What is nutritional science, what is dietetics?

Nutrition Dietetics1 2 5

Dietetics: Interdisciplinal fieldpreventive medicine, food science, cookery science/ home economics, cultural anthropology

:Beriberi

1849 1920: 1862-1922

( 1933)

Why do We Eat, Drink, and Breaths?Why don’t we getting fat by taking food weight everyday?

Contents1. Introduction The mechanisms of our body to keep our lives

are very much based on principles of chemistry (3-8)

3. Why do we eat? (1) What is our body made from? 28-45

4. Why do we eat? (2) Oxidation-reduction (Redox) and the calorie, thermo-chemistry, and metabolism (46-62)

5. What is breath? Its mechanism and the laws of gases (63-74)

6. Why do we drink? The property and the roles of water in our body. Transport and excretion/evacuation/elimination (75-81)

7. Why is gastric juice (stomach) strongly acidic, and why is juicein intestines basic? (82-96)

8. Why are water insoluble fats digested & assimilated in our body? (97-108)

1 Introduction mechanism of human body and the basics of chemistry

Object , The Scope of the Lecture

We breathe(respire), drink water, and eat foods in order to keep our lives. We will learn all these our actions are closely related to the basis of chemistry.

Food is Life Eating is Living, Eating/Healthy lifeMedicine and Food is the Same in Origin Quality of life

We eat lots amount if we sum up everyday food for a year. Nevertheless our body-weight increase as much as we have eaten. Why is it? have the foods, the materials which composed of the foods, or the of the foods ? (just disappeared!) (Hint: We say that to make ourselves slim we need to diet and also to burn fat by exercise.)

Object , The Scope of the Lecture

How is the energy for living produced?What is the origin of our temperature? What is the meaning of breathing for our body? Is carbon dioxide, which we exhale(breathe out) from our lung, waste matter for our body?Where has hydrochloric acid in gastric juice(pH1.5) come from? Why our intestine weakly basic(pH7-8.5)? There is a common factor between our blood and the water of swimming pool. What is it?

What are the roles of water in our body? How the nutrients in blood vessel reach to the cells composing our body? Why do we swell our face, hand, or legs (dropsy, abdominal dropsy ascites)? What do we excrete by urination? How does our body make it?

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広辞苑の説明文：栄養 、栄養学 とは（配布資料（からだの中の化学）ページ目の最下行から ページ目の 行目）

佐伯 「栄養」の造語、国立栄養研究所（前身）の創設

：

・高木兼寛：海軍軍医、麦飯→脚気追放（ ～ ）

・森鴎外（林太郎）陸軍軍医総監（ ）、

脚気細菌感染説、国民病・日露戦争

香川 綾・食養研究会の創立（女子栄養大学の前身）：

（ ）

：

： （ ）

：

：

：

． ：

１． 「 ：

（医食同源・薬食同源

）→ 」

２．

３．５．

・

1 2

3 4

5 6

Satoshi TACHIYASHIKI

Laboratory of Bioinorganic Chemistry, Kagawa Nutrition University

Oct. 11, 2013

Why do we eat?

do not Where

weight gone

Why do we breathe?

Why do we drink?

7 8

9 10

11 12

Object , The Scope of the Lecture

Is there soap in our body? What is it?

For us living thing (life, creature) to live, there are lots mechanisms to function our body to live. They are closely related to the basics of chemistry. Thinking that our body and foods are composed of materials, it is quite natural. We will learn how the rational systems and mechanisms of our body to live are closely related to the basics of chemistry.

The roles of water and oil/fat/lipid in our body is of most important to keep the living system. (It makes cell membrane, the border between inside and outside the life.)

Demonstrations

Marvelous!

The speaker is always impressed by this demonstration at the time of presenting it many times, although he knows the principle of the wondering phenomenon. (Let’s take back your curiosity!) He wishes you know how unique properties water has. How does this demonstration relate to detergentusing when washing clothes? What is its relation with anything occurs in our body?

Demonstrations

Great! Eruption of volcano This is Chemistry!Chemistry= It studies ”change”

The original experience of Dr. Linus C. Pauling, one of the greatest chemist in 20th century (Nobel chemistry and piece prizes winner).

What are the relations of these demo’s with mechanisms of our body?

Chemistry is Fun! learn: attracted/fascinated/interested

Experimental demonstration explanation

get wet laundry washing soap

Potassium permanganate KMnO4 manganeseOxidation of glucose combustion/burn

C6H12O6 6O2 KMnO4 CO2 H2O

H H H H H O OH-C-C-C-C-C-C-H K Mn ) O C O H H

O O O O O O O OH H H H H

How do these demonstrations relate to the mechanism of our body

(Systems, mechanisms of our body to live are very much based on principles of chemistry, and therefore, it is essential to have chemical background to learn about our body.)

1. Eating foods source of energy, materials to build up body( )1. Our body w eight does not increase even though w e take in lots materials

(foods) every day. Foods (w eight) do not change to energy. The key to understand the phenomenon, w hich is called metabolism (anabolism and catabolism), is / reaction ( ).

