に FAO は、消化可能必須アミノ酸スコアへの変更を提案しました。

消化

ほとんどのタンパク質は、消化管での消化によって単一のアミノ酸に分解されます。[ 37 ]

消化は通常、胃でペプシノーゲンが塩酸の作用によってペプシンに変換されるときに始まり、小腸でトリプシンとキモトリプシンによって継続されます。 [ 37 ]小腸 で吸収される前に、ほとんどのタンパク質は既に単一のアミノ酸または複数のアミノ酸からなるペプチドに分解されています。4つのアミノ酸より長いペプチドのほとんどは吸収されません。腸の吸収細胞への吸収は終わりではありません。そこで、ほとんどのペプチドは単一のアミノ酸に分解されます。

食事性タンパク質が分解されて生成されるアミノ酸およびその誘導体の吸収は、消化管によって行われます。個々のアミノ酸の吸収率は、タンパク質源によって大きく異なります。例えば、多くのアミノ酸のヒトにおける消化率、大豆タンパク質と牛乳タンパク質の違い[ 38 ]、個々の牛乳タンパク質、β-ラクトグロブリンとカゼインの違いなどが挙げられます[ 39 ] 。牛乳タンパク質の場合、摂取されたタンパク質の約50%は胃と空腸の間で吸収され、消化された食物が回腸に到達するまでに90%が吸収されます[ 40 ]。生物学的価（BV）は、食物から吸収されたタンパク質のうち、生物の体内のタンパク質に組み込まれる割合を示す指標です。

新生児

哺乳類の新生児は、タンパク質の消化・吸収において非常に優れており、小腸でタンパク質をそのまま吸収することができます。これにより、受動免疫、すなわち母乳を介して母親から新生児へ免疫グロブリンが移行することが可能になります。[ 41 ]

食事に関する要件

1917 年に米国農務省が開始した、肉の代わりとなる低コストのタンパク質源としてのカッテージ チーズに関する教育キャンペーン。
地域と原産地別の平均タンパク質供給量

タンパク質摂取量の必要量については、かなりの議論がなされてきた。[ 42 ] [ 43 ]個人の食事で必要なタンパク質の量は、主に総エネルギー摂取量、体内の窒素および必須アミノ酸の必要量、体重および体組成、個人の成長率、身体活動レベル、個人のエネルギーおよび炭水化物摂取量、および病気や怪我の存在によって決定される。[ 5 ] [ 15 ]身体活動および運動、ならびに筋肉量の増加は、タンパク質の必要量を増加させる。また、成長および発達のための小児期、妊娠中、または授乳中の乳児の栄養補給、あるいは体が栄養失調や外傷からの回復を必要とするとき、あるいは手術後においても、タンパク質の必要量は増加する。[ 44 ]

食事に関する推奨事項

米国およびカナダの食事摂取基準ガイドラインによれば、欠乏症のリスクを最小限に抑えるには、19～70 歳の女性は 1 日あたり 46 グラムのタンパク質を摂取する必要があり、19～70 歳の男性は 1 日あたり 56 グラムのタンパク質を摂取する必要がある。これらの推奨食事所要量 (RDA) は、体重 1 キログラムあたり 0.8 グラムのタンパク質と、それぞれ平均体重 57 kg (126 ポンド) と 70 kg (154 ポンド) に基づいて計算された。[ 4] しかし、この推奨は構造上の要件に基づいており、エネルギー代謝のためのタンパク質の使用は考慮されていない。 [ 42 ]この要件は、通常の座りがちな人のものである。 [45 ]米国では、平均的なタンパク質摂取量は RDA よりも高い。[ 46 ]ハーバード大学の研究によると、米国医学アカデミー[ 47 ]は、成人は体重1キログラムあたり1日少なくとも0.8グラムのタンパク質を摂取すべきであると提言しています。これは、体重20ポンド（約9キログラム）あたり約7グラム強に相当します。この推奨値は、筋肉量の維持、代謝機能のサポート、そして全体的な健康の促進のためのガイドラインとして、医療専門家に広く受け入れられています。

活動的な人々

いくつかの研究では、活動的な人やアスリートは、筋肉量の増加や発汗による損失、身体の修復やエネルギー源の必要性から、タンパク質の摂取量を増やす必要がある（0.8 g/kg と比較して）と結論付けています。[ 42 ] [ 43 ]実際、運動中の総エネルギー消費量の約 3% をタンパク質が占めていることが示されています。[ 48 ]推奨される量は、持久力運動を行う人の場合は 1.2～1.4 g/kg、筋力運動の場合は 1.6～1.8 g/kgまでと異なります[ 43 ] [ 45 ]高齢者の場合は最大 2.0 g/kg/日とされています [ 49 ] 一方、提案されている 1 日の最大タンパク質摂取量は、エネルギー必要量の約25 % 、つまり約 2～ 2.5 g/ kg

