第1章｜恒常性・細胞・体液
生理学 第1章
1-1 恒常性（ホメオスタシス）とフィードバック
- 体温・pH・浸透圧・血糖・血圧などの内部環境を一定に保つしくみ＝恒常性（ホメオスタシス）。担い手は自律神経系（速い）と内分泌系（遅いが持続）、効果器は肺・腎・血管・汗腺
- 調節の大半は負のフィードバック＝ずれを打ち消す向きに働く（体温上昇→発汗・皮膚血管拡張、血糖上昇→インスリン分泌）
- 正のフィードバックは変化を増幅する例外的機構＝分娩時のオキシトシン、血液凝固、活動電位の脱分極
「体温調節は正のフィードバックによる」は誤り → 恒常性の維持は原則負のフィードバック。正のフィードバックは分娩・凝固・活動電位など少数の例外だけ。
1-2 細胞の構造と細胞小器官
| 細胞小器官 | 構成・特徴 | はたらき |
|---|
| 核 | 二重の核膜・核小体をもつ | DNAを収める。核小体はrRNAを合成 |
| ミトコンドリア | 二重膜・内膜はクリステ状。独自のDNAをもつ | 酸化的リン酸化によるATP産生（細胞の発電所）。TCA回路・電子伝達系 |
| リボソーム | rRNA＋蛋白質。遊離型と粗面小胞体付着型 | 蛋白質合成（翻訳）の場 |
| 粗面小胞体 | リボソームが付着 | 分泌蛋白・膜蛋白の合成 |
| 滑面小胞体 | リボソームなし | 脂質・ステロイド合成、解毒、Ca²⁺貯蔵（筋では筋小胞体） |
| ゴルジ装置 | 扁平な膜嚢の積み重ね | 蛋白質の糖鎖修飾・選別・分泌顆粒の形成 |
| リソソーム | 加水分解酵素を含む | 細胞内消化・自己貪食 |
| ペルオキシソーム | カタラーゼを含む | 過酸化水素の分解、脂肪酸のβ酸化 |
| 中心体 | 中心小体2個 | 細胞分裂時に紡錘体を形成 |
「リボソームは蛋白質とDNAから構成される」は誤り → 正しくは蛋白質とrRNA。DNAをもつのは核とミトコンドリアだけで、リボソームにDNAは含まれない。
1-3 遺伝情報：DNAとRNA
| DNA | RNA |
|---|
| 糖 | デオキシリボース | リボース |
| 塩基 | A・G・C・T（チミン） | A・G・C・U（ウラシル） |
| 鎖 | 二本鎖（二重らせん） | 一本鎖 |
| 所在 | 核・ミトコンドリア | 核・細胞質 |
- 相補的塩基対＝A–T（RNAではA–U）／G–C。プリン塩基＝A・G（二環）、ピリミジン塩基＝C・T・U（一環）
- 流れは転写（核内でDNA→mRNA）→翻訳（細胞質のリボソームでmRNA→蛋白質）。mRNAの3塩基＝1コドンが1アミノ酸を指定し、tRNAがアミノ酸を運ぶ
「DNAに含まれないのはどれか」の答えはウラシル。ウラシルはRNA特有で、DNAではチミンがその役を担う。アデニン・グアニン・シトシン・チミンはすべてDNAに含まれる。
1-4 染色体・細胞分裂・遺伝形式
- ヒトの体細胞の染色体は46本＝常染色体22対＋性染色体1対（女性XX・男性XY）。配偶子は23本
- 細胞周期＝間期（G₁→S→G₂）＋M期。DNAの複製はS期に起こる
- 体細胞分裂＝46本の細胞が2個（遺伝情報は同一）。減数分裂＝生殖細胞で染色体数が半減し4個の配偶子ができる
| 遺伝形式 | 特徴 | 代表疾患 |
|---|
| 常染色体顕性（優性） | 各世代に出現、男女差なし | 筋強直性ジストロフィー、Huntington病 |
| 常染色体潜性（劣性） | 世代を飛ぶ | 脊髄性筋萎縮症、Wilson病 |
| X連鎖潜性 | 男児に発症・母が保因者 | Duchenne型筋ジストロフィー、血友病 |
| 染色体異常 | 本数・構造の異常 | Down症候群（21トリソミー） |
1-5 細胞膜と物質輸送
- 細胞膜はリン脂質二重層＋膜蛋白質＋コレステロール（流動モザイクモデル）。親水性の頭部が外向き、疎水性の尾部が内向き