1. Body temperature

1. 2. Diet and sports burn fats, sugars respiratory quotient

2. Respiration/Breath mechanism of respiration is closely related to the (supply O2, exhaust CO2; metabolism)

3. Drinking w ater materials, , and of play roles in our body (parts of them are presented here,

others at theme 4 to 7)

Systems of our body to live are very much based on principles of chemistry, and therefore, it is essential to have chemical background to learn about our body

４．５．

化学（ばけがく）＝

→（ ）

・

Ｓｕｒｆａｃｅａｎｄｓｕｒｆａｃｔａｎｔ、 ⇔ ・

による

＝

＋ （ ）→ ６ ＋６

－ Ｏ＋（ ＝ ＝

→？

： ・

反応熱・ 熱化学

： → 呼吸商

→ 反応式

：

・ →

：

４．消化吸収・代謝：胃液・腸液と酸と塩基、溶液・溶質の性質、酸化還元反応

４．食べたものが消化吸収される過程では胃液として塩酸が分泌されており、たんぱく質の消化にかかわっている。この塩酸は膵液・腸液で中和されている。つまり、酸と塩基・中和反応が関係している。

４．食事で摂取した水に溶けない脂質・脂肪分は胆汁酸塩というせっけん（界面活性剤）の一種の力で消化吸収される。体内の運搬、存在場所・脂溶性の意味

５．栄養素の・代謝産物の輸送・老廃物の排泄：溶液の性質

５．消化吸収された養分が心臓の押し出す力で血液を経由してからだじゅうの細胞に配送されるしくみは血圧（物質の三態・気体と圧力）、浸透圧（およびイオン（電解質）・コロイド）が関与している。

６．ホメオスタシス（恒常性）

７．情報伝達 電池・分子間相互作用・化学結合

Why are fats insoluble in water digested and absorbedin our body? Keep water in tea-leaves-filtering gauze -vessel

?

Why?

org inorg. comp.

oxidation reduction redox

heat of reaction thermochemistry

equation of reaction

laws of gases properties of solutions

dissolution reactivities all other properties water

l

l

l

l l

l

13 14

15 16

17 18

2. What is our body made from? constitution composition Structure of our body, molecules, atoms, and elements

Structural classes/stratum/hierarchy of our body

Skelton Bone cytoskeletonMuscle exercise/motion/motor/kinesthetic organ?

Exercise physiology

Organs digestive system, circulatory system, heart, liver, pancreas, spleen, lung, kidneylarge intestine(colon), small intestine, appendix,gallbladder(bile), stomach, bladder)

the roles of each organsCell

Molecule Atoms elementsMaterials Body and the Periodic Table Chapter

2.1 Skeleton Frame Bone

Ca10(PO4)6 OH)2

Calcium phosphate

hy droxyapatite

Tooth, dental, bad tooth(decayedtooth)

f luoridation F

eggshell HCl oval

pearl

marble

Lime stone

CaCO3 2HCl

CaCl2 H2 O CO2

2.2 Muscle

protein

polypeptide

amino ac id

C H O N

H

R-C-CO-OH

NH2

R-C N-R’

O H

2.3 Nerve System

Nerve cell neuron

sphingophospholipid

Na K+

AcetylchollineC H O N

CH3-C-O-CH2-CH2-N+ (CH3)3

O

2.4 Internal organs circulatory system, liver, digestive system, etc. hepatic

Chinese medicine concept of functionanatomy : heart, liver, pancreas, spleen, lung, kidney, large and small intestine, gall bile, stomach gastr ic juce, bladder

Digestive tract oral cavity , pharynxfauces, throat , esophagus , stomachcardia , py lorus small intestineduodenum jejunnum

ileum large intestine colonascending transverse descending

sigmoid S appedix , ectum , anusanal

Digestive gland saliva/sputum, salivary glandgastric glands liver, gall, pancreas,

phospholipid/fat, protein, carbohydrateC H O N S P

l

l

l

l

l

l

l

２．１ ・ （ ）

２．２ （

）

２．３ （

２．４

２．５ ｓ・ （ ）

・ （ １）

（

（ ）

＋

＋ →

＋ ＋

（ ）

、 、 、

（ ）

（ ）

＋、 、

（、 、 、 ）

（）

五臓六腑

・・ （三焦）

： 口腔 咽頭（ ） 食道 胃（ 噴門 幽門）、 小腸（ 十二指腸、 空腸・腔腸、

回腸）、 大腸（ 結腸（ 上行、 横行、 下行、 状）、 盲腸 ） ・

肛門

：唾液腺、 胃腺、腸腺

（ 、 、 、 、 、）

( : )

19 20

21 22

23 24

Glucose,Amino acid, Fatty acid

2.4.1 circulatory system heart, blood vessel artery left vein right

Body f luid extracellular f luid, intracellular f luid

Water, Na , K , Ca2 , Mg2 ,

Cl , HCO3 , H2 PO4 , HPO42

Artery VeinVenous blood

2.4.1 Circulatory system portal blood vessel, lymphoid organs

vena portae

stmach intestinepancreas spleen

Capillary vessel vein liver capillary vessel hepatic vein cava heart

small intestinechyle

tissue f luid lymph fluid, lymphocyte

tissue f luid lymph fluid blood

2.4.2 Functions of Liver Liver is an essential organ most important chemical factory

gluconeogenesis, glycogenesis, glycogenolysis (in case of emergency), pentose phosphate cycle, interconversion of monosaccharides

synthesis of triglyceride when energy excess, synthesis of ketone bodies in case of starvation, synthesis of cholesterol and lipoprotein

urea cycle, synthesis ofalbumin, interconversion of aminoacids

oxidation by P-450, reduction, hydroxylation, glucuronate conjugation, sulfate conjugation, glycine conjugation, excretion to bile, disposal of steroid hormon, bile-pigment, bile acid formation

2.4 Organs 2.4.3 Digesting Stomach, Small & Large Intestine, gallbladder

carbohydrate protein lipid vitamin mineralmacro-nutrient micro-nutrient

C, H, O, N, S, P Na, K, Ca, Mg, Fe

ase, What are the meaning of ?

