この 章 で 学ぶ こと
生物 が 生 き る た め に 行 う 化学反応 の 全体たい] を 代謝 (メタボリズム) と 呼 び ます。 第 3 章 で は、 代謝 の 2 大領域 = 同化 (作 る) と 異化 (壊 す) を 詳 し く 学 び ます。
- 同化 と 異化 の 違 い を 説明 で きる
- ATP が エネルギー通貨 と し て 働 く し く み を 理解 す る
- 光合成 の 反応 (光化学反応・カルビン回路) を 理解 す る
- C3植物・C4植物・CAM植物 の 違 い を 言 え る
- 呼吸 の 3 段階 (解糖系・クエン酸回路・電子伝達系) を 言 え る
- 酵素 の 性質 (基質特異性・最適pH・最適温度) を 言 え る
ポイント: 同化 = 「外 か ら 取 り 入 れ た 単純 な 物質 を 組 み 立 て て 自分 の 体 を 作 る」 反応。 異化 = 「取 り 込 ん だ 物質 を 分解 し て エネルギー を 取 り 出 す」 反応。 こ の 2 つ が 1 細胞 の 中 で 同時進行 し て い ます。
**[[気孔|きこう]]** ([[トマト]] の 葉、 走査電子顕微鏡像)。 2 つ の **[[孔辺細胞|こうへんさいぼう]]** が ふくらんだり しぼん だり す る こ と で 気孔 が 開閉 し、 [[光合成|こうごうせい]] の [[二酸化炭素|にさんかたんそ]]取 り 込 み と [[蒸散|じょうさん]] を 調節 す る。
**[[コケ植物|コケしょくぶつ]]** ([[Plagiomnium affine]]) の 葉 を 光学顕微鏡 で 見 た 像。 1 つ 1 つ の 細胞 の 中 に 多数 の **[[葉緑体|ようりょくたい]]** (緑色 の 粒) が 並 ぶ。 こ こ で [[光合成|こうごうせい]] の **[[光化学反応|こうかがくはんのう]]** ([[チラコイド]]) と **[[カルビン回路|カルビンかいろ]]** ([[ストロマ]]) が 進行 し、 [[ATP]]・[[NADPH]] と グルコース が 作 ら れ る。
1. 代謝 と ATP
同化 と 異化
| 区分 | 内容 | エネルギー の 動 き | 例 |
|---|
| [[同化 | どうか]] | 単純 な 物質 → 複雑 な 物質 | 吸収 (光・化学) |
| [[異化 | いか]] | 複雑 な 物質 → 単純 な 物質 | 放出 (→ ATP) |
ATP — エネルギー の 通貨
ATP (Adenosine Tri-Phosphate、 アデノシン 三 リン 酸) は 細胞 が 使 う 共通 の エネルギー通貨 で す。
- アデニン + リボース (糖) + 3 つ の リン 酸 か ら な る
- 末端 の リン 酸結合 (高 エネルギー リン 酸結合) を 切 る と 約 30.5 kJ/mol の エネルギー が 放出
- ATP → ADP + リン 酸 (P) + エネルギー
- 逆 に エネルギー を 加 え る と ADP + P → ATP (再生成)
| 反応 | エネルギー |
|---|
| ATP → ADP + Pi | 放出 (約 30.5 kJ/mol) |
| ADP + Pi → ATP | 吸収 (同量必要) |
ヒト の 体 で は 1 日 に 約 50 kg の ATP が 合成 と 分解 を 繰 り 返 し て い ま す (体重 と ほ ぼ 同 じ)。 こ れ が 生 き て い る と い う こ と。
2. 酵素 — 代謝 を 進める 触媒
代謝 の 化学反応 は 通常何時間 も か か り ま す が、 細胞内 で は 酵素 と い う タンパク質触媒 が 一瞬 で 進 め ます。
酵素 の 性質
| 性質 | 内容 |
|---|
| [[基質特異性 | きしつとくいせい]] |
| 最適温度 | 35〜40 ℃ 付近 (体温) で 最大、 高温 で **[[失活 |
| 最適pH | 酵素 ご と に 異 な る (ペプシン pH 2、 トリプシン pH 8、 アミラーゼ pH 7) |
| [[活性化エネルギー | かっせいかエネルギー]] を 下 げ る |
鍵 と 鍵穴 モデル
酵素 の 活性部位 に 基質 が ぴ た り は ま っ て 酵素基質複合体 を 作 り、 反応 が 進 ん で 産物 が 出 る — こ の 様子 を 鍵 と 鍵穴 に た と え ます。