| 輸送 | ATP | 向き | 例 |
|---|
| 単純拡散 | 不要 | 高→低 | O₂・CO₂・脂溶性物質・水 |
| 促通（促進）拡散 | 不要 | 高→低（担体・チャネル） | グルコース（GLUT）、イオンチャネル |
| 能動輸送 | 必要 | 低→高（勾配に逆らう） | Na⁺-K⁺ポンプ、Ca²⁺ポンプ、H⁺-K⁺ポンプ |
| 二次性能動輸送 | 間接的に必要 | Na⁺の勾配を利用 | Na⁺/グルコース共輸送、Na⁺/H⁺交換（近位尿細管） |
| 浸透 | 不要 | 水が低張側→高張側 | 細胞の膨潤・収縮 |
Na⁺-K⁺ポンプ：ATP 1分子でNa⁺を3個細胞外へ、K⁺を2個細胞内へ。これにより細胞内Na⁺は低く・細胞内K⁺は高く保たれ、静止膜電位と二次性能動輸送の土台になる。
「能動輸送はエネルギーを必要としない」は誤り → ATPが必要。エネルギー不要なのは拡散・浸透。
1-6 体液の区分・電解質・浸透圧
- 成人の体水分は体重の約60％（小児は多く高齢者は約50％と少ない）。内訳は細胞内液2/3（体重の40％）・細胞外液1/3（20％）、細胞外液は間質液15％＋血漿5％
- 主な陽イオンは細胞内＝K⁺／細胞外（血漿・間質）＝Na⁺。細胞外の主な陰イオンはCl⁻とHCO₃⁻
- 血漿浸透圧は約290mOsm/Lで主にNa⁺が決める。等張液＝生理食塩水（0.9％NaCl）・5％ブドウ糖液
| 加齢による身体組成の変化（若年との体重比） | 方向 |
|---|
| 脂肪 | 増加（増えるのは脂肪だけ） |
| 骨塩／細胞内液／細胞外液／細胞性固形物（筋量） | すべて減少 |
1-7 酸塩基平衡の基本と基準値
| 指標 | 基準値 | 意味 |
|---|
| pH（動脈血） | 7.35〜7.45（約7.40） | 7.35未満＝アシデミア、7.45超＝アルカレミア |
| PaCO₂ | 35〜45mmHg | 呼吸性の指標（上昇＝酸性へ） |
| HCO₃⁻ | 22〜26mEq/L | 代謝性の指標（低下＝酸性へ） |
| PaO₂ | 80〜100mmHg | 酸素化の指標（酸塩基とは別） |
- 調節の速さ＝緩衝系（重炭酸・蛋白・ヘモグロビン／即時）→肺（CO₂排出／数分）→腎（HCO₃⁻再吸収・H⁺排泄／数時間〜数日）
- 反応式 CO₂＋H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺＋HCO₃⁻。CO₂を吐けば左に動いてH⁺が減りpHは上がる
「正常の血液pHは6.4／7.0である」は誤り → 動脈血は弱アルカリ性の約7.4。7.0や6.4は生存困難な重度アシドーシス。
1-8 酸塩基障害4型と原因
| 病型 | 一次変化 | 原因（頻出） | 代償 |
|---|
| 代謝性アシドーシス | HCO₃⁻↓ | 下痢（腸液・重炭酸の喪失）、腎不全・尿毒症、糖尿病性ケトアシドーシス、飢餓、乳酸アシドーシス、ショック | 過換気（Kussmaul呼吸）でPaCO₂↓、尿は酸性 |
| 代謝性アルカローシス | HCO₃⁻↑ | 嘔吐（胃酸＝HClの喪失）、利尿薬、低K血症 | 換気を抑えPaCO₂↑、尿はアルカリ性 |
| 呼吸性アシドーシス | PaCO₂↑ | 換気不全＝COPD、重症の喘息、CO₂ナルコーシス、呼吸抑制、神経筋疾患 | 腎がHCO₃⁻を再吸収し↑、尿は酸性 |
| 呼吸性アルカローシス | PaCO₂↓ | 過換気（過換気症候群・高地） | 腎がHCO₃⁻を排泄し↓、尿はアルカリ性 |
①「嘔吐で代謝性アシドーシス」は誤り → 酸を吐くので代謝性アルカローシス。②「過換気で呼吸性アシドーシス」は誤り → CO₂を飛ばすので呼吸性アルカローシス。③「呼吸性アルカローシスでは尿は酸性」は誤り → 腎はHCO₃⁻を捨てるので尿はアルカリ性。④「代謝性アルカローシスでKussmaul呼吸」は誤り → Kussmaul呼吸は代謝性アシドーシスの代償。