amylase, maltase (alcohol production glycation by salivastarch maltose glucose monosaccharide

sucra se converted sugarsucro se gulcose, fluctose

lactase lactose intol erance lactose glucose, galactose

pepsin, tripsin, chymotrypsin, aminopeptidaseprotein oligopeptide peptide

amino acid tastes

lipase triacylglycerolfat triglyceride fatty acid monoglyceride

optimal pH acidic, weakly basic, temp const. temp. bath, func tioal foods

2.5 Cell Animal cell left and Plant cell right

Cell membrane phospholopids proteins, glucides

Cell w all gluc ides, proteins

Supramolecular assembly of phospholipidsLiquid crystal of fatty acid phophoric ac id ester

p.188

（ （（ ）・ （ ）））

：

＋ ＋ ＋ ＋

－ － －

－

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→ → → → →

：

乳び（糜）

（ ）：

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（ ）

（ ・ ）

lymph

Carbohydrate metabolism

Lipid metabolism

Amino-acid metabolism

Detoxification

Foodstuff

Digestiv e enzymes

Cell membrane

l

l

25 26

27 28

29 30

Constituents of a Cell

lipid, protein, carbohydrate(glucide)

peptide amino ac idmonosaccharide (sugars)

neutral fat (triacylglycerol (triglyceride))fatty acid glycerin

cholesterolcompound lipid

phospholipid (PL, glycerophospholipid, sphingophospholipidglycolipid (sphingoglycolipid)

2.6 Molecule molecule, supramolecule cell membrane aggregate of

phospholipids , biopolymers protein (polypeptide polymer of amino acidspolysaccharides (polymer of glucose)

Cell membrane carboxylic acidfatty acid phosphate-ester

Protein muscle, enzyme, etcamino-group

Polysaccharide cellulose, starch, etccarbohydrate

Hyreogen H2 oxygen O2 water H2Ocarbon dioxide CO2 ammonia NH3

urea CO(NH2)2 methane CH4 (enterobacteriaceae, global w arming)

Glucide, Amino-acid, Lipid

CHOC6 H12 O6 H-C-OH

HO-C-HH-C-OHH-C-OH

CH2OH

H, structure R-C-COOH

NH2

, varieties & structure CH2-O-CO-R R= -CH2 CH2 CH2 CH3

CH-O-CO-R’ OCH2-O-CO-R” -CH2 -O-P-O-CH2 -CH2 -N+(CH3)3

triglyceride O phospholipid

varieties p.189-192

varieties p.186-187

p.188-189

Biopolymers (polypeptides polymer of amino acids

(polymer of glucose, etc

anormer

1,4-1,6-Covalent bond

Ionic bond

Hydrogen bondHydrophobic

InteractionDisulfide bond

(S-S bond)

3 Why do we eat? The first reason What is ourbody made from? What are materials made from?

. Why do we eat? (The First Reason)

30

l

l

l

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l

l

Cell membrane

ProteinsCarbohydrate/GlucideLipid simple lipid

Fatty acid

Amino acid

Glucose

Sugars, structure

Amino acid

Lipid

protein Polysaccharide

--

Primary, seconary, tertiary, quaternary structure

→

→ →

→

→

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（ ： （

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← （ ）、

・

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（ ）

← （ ）

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（ ）、

・・・

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： ・ ）

）

α

β

． ：３

１．なぜ食べるのか？ からだは原子からできている。

私達は食べものを食べていかなければ生きていけません。その理由は二つあります。一つは私達のからだが食べものを元にしてできているからです。からだは骨、筋肉、脂肪、血液などからできていますが、これらは食べものを原料にして作られている

のです。また、このからだは常に作り替えられているのです。骨はリン酸カルシウムの一種、筋肉はタンパク質、血液は水とタンパク質、食塩などからできています。

タンパク質、脂質などは有機物といって炭素と水素、酸素、窒素といったものからなっています。

生きていくために必要な元素を必須元素

といい、約 種類あります。

２．イオン、分子

３．塩・金属・無機化合物、有機化合物

31 32

33 34

35 36

Why do we eat? The First Reason

is a way of existence of materials, made from atoms/elements, in extreme form in which they are highly integrated and functionalized. Since life, as well as materials, exists on the earth, it’s natural that life is made from the materials. Even an alien must be made from the same materials, since materials and conditions which make the life must be the same: they should be controlled by the properties of the elements.) For the life to live and grow it should take in materials forming its body. Even after grown up, life need to take in materials, that is, to eat continuing to live, since its body is made over every day (biological half-life) .

Materials to be taken in our body every day for us to live nutrients essential to live

CHO, materials to get energyCHO, P, materials to get energy to make body,

essential fatty acidsCHON, S, mater ials to make body, essential amino ac ids

(to control the body)

(essential elements, essential trace elements)

H Li C N O F Na P S Cl KCa Mg Fe Zn Cu I Mn Co Se MoB Si Cr Ni As Cd Sn Pb

Elements constituting our body Periodic Table is in our body!

The first The second

Proteins, carbohydrates, Lipid Organic Compounds C, H, O, Nmacro-nutrient Organic Chemistry

Water, Ca , Mineral, Inorganic Compounds ( Inorganic Chemistry)micro-nutrient (mineral, vitamins, phyto-chemicals)

Elements C H N O S P Mg Ca Fe Zn Cu I Mn Co Se MoBe B Al Si Sc Ti V Cr Ni As Ag Ba Cd Sn W PtAu Hg Tl Pb

Ions Na K Cl Mg2 Ca2 HCO3 H2 PO4 HPO42

SO42 F Li Br He Ne Ar

Organic inorganic molecules, Inorg. Compounds(bone,teeth) , Biopolymers

Disorders dependent onessential/promising metallic elements

tetanus osteroporosis CataractAnemia cardiac muscleAnemia, Wilson diseaseglucose metabolismAnemiaManic depressive illness

