代謝たいしゃ — 同化どうかと異化いか

この章しょうで学まなぶこと

生物せいぶつが生いきるために行おこなう 化か学がく反はん応のうの全ぜん体たい を 代謝たいしゃ (メタボリズム) と呼よびます。 第だい 3 章しょうでは、 代謝たいしゃの 2 大領だいりょう域いき = 同化どうか (作つくる) と 異化いか (壊こわす) を詳くわしく学まなびます。

• 同化どうか と 異化いか の違ちがいを説明せつめいできる
• ATP がエネルギーえねるぎー通つう貨かとして働はたらくしくみを理り解かいする
• 光合成こうごうせいの反はん応のう (光こう化か学がく反はん応のう・カルビン回路かるびんかいろ) を理り解かいする
• C3植物C3しょくぶつ・C4植物しーよんしょくぶつ・CAM植物きゃむしょくぶつ の違ちがいを言いえる
• 呼吸こきゅうの 3 段だん階かい (解糖系かいとうけい・クエン酸回路くえんさんかいろ・電子伝達系でんしでんたつけい) を言いえる
• 酵素こうその性せい質しつ (基き質しつ特とく異い性せい・最適さいてきpH・最さい適温てきおん度ど) を言いえる

ポイント: 同化どうか = 「外がいから取とり入いれた単純たんじゅんな物質ぶっしつを組くみ立たてて自分じぶんの体からだを作つくる」 反はん応のう。 異化いか = 「取とり込こんだ物質ぶっしつを分解ぶんかいしてエネルギーえねるぎーを取とり出だす」 反はん応のう。 この 2 つが 1 細さい胞ぼうの中なかで同時どうじ進行しんこうしています。

1. 代謝たいしゃと ATP

同化どうかと異化いか

区く分ぶん	内ない容よう	エネルギーの動うごき	例れい
同化どうか	単純たんじゅんな物質ぶっしつ → 複ふく雑ざつな物質ぶっしつ	吸きゅう収しゅう (光こう・化か学がく)	光合成こうごうせい・タンパク質たんぱくしつ合ごう成せい
異化いか	複ふく雑ざつな物質ぶっしつ → 単純たんじゅんな物質ぶっしつ	放出ほうしゅつ (→ ATP)	呼吸こきゅう・発酵はっこう

ATP — エネルギーの通貨つうか

ATP (Adenosine Tri-Phosphate、 アデノシン三さんリン酸さん) は細さい胞ぼうが使つかう 共きょう通つうのエネルギーえねるぎー通つう貨か です。

• アデニンあでにん + リボースりぼーす (糖とう) + 3 つのリン酸さん からなる
• 末まっ端たんのリン酸さん結けつ合ごう (高だかエネルギーリン酸さん結けつ合ごう) を切きると約やく 30.5 kJ/mol のエネルギーえねるぎーが放出ほうしゅつ
• ATP → ADP + リン酸さん (P) + エネルギー
• 逆ぎゃくにエネルギーを加くわえると ADP + P → ATP (再生さいせい成せい)

反はん応のう	エネルギー
ATP → ADP + Pi	放ほう出しゅつ (約やく 30.5 kJ/mol)
ADP + Pi → ATP	吸きゅう収しゅう (同どう量りょう必要ひつよう)

ヒトの体からだでは 1 日ひに 約やく 50 kg の ATP が合ごう成せいと分ぶん解かいを繰くり返かえしています (体重たいじゅうとほぼ同おなじ)。 これが 生いきている ということ。

2. 酵素こうそ — 代謝たいしゃを進すすめる触媒しょくばい

代謝たいしゃの化か学がく反はん応のうは通つう常じょう何時じ間かんもかかりますが、 細さい胞ぼう内では 酵素こうそ というタンパク質たんぱくしつ触しょく媒ばいが一瞬いっしゅんで進すすめます。

酵素こうその性質せいしつ

性せい質しつ	内ない容よう
基質特異性きしつとくいせい	1 種しゅ類るいの酵素こうそは決きまった基質きしつ (反はん応のう相手あいて) にだけ働はたらく
最さい適温てきおん度ど	35〜40 ℃ 付近ふきん (体温たいおん) で最大さいだい、 高温こうおんで 失活しつかつ (タンパク質たんぱくしつの変性へんせい)
最適さいてきpH	酵素こうそごとに異ことなる (ペプシンぺぷしん pH 2、 トリプシンとりぷしん pH 8、 アミラーゼあみらーぜ pH 7)
活性化エネルギーかっせいかエネルギーを下さげる	反はん応のうが起おきやすくなる