さらに、減量のためにカロリー制限食を使用しているアスリートは、除脂肪筋肉量の減少を避けるために、タンパク質摂取量を1.8～2.0g/kgまでさらに増やすべきだと示唆する人もいます。[ 50 ]

有酸素運動に必要なタンパク質

持久力アスリートは筋力強化アスリートとは異なり、トレーニングで筋力強化アスリートほど多くの筋肉量を増やすことはありません。研究によると、持久力運動を行う人は、運動をしない人よりも多くのタンパク質を摂取する必要があります。これは、持久力トレーニング中に破壊された筋肉を修復するためです。[ 51 ]アスリートのタンパク質必要量については依然として議論の余地がありますが（例えば、Lamont, Nutrition Research Reviews、2012年、142～149ページを参照）、持久力アスリートが行う運動の種類によってタンパク質代謝経路が変化するため、タンパク質摂取量を増やすことでメリットが得られることが研究で示されています。持久力トレーニングを受けたアスリートでは、アミノ酸の酸化により全体的なタンパク質必要量が増大します。[ 51 ]長時間（1回のトレーニングにつき2～5時間）運動する持久力アスリートは、消費エネルギーの5～10％をタンパク質から摂取します。そのため、エネルギー消費で失われたタンパク質と筋肉の修復で失われたタンパク質を補うことで、持久力アスリートにとってタンパク質摂取量をわずかに増やすことは有益かもしれません。あるレビューでは、持久力系アスリートは1日のタンパク質摂取量を体重1kgあたり最大1.2～1.4gまで増やしてもよいと結論付けています。[ 15 ]

無酸素運動に必要なタンパク質

研究によると、筋力トレーニングを行う人は、運動不足の人よりも多くのタンパク質を必要とすることが示されています。筋力トレーニングを行うアスリートは、筋肉タンパク質の合成を促進するため、または運動中のアミノ酸の酸化による損失を補うために、1日のタンパク質摂取量を体重1kgあたり最大1.4～1.8gまで増やすことがあります。多くのアスリートは、トレーニングの一環として高タンパク質食を維持しています。実際、無酸素運動（例えば、ウェイトリフティング）を専門とするアスリートの中には、非常に高いレベルのタンパク質摂取が必要であると考えているため、高タンパク質食やタンパク質サプリメントを摂取している人もいます。[ 5 ] [ 15 ] [ 51 ] [ 52 ]

特別な集団

タンパク質アレルギー

食物アレルギーは、食品中のタンパク質に対する異常な免疫反応です。症状は軽度から重度まで様々です。かゆみ、舌の腫れ、嘔吐、下痢、じんましん、呼吸困難、低血圧などが含まれます。これらの症状は通常、摂取後数分から1時間以内に現れます。症状が重篤な場合は、アナフィラキシーと呼ばれます。アレルギー反応の約90%は、牛乳、卵、小麦、貝類、魚、ピーナッツ、木の実、大豆の8種類の食品によって引き起こされます。[ 53 ]

慢性腎臓病

高タンパク食が慢性腎臓病を引き起こすという決定的な証拠はないが、この病気の人はタンパク質の摂取量を減らすべきだという点でコンセンサスがある。2018年に更新された2009年のレビューによると、タンパク質の摂取量を減らした慢性腎臓病の人は、末期腎不全に進行する可能性が低い。[ 54 ] [ 55 ]さらに、この病気の人が低タンパク質食（0.6 g/kg/日～0.8 g/kg/日）を摂取すると、腎機能を維持する代謝補償が発達する可能性があるが、一部の人では栄養失調が起こる可能性がある。[ 55 ]

フェニルケトン尿症

フェニルケトン尿症（PKU）の患者は、精神障害やその他の代謝合併症を防ぐため、必須アミノ酸であるフェニルアラニンの摂取量を極めて低く抑える必要があります。フェニルアラニンは人工甘味料アスパルテームの成分であるため、PKUの患者は低カロリー飲料やこの成分を含む食品を避ける必要があります。[ 56 ]

過剰消費

米国とカナダのタンパク質に関する食事摂取基準の見直しでは、許容上限摂取量、つまり安全に摂取できるタンパク質の上限量を確立するのに十分な証拠がないと結論付けられました。 [ 4 ]