Addison diseasehepatic necrosis, Addison disease

lilliputian syndrome

Vitamins and diseases

Vitamin A retinol night blindness/nyctalopiapro-Vitamin A CaroteneVitamin D D2 D3 Calciferol ric kets osteromalac ia

pro-Vitamin D ergosterolVitamin E tocopherol sterility/ infertility muscular atrophyVitamin K phy lloquinon delay of coagulation (clott ing) of blood,

Vitamin B1 Thiamine (hydrochloride) Ber iber iVitamin B2 r iboflav innaiacin nicotinic acid (amide) PellagraVitamin B6 pyridoxine DermatitisVitamin B12 cobalamine Pernicious anemia

pantothenic acid, biotin, folic aci(FA)Vitamin C Ascorbic Acid Scurvy, Scorbutus

Periodic Table

Elements Metallic and Nonmetallic elements, Functions of the elements in our body

Group1,2 Typical elements(Cation, Alkaline metals Na, K, Alkaline-earth metals Ca Mg), signal transductionosmotic pressure

Group13-17 Typical elements (Anion Ions of Oxo-ac ids, Osmotic Pressure Cl , HCO3 , H2 PO4 /HPO4

2 ossif ication center PO43 )

Group3-12 Transition elements(O2 transport Fe Enzymes(Lew is acid Zn, Mn, Redox Oxydation numbers Mn, Fe, Cu, )essential trace elements (metal complexes) Se Mo

（ ）

（

→

（≡

）

・

、 、 、 、 、、 、 、 、 、

、 、 、 、 、、 、 、 、

（、 、 、 、 、 、 、 ）

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（ ： ： ）

→

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･･･

→

： 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、、 、 、 、（ 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、

、 、 、 ）

： ＋、 ＋、 －、 ＋、 ＋、 －、 －、 －、－、 － （ ＋、 、 、 、 ）

・

骨奇形、 破傷風、 白内障など

疾患

ちぢれ毛症候群

不全

血色素症

無感覚症

骨格変形、生殖腺機能障害 運動失調症

白色筋肉症 牛のこん倒

小人症、性腺機能亢進症、味盲症 金属熱

＊からだと周期表（必須元素、有為元素、他、全元素？）

夜盲症、成長停止

（α、β、γ）

（ 、 ） クル病、 骨軟化症

筋萎縮

不妊症、

血液凝固遅滞

脚気

成長停止

ペラグラ

皮膚炎

悪性貧血

壊血病

：

、 情報伝達、

、体構成

： ，

－ － － －、 骨格 －

： 、

・ ） ・・・、

、

＊智恵子、元素に戻る（智恵子抄、死ねば原子？・分子（化合物・単体）に戻る）

l

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Life

anabolism

Three major nutrients CarbohydrateLipid

Protein

Micronutrients VitaminMineral

Why do we need to eat? Materials to construct our body. describe later

Deficiency Disorder Excess DisorderCalciumCobaltCupperChromiumIronLithiumManganesePotassiumSeleniumSodiumZinc

Fat-soluble Vitamin Chemical Names Deficiency Disorders

Water-soluble Vitamin

37 38

39 40

41 42

Periodic TableGroup3-12, Group1,

2Group13-18,

4 Why do we eat? No.2 The second reasonRedox and calorie Thermo-chemistry Metabolism

Why do we eat? the second reason

Why do we eat For what do we eat?

We eat every day, and so we take a lot amounts of foods into our body in a year. Then, why don’t we get fat(weight)?

Why doesn’t our body weight increase as much as we have taken foods into our body?

Where have the foods gone? Why do we breath?Why do we drink water?digestion and absorption: metabolism redox reaction

J cal

Why do we eat? the second reason

Mg 2Mg O2 2MgO

2Fe O2 2FeO Fe3O4)

CHO

C6H12O6 C6 (H2O)6 6O2 6CO2 6H2O

1 p.21 23

HCl NaOH H2O NaCl H OH H2O

CH4 2O2 CO2 2H2O

HCl NaOH H2O NaCl 56.5 kJ

CH4 2O2 CO2 2H2O 891 kJ

Transition elements Typical

elements

Alkaline metals

Alkaline-earth metals HallogenNoble gas

Positive

Negative

?

． （ ）

・ ・

（ ）

？

（ ＝ ）

生きていくためには、からだを作る元・身体構成物質の原料だけでなく、生命活動のためのエネルギーを生み出すことも必要である。

このエネルギーはどのようにして得られているのだろうか。

食餌がエネルギーの素であることは皆知っていよう。では、この生きるためのエネルギーはどうやって生み出されるのだろうか。食餌の成分の何から・エネルギーが生み出されるのだろうか。