鍵かぎと鍵穴かぎあなモデル

酵素こうその 活性部位かっせいぶい に基質きしつがぴたりはまって 酵素基質複合体こうそきしつふくごうたい を作つくり、 反はん応のうが進すすんで産さん物ぶつが出でる — この様子ようすを鍵かぎと鍵穴かぎあなにたとえます。

主おもな酵素こうそと役割やくわり

酵素こうそ	はたらき	場所ばしょ
アミラーゼあみらーぜ	デンプン → 麦芽糖ばくがとう	唾だ液えき・膵液すいえき
ペプシンぺぷしん	タンパク質たんぱくしつ → ペプチド	胃い
リパーゼ	脂肪しぼう → 脂肪酸しぼうさん + グリセリン	膵液すいえき
カタラーゼ	H₂O₂ → H₂O + O₂	全ぜん細さい胞ぼう (肝臓かんぞうに多おおい)
DNAポリメラーゼでぃーえぬえーぽりめらーぜ	DNA複ふく製せい	核かく

3. 光合成こうごうせい — 同化どうかの代表だいひょう例れい

光合成こうごうせい は、 植物しょくぶつやシアノバクテリアしあのばくてりあが光エネルギーえねるぎーを使つかって 二に酸化さんか炭たん素そと水みずからグルコースを作つくる 反はん応のうです。

全体ぜんたい反応はんのう式しき

$6\hspace{0.17em}{2}_{}+12\hspace{0.17em}{2}_{}O\to 光6_{}{12}_{}{6}_{}+6\hspace{0.17em}{2}_{}+6\hspace{0.17em}{2}_{}O$

(簡かん略りゃく: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂)

光合成こうごうせいの 2 段階だんかい

葉緑体ようりょくたい内で 2 段だん階かい に分わかれて進すすみます。

段だん階かい	場所ばしょ	必要ひつようなもの	産出さんしゅつするもの
① 光化学反応こうかがくはんのう (チラコイド反はん応のう)	チラコイド膜まく	光ひかり・H₂O	O₂・ATP・NADPH
② カルビン回路かるびんかいろ (ストロマ反はん応のう)	ストロマ	CO₂・ATP・NADPH	グルコース

大事だいじ: 光合成こうごうせいで出でてくる酸さん素そ (O₂) は 二酸化炭素にさんかたんそ由来ゆらいではなく、 水みず (H₂O) 由来ゆらい です。 これを確かく認にんしたのが ルーベン (米まい、 1941 年ねん、 ¹⁸O で標ひょう識しきした同位どうい体たいトレーサー実じっ験けん)。

光化学こうかがく反応はんのうのしくみ

1. クロロフィル (緑色りょくしょく色素しきそ) が光エネルギーえねるぎーを吸きゅう収しゅう
2. 吸きゅう収しゅうエネルギーで水みずを分ぶん解かい (光こう分ぶん解かい) → O₂・H⁺・電子でんし
3. 電子でんしが 電子伝達系でんしでんたつけい を流ながれる過か程ていで ATP と NADPH が生うまれる
4. O₂ は副そい産さん物ぶつとして大気たいきへ

カルビン回路かいろ

ATPとNADPHのエネルギーえねるぎーを使つかい、 CO₂ を何なん段だん階かいかの反はん応のうで還かん元げんして C₃ 化か合ごう物ぶつ (グリセルアルデヒド 3 リン酸さん、 G3P) を作つくり、 最終さいしゅう的てきに グルコース になります。 1957 年ねんに カルビン (米まい) が ¹⁴C で解明かいめい (ノーベル賞しょう)。

4. C3・C4・CAM 植物しょくぶつ

植物しょくぶつの多おおくは CO₂ を直接ちょくせつカルビン回路かるびんかいろに取とり込こみますが、 高温こうおん・乾かん燥そう地域ちいきの植物しょくぶつは工夫くふうをしています。