1-9 血液ガスの読み方と呼吸様式
手順は2段階。①pHで酸性側（<7.35）かアルカリ側（>7.45）かを決める → ②pHと同じ向きに動いている指標が一次変化。PaCO₂が主役なら呼吸性、HCO₃⁻が主役なら代謝性。もう一方のずれは代償。
| データ例 | 判定 |
|---|
| pH 7.25／PaCO₂ 55／HCO₃⁻ 30 | 呼吸性アシドーシス（酸性＋CO₂高値、HCO₃⁻上昇は腎代償） |
| pH 7.32／PaCO₂ 33／HCO₃⁻ 17 | 代謝性アシドーシス（酸性＋HCO₃⁻低値、CO₂低下は呼吸性代償＝Kussmaul呼吸） |
| pH 7.47／PaCO₂ 33／HCO₃⁻ 23 | 呼吸性アルカローシス（アルカリ側＋CO₂低値、HCO₃⁻は正常） |
| pH 7.45／PaCO₂ 45／HCO₃⁻ 35 | 代謝性アルカローシス（アルカリ側＋HCO₃⁻高値） |
| pH 7.40／PaCO₂ 25／HCO₃⁻ 15 | pHは正常＝完全代償（呼吸性アシドーシスではない） |
| 呼吸様式 | 形 | 背景 |
|---|
| Kussmaul呼吸 | 深く大きい規則的な呼吸 | 代謝性アシドーシス（糖尿病性ケトアシドーシス等）。H⁺上昇が呼吸中枢を刺激し、CO₂を排出するために起こる代償 |
| Cheyne-Stokes呼吸 | 漸増漸減と無呼吸を周期的に繰り返す | 心不全、中枢神経障害 |
| 頻呼吸／徐呼吸 | 速く浅い／遅い | 頻呼吸も換気増加だが「深く大きい」Kussmaulとは別。徐呼吸・無呼吸は換気低下でPaCO₂↑ |
1-10 腎による酸塩基調節と尿毒症
| 部位 | 分泌されるもの | 再吸収されるもの |
|---|
| 近位尿細管 | H⁺（Na⁺/H⁺交換体）、NH₃、有機酸 | Na⁺・HCO₃⁻・グルコース・アミノ酸・水（大部分） |
| 遠位尿細管・集合管 | K⁺（アルドステロン依存）、H⁺ | Na⁺・水（ADH）、Ca²⁺（PTH） |
「近位尿細管に分泌されるのはHCO₃⁻・Na⁺・Ca²⁺」は誤り → これらは再吸収される側。分泌されるのはH⁺。K⁺分泌は遠位・集合管が主。
尿毒症（末期腎不全）
- 腎機能が高度に低下した終末期の病態（初期には出ない）
- 酸が排泄できず代謝性アシドーシス、K⁺が排泄できず高K血症（致死的不整脈＝運動療法時の最重要管理項目）
- 血清クレアチニン・BUNは上昇（低下ではない）。ほかに高リン血症・低Ca血症・腎性貧血（エリスロポエチン低下）
- 透析患者の死因は心血管疾患（心不全）が最多、次いで感染症。尿毒症そのものではない
1-11 エネルギー代謝・METsと筋疲労
1MET＝安静時酸素摂取量3.5mL/kg/分。消費エネルギー(kcal)＝1.05×METs×時間(h)×体重(kg)。
- 酸素摂取量（mL/分）からMETsを出す手順＝①（必要なら目標％をかける）②体重で割ってmL/kg/分にする ③3.5で割る
- 例：体重50kgで最高酸素摂取量890mL/分 → 890÷50＝17.8 → ÷3.5≒5METs
- 例：最高酸素摂取量2,625mL/分の60％・体重90kg → 2,625×0.6＝1,575 → ÷90＝17.5 → ÷3.5＝5METs
- 例：3METsで1時間・体重60kg → 1.05×3×1×60＝約190kcal
- 安静座位＝1MET、歩行＝3〜4METs程度
| 運動による疲労時、筋内で | 物質 |
|---|
| 増える | 乳酸・水素イオン（H⁺）・無機リン酸 → 筋内pHが低下し収縮力が落ちる |
| 減る | ATP・クレアチンリン酸・グリコーゲン（いずれも消費される側） |