→酸化反応

エネルギーとは？ （体を動かすエネルギー・運動エネルギー（）と食品の熱量（ ）・熱エネルギーとの関係は？）

体温の源は？

（ ）

デモ実験

を燃やす： ＋ →

→ 重量変化？鉄も燃える！ ＋ → （

→ 食べたら食べた分だけ太る （体重が増える？）

紙・有機物（ 化合物）を燃やす（火山） → 重量変化？

（米粉、グルコース（ぶどう糖）、角砂糖）

燃焼 → 酸化反応（酸素化）← 代謝（異化）

（ ・ ）＋ → ＋

化学反応と反応熱 酸化反応 つなぎのタイトル？

反応式 「ゼロから」の 章、 ～

＋ → ＋ （＋＋ －→ ）

＋ → ＋

＋ ＝ ＋ ＋ （中和の反応熱）

＋ ＝ ＋ ＋ （酸化の反応熱）

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l l

ダイ エット： 脂肪・ 糖が 燃え る → 呼吸 商→ 反応式

43 44

45 46

47 48

食べたご飯はどこに行った？なぜ水を飲む？排尿する

食べたご飯はどこに行った？エネルギーになった？とんでもありません。食べたご飯（の重さ・質量）がすべてエネルギーになったとしたら地球は吹き飛んで

しまいます（原子爆弾・水素爆弾では重さがエネルギーに変換されているため

に少量で膨大なエネルギー・それに基づく破壊力を持つのです（広島・長崎では 、 の質量がエネルギーに変化しただけ）。

食べものの重さは決してエネルギーに変換されているのではありません。食餌成分の重さは消化してしまったあとでも変わらないのです。これを質量保存の

法則といいます。では食べた重さはどこに行ったのでしょう。

体重は増えない → 食べた重さは体外に吐き出しているに違いない。食べものは身体の中で消化吸収されて、最終的には二酸化炭素 、水 と尿素

に変換されて（燃焼、異化）、体外に排泄される。どうやって？肺・皮

膚からの呼吸を通して、また尿として排泄されている。

我々が呼吸をする：皮膚呼吸を含めて、 と の排泄、水を飲む：尿素を

尿として排泄するのが一番の目的。

Ｈｉｒｏｓｉｍａ Ｎａｇａｓａｋｉ

燃焼熱・反応熱：酸化反応の熱化学方程式

熱化学方程式（反応熱）

＋ ＝ ＋ （ では ）

＋ ＝ ＋ ＋

グルコースの燃焼（酸化反応）：

＋ ＝ ＋ ＋

→ 反応の進行により、なぜ熱が出てくる？

反応熱と熱含量（エンタルピー）：食品の栄養カロリー計算の原理（燃焼熱）

反応熱

反応経路と総熱量：一定

ヘスの法則・総熱量保存の法則：炭素、一酸化炭素の燃焼、一酸化炭素の生成における熱含量の相関図

＋ → ＋

＋ → ＋

＋ → ＋ｘ

ヘスの法則（総熱量保存の法則）、燃焼熱・反応熱の実体：化学結合エネルギーの差

総熱量

反応熱

結合エネルギーの差

－ ＋ ＝ → － － ＋

燃焼熱の実体：化学結合エネルギーの差合成

反応経路と総熱量：一定

＋ →

l

l

l

l

l

0.7 1g

CO2 H2 OCO(NH2)2

CO2 H2 O

h , 8/6; , 8/9 1945

Photographs of Hiroshima and Nagasaki, 1945

H2 1/2 O2 H2O(l) 286 kJ H2O(g) 242

CH4(g) 2O2(g) CO2(g) 2H2O(l) 892 kJ

C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O(l) 3064 kJ

1. C(s) O2(g) CO2(g) 393kJ

2. CO(g) 1/2O2(g) CO2(g) 183kJ

3. C(s) 1/2O2(g) CO(g) ( )kJ

H H 1/2 O O H O H 286kJ

H2 1/2 O2 H2O

ATP

49 50

51 52

53 54

ATP

ATP

cal J 1cal 4.186J

CO2/O2

C6 H12 O6 6O2 6CO2 6H2 O C6 (H2O)6 6CO2/6O2 1.0001.0

C57 H110 O6 81.5O2 57CO2 55H2 O 57CO2/81.5O2 0.6990.7

C72 H112 N18 O2 2S 76.5O2 63CO2 38H2 O 9CO(NH2)2 SO2

63CO2/76.5O2 0.824 0.8

4 kcal/g 9 kcal/g 4 kcal/g4.1kcal/g

5

p.172 175

（アデノシントリリン酸、化学エネルギー貯蔵物質）の構造

高（自由）エネルギー（高エルゴン）結合

はいわばからだの

ガソリンである

グルコースの代謝によるエネルギー産生

燃焼 反応熱

反応熱

熱エネルギーと運動エネルギー：エネルギー保存則（熱の仕事当量）

（ジュール） ＝

化学結合（自由）エネルギー（エルゴン）

栄養カロリー計算と反応熱（熱化学）

反応熱・燃焼熱に関するヘスの法則（熱化学）

総熱量保存則（＝エネルギー保存則）

ダイエット

＋ → ＋ ・ ＝

グルコース 糖

＋ → ＋ ＝

ステアリルグリセロール 脂質

＋ → ＋ ＋ ＋

、たんぱく質

ルブネル係数（尿素）とアトウオター係数（吸収率）

糖 ・脂質 ・たんぱく質 、なぜ違う？

（エタノールの燃焼熱からのカロリー計算 → ）

付録？グルコースの代謝によるエネルギー産生

．呼吸とは：その仕組みと気体の法則

～

デモ実験 （呼吸のしくみ）

呼吸モデル（肺と横隔膜・圧力）

不思議？「逆さにしたコップの水を紙で支える」

どの位の高さまでの水柱を支えることができるか。 それはなぜ？

コップ中の水

紙

高さ

l

l

l

l

l

： 脂肪・ 糖が 燃え る → 呼吸 商 → 化学反応式

トリ

ア ル ブ ミ ン ＝

55 56

57 58

59 60

呼吸とは？

呼吸とは？（酸素、二酸化炭素の交換）

何のために酸素が必要か？

（？食べてもなぜ太らない？）

呼気中の二酸化炭素はどこからやってきた？

（？エネルギー代謝：燃焼（酸化反応））

デモ実験：紙・ブドウ糖・砂糖を燃やす、鉄を燃やす。