型かた	最初さいしょの取とり込こみ物質ぶっしつ	場所ばしょ・時間じかん	適てき応おう環境かんきょう	例れい
C3植物C3しょくぶつ	C₃ 化か合ごう物ぶつ (PGA)	葉肉はにく細さい胞ぼう、 昼ひる	温おん帯たい・湿しつ潤じゅん	イネ・コムギ・ダイズ
C4植物しーよんしょくぶつ	C₄ 化か合ごう物ぶつ (オキサロ酢酸さくさん)	葉肉はにく細さい胞ぼうで取とり込こみ → 維管束鞘いかんそくしょう細さい胞ぼうでカルビン	高温こうおん・強つよし光こう	トウモロコシ・サトウキビ
CAM植物きゃむしょくぶつ	C₄ 化か合ごう物ぶつ (オキサロ酢酸さくさん)	夜よるに取とり込こみ貯蔵ちょぞう → 昼ひるにカルビン	砂さ漠ばく等乾燥そう地	サボテン・パイナップル

大事だいじ: C4植物しーよんしょくぶつは CO₂ を集しゅう中ちゅうさせて光呼吸ひかりこきゅう (損失そんしつ反はん応のう) を抑おさえる ことで高温こうおん・強つよし光こうでも効こう率りつよく光合成こうごうせいできる。 CAM植物きゃむしょくぶつは 夜よるに気孔きこうを開ひらき水すいの蒸じょう散さんを防ふせぐ ことで砂さ漠ばくで生いきる。

光合成こうごうせいの限定げんてい要因よういん

光合成こうごうせいの速度そくどは 3 つの要よう因いんのうち 最もっとも不足ふそくしているもの (限げん定てい要よう因いん) で決きまります (ブラックマンの法則ほうそく)。

要よう因いん	限界げんかいを上あげると
光ひかりの強つよさ	弱よわい光ひかりでは律速りっそく
CO₂ 濃のう度ど	通つう常じょう大気たいき中ちゅう 0.04 % が律速りっそく
温おん度ど	30〜35 ℃ で最大さいだい、 高温こうおんでは酵素こうそが失活しつかつ

5. 呼吸こきゅう — 異化いかの代表だいひょう例れい

呼吸こきゅう (細さい胞ぼう呼こ吸きゅう) は、 グルコースを分ぶん解かいして ATP を取とり出だす反はん応のうです。

全体ぜんたい反応はんのう式しき

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O → 6 CO₂ + 12 H₂O + 約やく 38 ATP

呼吸こきゅうの 3 段階だんかい

段だん階かい	場所ばしょ	出入でいり	生しょうじる ATP
① 解糖系かいとうけい	細胞質さいぼうしつ	グルコース → 2 ピルビン酸さん	2
② クエン酸回路くえんさんかいろ (TCA 回路かいろ)	ミトコンドリアみとこんどりあマトリックス	ピルビン酸さん → CO₂	2
③ 電子伝達系でんしでんたつけい	ミトコンドリアみとこんどりあクリステ	NADH・FADH₂ + O₂ → H₂O	約やく 34

解かい糖とう系けい

• 細さい胞ぼう質で進行しんこう、 酸さん素そ不要ふよう (嫌気的けんきてき)
• グルコース 1 分ぶん子し → 2 ピルビン酸さん
• 正味しょうみで 2 ATP と 2 NADH を生うむ

クエン酸さん回路かいろ (TCA 回路かいろ)

• ピルビン酸さんがミトコンドリアに入はいり、 アセチル CoA になる
• アセチル CoA + オキサロ酢酸さくさん → クエン酸さん → … と 8 段だん階かいの円えん環たまき反はん応のう
• 1 周しゅうで 2 CO₂・3 NADH・1 FADH₂・1 ATP を生うむ
• 1 グルコースで 2 周しゅう (ピルビン酸さんが 2 つできるため)
• 1937 年ねんに クレブス (英えい) が発はっ見けん (ノーベル賞しょう)

電子でんし伝達でんたつ系けい — 呼吸こきゅうの主役しゅやく

• ミトコンドリアの 内ない膜まく (クリステ) で進行しんこう
• NADH・FADH₂ から取とり出だした電子でんしがタンパク質たんぱくしつ群ぐんを流ながれ、 H⁺ を膜まく間かんに汲くみ上あげる
• H⁺ が濃のう度ど差さを駆動くどう力りょくに ATP合成酵素えーてぃーぴーごうせいこうそ (ATP シンターゼ) を通とおって戻もどるとき、 ADP + P → ATP が大量たいりょう合ごう成せい (約やく 34 ATP)
• 最終さいしゅう電子でんし受容じゅよう体たいは 酸さん素そ (O₂) → H₂O ができる