アミノ酸が必要量を超えると、肝臓はアミノ酸を吸収して脱アミノ化します。この過程でアミノ酸に含まれる窒素はアンモニアに変換され、肝臓で尿素回路を経て尿素に変換されます。尿素は腎臓から排泄されます。アミノ酸分子の他の部分はグルコースに変換され、燃料として利用できます。[ 45 ] [ 57 ] [ 58 ]食物タンパク質の摂取量が周期的に増加または減少する場合、体は「不安定タンパク質貯蔵量」を用いてタンパク質摂取量の日々の変動を補い、タンパク質レベルを平衡状態に保とうとします。しかし、将来のカロリー需要のための貯蔵庫としての体脂肪とは異なり、将来の需要のためのタンパク質貯蔵庫は存在しません。[ 4 ]

過剰なタンパク質摂取は、含硫アミノ酸の酸化によるpH不均衡を補うために尿中へのカルシウム排泄量を増加させる可能性があります。これは、腎循環系におけるカルシウムによる腎結石形成のリスクを高める可能性があります。[ 4 ]あるメタアナリシスでは、タンパク質摂取量の増加が骨密度に悪影響を及ぼさないことが報告されています。 [ 59 ]別のメタアナリシスでは、タンパク質を多く摂取する食事では収縮期血圧と拡張期血圧がわずかに低下することが報告されていますが、動物性タンパク質と植物性タンパク質の間に差は見られませんでした。[ 60 ]

高タンパク質食は、メタ分析において、ベースラインのタンパク質食と比較して、3か月間でさらに1.21 kgの減量につながることが示されています。[ 61 ]体格指数とHDLコレステロールの低下による利点は、高タンパク質摂取が総エネルギー摂取量の45%と分類された研究よりも、タンパク質摂取量のわずかな増加を伴った研究でより強く観察されました。[ 61 ] 6か月以下の短期ダイエットでは、心血管活動への有害な影響は観察されませんでした。長期の高タンパク質食が健康な個人に及ぼす潜在的な有害な影響についてはほとんどコンセンサスがなく、減量の手段として高タンパク質摂取を使用することについて注意勧告が出ています。[ 61 ] [ 55 ] [ 62 ]

2015～2020年の米国人のための食事ガイドライン（DGA）では、男性と10代の少年は果物、野菜、その他の摂取不足の食品の摂取を増やすよう推奨しており、これを達成する手段としてタンパク質食品の全体的な摂取量を減らすことが推奨されている。[ 63 ] 2015～2020年のDGAレポートでは、赤肉や加工肉の摂取量の推奨制限は設定されていない。レポートでは、赤肉や加工肉の摂取量が少ないと成人の心血管疾患リスクが減るという研究結果を認めている一方で、これらの肉から得られる栄養素の価値にも言及している。推奨されているのは、肉やタンパク質の摂取量を制限することではなく、特定の肉やタンパク質の摂取の結果として増加する可能性のあるナトリウム（2300 mg未満）、飽和脂肪（1日の総カロリーの10%未満）、添加糖（1日の総カロリーの10%未満）を監視し、1日の摂取量の範囲内に抑えることである。 2015年のDGA報告書では赤肉や加工肉の摂取量を減らすよう勧告しているが、2015～2020年のDGAの主要勧告では、ベジタリアンと非ベジタリアンの両方のタンパク質源を含む、さまざまなタンパク質食品を摂取することを推奨している。[ 64 ]

タンパク質欠乏症

ビアフラ戦争中のナイジェリアでクワシオルコルに罹患した子供。クワシオルコルは、発展途上国で1000万人以上の子供たちに影響を与えている3つのタンパク質エネルギー栄養失調疾患の1つです。 [ 65 ]

タンパク質欠乏症と栄養失調（PEM）は、知的障害やクワシオルコルなど、様々な疾患を引き起こす可能性があります。[ 66 ]クワシオルコルの症状には、無気力、下痢、活動性の低下、発育不全、皮膚の剥がれ、脂肪肝、腹部と脚の浮腫などがあります。この浮腫は、リポキシゲナーゼがアラキドン酸に作用してロイコトリエンを生成すること、そして体液バランスとリポタンパク質輸送におけるタンパク質の正常な機能によって説明されます。[ 67 ]

PEMは世界中で小児と成人の両方でかなり一般的に見られ、年間600万人が死亡しています。先進国では、PEMは主に病院で見られ、他の疾患と関連しており、高齢者にもよく見られます。[ 4 ]

参照

参考文献

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