→

呼吸の仕組み？

気体の法則

ボイルの法則

ヘンリーの法則

気体の溶解度は圧力に比例する

（ラムネ、サイダー、コーラ、ビール）

気体の体積は圧力に反

比例する

（風船、飛行機中の菓子

袋、ペットボトル）

ドルトンの分圧の法則 全圧は分圧の和に等しい

分圧と血液中の酸素濃度

分圧の法則

ヘンリーの

法則不

成立

圧力＝気体の濃度

圧力＝溶液中に溶けた気体の濃度

(圧力に比例した溶解量 ヘンリーの法則成立）

二酸化炭素・炭酸ガスと炭酸・炭酸水素イオン

二酸化炭素 は水分子と反応して炭酸 を生じるので炭

酸ガスとも言う

＋ →

炭酸

→ ＋ ＋ －

炭酸水素イオン

二酸化炭素を運搬する仕組み：肺胞と血液のガス交換（分圧の法則、ヘンリーの法則）

分圧：

分圧：

肺胞 体組織

血漿分圧：

分圧：

分圧：

分圧：分圧：

分圧：

胎児はなぜ母親が使った血液から酸素を得ることができるのか：ヘモグロビンの酸素飽和曲線

血液中の酸素濃度と分圧

血液中の赤血球が酸素を

運搬する仕組み（ヘムタンパク質の化学・金属錯体の化学）、交換する仕組み

高山病（適応・順応）

胎児の酸素交換

利用可能な

胎児・高山適応

l

l

l

l

l

l

C6 H12 O6 + 6O2 6CO2 + 6H2 O

CO2 H2CO3

CO2 H2O H2CO3

H2CO3 H HCO3

O2

100mmHgCO2

40mmHg

O2

40mmHg

O2

95mmHg

O2

40mmHg

CO2

46mmHg

CO2

40mmHg

CO2

46mmHg

BPG(DPG)2,3-bis(di)phosphoglycerate

O2

:

61 62

63 64

65 66

6

-NH2

NH3 NH4

CO(NH2)2

CO2 2NH3 CO(NH2)2 H2 O

K Na

N

R-CO-O-R’ H2O R-COOH R’-OHR-CO-NH-R’ H2O R-COOH R’-NH2

R-O-PO3 H2O R-OH HPO42

7

6.1

．なぜ水を飲むのか：

水の性質とそのからだの中での役割・運搬と排泄他なぜ水を飲むのか？

代謝産物の排泄（尿素他の窒素分、ミネラル） 老廃物？？？

アミノ酸（アミノ基 ）

→ アンモニア 、アンモニウムイオン ＋

→ 尿素 → 尿として排泄

( ＋ → ＋ 二酸化炭素を利用！)

核酸塩基（プリン体？）→ 尿酸、 クレアチニン（筋肉代謝物）

ミネラル → カリウムイオン ＋など （ ＋はわずか）

水の性質と、からだにおける役割（次頁）

からだの中の水の役割

様々な物質を良く溶かす（溶解度大）

→ 物質（栄養素、老廃物 ）の運搬

→ 生体内反応の場となる（解糖系など）

蒸発熱が大きい

→ 発汗による熱の放散・体温維持

比熱が大きい（暖まりやすく冷めやすい）

→ 体温維持、恒温動物と変温動物

加水分解反応の試薬として作用

エステルの加水分解 ＋ → ＋ペプチドの加水分解 ＋ → ＋リン酸エステル －＋ → ＋ －

タンパク質の構造維持（水和、疎水性）

細胞膜の形成・構造維持（疎水性）、その他？

．消化・吸収：胃はなぜ酸性か、腸はなぜ塩基性か？

消化・吸収 消化管とその酵素 からだの中の酸：胃はなぜ酸性？

胃液の塩酸はどこからやってきた？（酸と塩基：ゼロ、１章）

胃液はどうして酸性の必要がある？ 胃液の塩酸の役割

殺菌とピロリ菌・胃ガン （食酢の静菌？効果）

加水分解：ペプチド結合（タンパク質）とエステル結合

（中性脂肪）の安定性の違い

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

67 68

69 70

71 72

胃の壁細胞からの胃酸の分泌

純水 ＋ NaOH → 塩基性（アルカリ性）

フェノールフタレイン → ピンク色

NaOH水溶液（アルカリ性）＋ 息 → ？

ピンク色消失（無色）

CO2＋ H2O → H2CO3（炭酸の生成）

NaOH+ H2CO3 → NaHCO3＋H2O （中和）

（＋過剰のH2CO3)→ （弱）酸性

デモ実験 （話に答えてくれる水）

からだの中の の役割１．

ご飯が燃えて生じた二酸化炭素 （炭酸ガス）は老廃物？

→ とんでもない。からだの役に立っているのです！

＋ → 炭酸

炭酸 → ＋＋ －（酸性）

胃液：塩酸 を作る（タンパク質の消化を助ける）

← ＋ － ← ＋＋ － ←食塩

２ からだの中の塩基：小腸・大腸はなぜ塩基性（アルカリ性）？

胃酸は十二指腸で中和される。

どのような物質によって胃酸は中和されるのか？

膵（すい）液（十二指腸で分泌）・腸液（小腸で分泌）中の重曹

（じゅうそう、重炭酸ナトリウム・炭酸水素ナトリウム）で中和される

（ 、← ＋、 －）

小腸は、なぜ弱塩基性（弱アルカリ性）でなければならないのか？

→ 胃液 を膵液の で中和、弱塩基性（弱アルカリ性）

として、糖質、タンパク質、脂質の消化を助ける。

小腸・大腸は、なぜ弱アルカリ性になるのか？

からだの中の の役割 ２．（老廃物？ の役割）

体内における中和反応：胃液は十二指腸で膵液中の重曹（重炭酸

ナトリウム・炭酸水素ナトリウム ）により中和されている。

重曹と塩酸の反応式 ＋ → ＋ ＋

重曹が過剰で弱アルカリ性となり、糖質、タンパク質、脂質の消化を助ける。

－ ＋ → ＋ －（塩基性）（加水分解）緩衝液？

重曹はどこからやってきた？

→ 、 → ＋ ＋ －

－ ＋ ＋ → （尿素： ＋ → ＋

塩酸と の中和反応式 ＋ → ＋硫酸 と の中和反応？ 酸と塩基・中和反応（ゼロから、１・２章）

重曹の水溶液

・重曹 （炭酸水素ナトリウム）の粉を手に付けてなめる・味見をする。

・試験管に純水をとり、重曹の粉を少し加えて溶かす。

万能 試験紙で を調べる。

（どんな色？弱塩基性（弱アルカリ性））

デモ実験

CO2 -

CO2

CO2 H2 O H2 CO3

H2 CO3 HCO3

Cl Na NaCl

6.