大事だいじ: この H⁺ の流ながれを利り用ようする仕組くみを 化学浸透説かがくしんとうせつ (ミッチェル、 英えい、 1961 年ねん) と呼よびます。 光合成こうごうせいのATP合ごう成せいも同おなじ原げん理りです。

嫌気呼吸けんきこきゅう — 酸素さんそのない呼吸こきゅう

酸さん素そが不ふ足そくすると、 クエン酸回路くえんさんかいろと電子伝達系でんしでんたつけいが動うごかず、 解糖系かいとうけいの後のちに 発酵はっこう が起おきます。

種類しゅるい	主おもな産物さんぶつ	例れい
アルコール発酵アルコールはっこう	エタノール + CO₂	酵母こうぼ (パン・酒さけ)
乳酸発酵にゅうさんはっこう	乳酸にゅうさん	乳酸菌にゅうさんきん (ヨーグルト)・激はげしい運うん動どう中ちゅうの筋肉きんにく

発酵はっこうは ATP を 2 個こ しか作つくらず効こう率りつが悪わるい (好こう気き呼こ吸きゅうの約やく 1/19)。

6. 光合成こうごうせいと呼吸こきゅうの関係かんけい

植物しょくぶつは 光合成こうごうせいと呼吸こきゅうを同時どうじに 行おこなっています。

反はん応のう	取とり入いれる	出だす	起おきる時間じかん
光合成こうごうせい	CO₂・H₂O	O₂・グルコース	昼ひる (光こうがある時とき)
呼吸こきゅう	O₂・グルコース	CO₂・H₂O	24 時間じかん

• 昼間ひるま: 光合成こうごうせい > 呼吸こきゅう → 全ぜん体たいとして O₂ を出だし、 CO₂ を吸すう
• 夜間やかん: 呼吸こきゅうのみ → CO₂ を出だし、 O₂ を吸すう
• 補償点ほしょうてん: 光合成こうごうせいと呼吸こきゅうがちょうど等ひとしい光ひかりの強つよさ
• 光飽和点こうほうわてん: 光ひかりを強つよくしても速度そくどが上あがらなくなる点てん

7. ふりかえり

• [ ]同化どうかと異化いかの違ちがいを説明せつめいできる
• [ ]ATPがエネルギーえねるぎー通貨つうかとして使つかわれるしくみを理り解かい
• [ ]酵素こうその 3 性せい質しつ (基き質しつ特とく異い性せい・最さい適温てきおん度ど・最適さいてきpH) を言いえる
• [ ]光合成こうごうせいが 光化学反応こうかがくはんのう + カルビン回路かるびんかいろ でできていると言いえる
• [ ]C3植物C3しょくぶつ・C4植物しーよんしょくぶつ・CAM植物きゃむしょくぶつの違ちがいと例れいを言いえる
• [ ]呼吸こきゅうの 3 段だん階かい (解糖系かいとうけい・クエン酸回路くえんさんかいろ・電子伝達系でんしでんたつけい) と場所ばしょを言いえる
• [ ]嫌気いやけ呼こ吸きゅう (アルコール発酵アルコールはっこう・乳酸発酵にゅうさんはっこう) の例れいを言いえる

この章しょうの安全あんぜん配慮はいりょ

• 酵素こうそ実じっ験けんで使つかう過か酸さん化か水すい素そ (H₂O₂、 オキシドール) は 皮ひ膚ふにつくとしみる、 保護メガネほごめがねを着ちゃく用よう
• 光合成こうごうせい実じっ験けんで使つかうBTB液びーてぃーびーえきやヨウ素液ようそえきは服ふくを染そめる、 衣服いふくに注ちゅう意い
• 加か熱ねつ実じっ験けんでエタノールを使つかう場合ばあい (葉はの脱色だっしょく) は 直ちょく火ひ厳禁げんきん、 必かならず 湯ゆ煎せん を使つかう

次じの章しょう: 第だい 4 章しょうでは、 代謝たいしゃを制せい御ぎょする設せっ計けい図ず = DNA と遺伝いでんを学まなびます。 メンデルめんでるが発はっ見けんした遺伝いでんの法則ほうそくから、 セントラルドグマせんとらるどぐま (DNA → RNA → タンパク質たんぱくしつ) までを追おいましょう。