NaHCO3 Na HCO3

HCl NaHCO3

CO2 - CO2

NaHCO3

NaHCO3 HCl NaCl H2 O CO2

HCO3 H2 O H2 CO3 OH

CO2 + H2O H2 CO3 H2 CO3 H HCO3

HCO3 Na NaHCO3 CO2 2NH3 CO(NH2)2 H2O)

NaOH HCl NaOH NaCl H2OH2SO4 NaOH

NaHCO3

pH pH

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

H

HCl

H Cl

73 74

75 76

77 78

酸と塩基の中和反応

酸と塩基の中和

＋ → ＋ ＋

＋ → ＋

＋ → ＋

＋ → ＋

＋ → ＋

＋ → ＋

＋ →

＋ → ＋＋ －； －＋ → －＋

９．からだの恒常性とは？

恒常性（ホメオスタシス）

恒常性：生物が生きていくために身につけている仕組み（からだの条件・体内環境をいつも同じ（一定）に保つ仕組み）

生体内の諸器官が外部環境（気温、湿度など）の変化や主体的条件の変化（姿勢・運動など）に応じて、統一的・合目的的に体内環境（体温、血液量、血液成分など）をある一定範囲に保っている状態、および機能。哺乳類では自律神経と内分泌腺が主体と成っている。

体温一定：なぜ？

一定：なぜ？

浸透圧一定：なぜ？

その他（血液量、血液成分：血糖値、 ＋濃度、・・・）

からだの中の の役割 ３．（老廃物？ の役割）

血液を弱塩基性（弱アルカリ性）（ で一定）に保つ。

（ を一定に保つことができる溶液：（ ）緩衝液）

このことは酵素の働きを守るなど生存の必須条件！

二酸化炭素（炭酸ガス） ＋ → 炭酸

炭酸 → ＋＋ －（酸性）

炭酸水素イオン（重炭酸イオン）

→ 炭酸緩衝液：弱酸とその塩（共役塩基）、 炭酸と －

炭酸水素イオン、とが高濃度で共存することが緩衝液の条件

血液とプールの水の共通点： 一定（炭酸緩衝液）

緩衝液の原理

溶液に塩基が加わると： ＋ → ＋

溶液に酸が加わると： ＋ － →

なる反応が起り、加えた塩基性（アルカリ性）の素、 －、酸性の素、＋、がそれぞれ、水 、炭酸 に変身し、溶液から消失する。

血液の → 酸と塩基・平衡、平衡定数と緩衝液

（「ゼロから・・・」の 章、付録参照）

アシドーシス、アルカローシス（ ＜ ＜ ）

プールの水も血液と同じ炭酸緩衝液である。塩素消毒で生じた塩酸を炭酸水素ナトリウムで中和しているので が一定となっており、このことが浄化槽で水浄化の働きをしている微生物の成育に必須である。

NaHCO3 HCl NaCl H2 O CO2

HCl NaOH NaCl H2 O

H2 SO4 2NaOH Na2SO4 2H2 O

H3 PO4 NaOH NaH2 PO4 H2 OH3 PO4 2NaOH Na2 HPO4 2H2 OH3 PO4 3NaOH Na3 PO4 3H2 O

H2 SO4 2NH3 (NH4)2SO4

(2NH3 2H2O 2NH4 2OH 2OH H2SO4 SO42 2H2O)

pH

Ca2

CO2 - CO2

pH7.4pH pH

CO2 H2O H2 CO3

H2 CO3 HCO3

H2 CO3 HCO3

pH

NaOH H2 CO3 NaHCO3 H2 O

HCl HCO3 H2 CO3

OHH H2 O H2 CO3

pH2

7.35 pH 7.45

pH

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

H

79 80

81 82

83 84

10

(Na K )

Zn Zn2 2e2e Cu2 Cu

E 0.059 log [Ag ]o/[Ag ]i

( )

( ) Na

K

．神経・遺伝情報伝達と化学の原理からだの中の電気？（神経系、脳波、心電図）

神経情報の伝達の仕組み

神経情報の伝達

→ 膜電位（静止電位、活動電位）、

脱分極

↓

酸化還元と電池

（１章：イオン化傾向、デモ、金属をなめる）

膜電位→濃淡電池 ＋、 ＋

酸化還元と化学電池

電池（ダニエル電池） （極）濃淡電池

→ ＋＋ －

－＋ ＋→Δ ＝－ （ ＋ ＋ ）

神経刺激を伝達する仕組み：軸索での興奮の伝導

細胞膜は分極している（膜の内側が負、外側が正に帯電：内側に陰イオンが多い）

静止 膜 電位：細胞膜の内側と外側での ＋の濃度差が原因

刺激による膜電位の変化

活動 膜 電位の発生：刺激により細胞膜の ＋

チャンネル（通路）が開き、細胞膜外からＮａ＋イオンが流入することにより脱分極（内側が負から零→正へ変化）する。

－ －

－静止電位

＋が流出

＋は細胞膜透過性、 ＋は膜非透過性

l

l

l

K

90mV

0mV

90mV

90mV

K Na

85 86

87 88

89 90

E 59 log [K ]o/[K ]i mV

E 59 log [Na ]o/[Na ]i mV 480

30

How do you translate the sentence “” to English?

Examples of the translation “ ”

Food is life.Food is life itself.To eat is to ive. Eating is iving.Eating correct makes happy life.Eating correct makes you happy.Eating correct brings happy life.Eating smart makes high quality of life.What yours

＝－ （ ＋ ＋ ）

刺激、活動電位

静止電位

細胞外

細胞内濃淡電池！

内外でのイオン濃度差

＋は細胞膜透過性、 ＋は膜非透過性

脱分極

＝－ （ ＋ ＋ ）

からだは様々な有機・無機化合物からできている！

・何のために化学（科学）を勉強するのか？

からだは様々な元素（元素の周期表、必須元素）・物質＝化学物質（単体、

化合物）からできており、それぞれが様々な役割を果している。

様々な物質が生きていく上で必要（栄養成分表）。

原子（元素）の周期表はからだの中にある！

周期表の 行目までの元素は、ほぼすべて人間の身体の中に含まれ

ている（百余の全元素のうち 元素が含まれているとの説もある）。

このうち約 種類の元素が、必須元素・不足すると生きることができない・病気になってしまう元素である。

11．まとめ

栄養素と病気：

ビタミン、ミネラル（周期表の原子の種類のうち、鉄や亜鉛といったもの）、

植物（野菜・果物）の中に含まれる化学物質（ポリフェノールなど）

からだは化学の実験室（化学工場）！

からだのしくみは化学の言葉で理解される。

V．まとめ

栄養学 食べものによる「からだ」の健康維持・向上・増

進を図る。

「栄養とは生物が外界から物質を摂取し代謝してエネル

ギーを得、またこれを同化して生長すること。また、その

摂取する物質。栄養価とは食物の栄養的価値、すなわ

ち、たんぱく質・脂肪・炭水化物・ビタミン・無機質等の含

量、必須アミノ酸の含量、およびカロリーなどを指標とす

る。栄養学とは栄養について研究する学問。栄養素の代

謝・所要量・過不足による病態、食品の種類・組成・調理

法、疾患時の食事などについて生理学・生化学・病理学

・衛生学の立場から探求する。」（広辞苑から引用）。

「食は命なり」とはどのような意味か？

食は生命なり

食は生命なり

ｌ ｌ

ｙｏｕ

ａｒｅ ？

K Na

:

l

l

l

l

l

l

l

l

91 92

93 94

95 96

８．水に溶けない油脂がなぜ消化・吸収されるのか？ 様々な脂質、脂溶性ビタミン

水溶性ビタミンデモ実験 （水と油：

水に溶けない油をどうやって水に溶かす？）

デモ実験１：時計皿についたワセリン（固体の油）を水で洗い流す。

ダメなら洗剤の原液をたらして、指先でワセリンと洗剤を混ぜる。

（乳化させる）。 → これを水で洗い流す。

?界面活性剤（せっけんなど）による乳化（水と混ざる、

水に溶ける・分散する）・乳濁液（エマルション）、乳化剤（ケーキ！）

デモ実験２：マヨネーズは水に溶ける？ 溶けない？（水道水で洗う）

?マヨネーズは洗剤を使わないでも水に溶ける。

マヨネーズは水の中に油が乳化して溶けているものである

（水中油滴型の乳濁液・エマルション、乳化剤は何か？）。

せっけんとは？ その役割

親水性、疎水性、溶液と溶質の性質・界面活性剤 エマルション、

ミセル、胆汁酸

溶液せっけん（付録・４章）

せっけん分子とからだのかかわり？

小腸にはいわばせっけんが分泌されている。からだの中のせっけん？

せっけん分子の構造式

界面活性剤

せっけん・界面活性剤・細胞膜

l

l

l

l

l

l

l

97 98

99

デモ実験 （マーガリン＋過マンガン酸カリウムの反応：油の消化モデル実験、せっけん・洗剤の役割）

マーガリンを溶かした石油、約 ＋ 水溶液

マーガリンを溶かした石油、約 ＋ 水溶液 ＋ 洗剤３～５滴

?色の変化を観察する。

マーガリンの成分（二重結合を持った不飽和脂肪酸からなる油脂）とが反応し、 の赤紫 色から二酸化マンガン の 褐色に変化する。

?洗剤の有無による変化の違いがなぜ生じるのか？

食物中の脂肪分の消化は、小腸で胆汁（胆汁酸塩といういわば洗剤・石鹸を含む）の助けを借りてリパーゼという酵素により行われる。

水にしか溶けない酵素が水に溶けない油と反応するには、油を水に溶かす必要がある。

そのために体の中で作ったせっけん（界面活性剤）を利用している。

リポタンパク質（善玉、悪玉コレステロール）

カイロミクロン、 、 、 、アポたんぱく質 リポビタン 善玉・

悪玉コレステロール

図（教科書、文献）

からだとせっけんの関係、のまとめ

?からだの中には「せっけん」が

あり、水に溶けない油脂・脂質

の消化を助けている。

?人間を含めたすべての生物は細胞からできているが、この

細胞の中と外を区別する境界

膜である細胞膜（生体膜）は

「せっけん」の仲間であるレシチン（卵の黄身の成分）からで

きている。

生命は水と油をいかに上手に利用しているか！

KMnO4

KMnO4

KMnO4 MnO2

“ ”

VLDL LDL HDL Dl

l

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l

l

1mL KMnO41mL KMnO4