主な 酵素 と 役割
| 酵素 | はたらき | 場所 |
|---|
| アミラーゼ | デンプン → 麦芽糖 | 唾液・[[膵液 |
| ペプシン | [[タンパク質 | たんぱくしつ]] → ペプチド |
| リパーゼ | 脂肪 → 脂肪酸 + グリセリン | [[膵液 |
| カタラーゼ | H₂O₂ → H₂O + O₂ | 全細胞 (肝臓 に 多 い) |
| DNAポリメラーゼ | DNA複製 | [[核 |
3. 光合成 — 同化 の 代表例
光合成 は、 植物 や シアノバクテリア が 光エネルギー を 使 っ て 二酸化炭素 と 水 か ら グルコース を 作 る 反応 で す。
全体反応式
6CO2+12H2O光C6H12O6+6O2+6H2O
(簡略: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂)
光合成 の 2 段階
葉緑体内 で 2 段階 に 分 か れ て 進 み ます。
| 段階 | 場所 | 必要 な も の | 産出 す る も の |
|---|
| ① [[光化学反応 | こうかがくはんのう]] (チラコイド 反応) | チラコイド 膜 | 光・H₂O |
| ② [[カルビン回路 | カルビンかいろ]] (ストロマ 反応) | ストロマ | CO₂・ATP・NADPH |
大事: 光合成 で 出 て く る 酸素 (O₂) は 二酸化炭素由来 で は な く、 水 (H₂O) 由来 で す。 こ れ を 確認 し た の が ルーベン (米、 1941 年、 ¹⁸O で 標識 し た 同位体トレーサー実験)。
光化学反応 の しくみ
- クロロフィル (緑色色素) が 光エネルギー を 吸収
- 吸収 エネルギー で 水 を 分解 (光分解) → O₂・H⁺・電子
- 電子 が 電子伝達系 を 流 れ る 過程 で ATP と NADPH が 生 ま れ る
- O₂ は 副産物 と し て 大気 へ
カルビン 回路
ATP と NADPH の エネルギー を 使 い、 CO₂ を 何段階 か の 反応 で 還元 し て C₃ 化合物 (グリセルアルデヒド 3 リン 酸、 G3P) を 作 り、 最終的 に グルコース に な り ます。 1957 年 に カルビン (米) が ¹⁴C で 解明 (ノーベル 賞)。
4. C3・C4・CAM 植物
植物 の 多 く は CO₂ を 直接カルビン回路 に 取 り 込 み ま す が、 高温・乾燥地域 の 植物 は 工夫 を し て い ます。
| 型 | 最初 の 取 り 込 み 物質 | 場所・時間 | 適応環境 | 例 |
|---|
| **[[C3植物 | C3しょくぶつ]]** | C₃ 化合物 (PGA) | [[葉肉 | はにく]]細胞、 昼 |
| **[[C4植物 | C4しょくぶつ]]** | C₄ 化合物 (オキサロ 酢酸) | [[葉肉 | はにく]]細胞 で 取 り 込 み → [[維管束鞘 |
| **[[CAM植物 | CAMしょくぶつ]]** | C₄ 化合物 (オキサロ 酢酸) | 夜 に 取 り 込 み 貯蔵 → 昼 に カルビン | 砂漠等乾燥地 |
大事: C4植物 は CO₂ を 集中 さ せ て 光呼吸 (損失反応) を 抑 え る こ と で 高温・強光 で も 効率 よ く 光合成 で きる。 CAM植物 は 夜 に 気孔 を 開 き 水 の 蒸散 を 防 ぐ こ と で 砂漠 で 生 き る。
光合成 の 限定要因
光合成 の 速度 は 3 つ の 要因 の う ち 最 も 不足 し て い る も の (限定要因) で 決 ま り ます (ブラックマン の 法則)。
| 要因 | 限界 を 上 げ る と |
|---|
| 光 の 強 さ | 弱 い 光 で は 律速 |
| CO₂ 濃度 | 通常大気中 0.04 % が 律速 |
| 温度 | 30〜35 ℃ で 最大、 高温 で は 酵素 が [[失活 |
5. 呼吸 — 異化 の 代表例
呼吸 (細胞呼吸) は、 グルコース を 分解 し て ATP を 取 り 出 す 反応 で す。
全体反応式
C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O → 6 CO₂ + 12 H₂O + 約 38 ATP
呼吸 の 3 段階
| 段階 | 場所 | 出入 り | 生 じ る ATP |
|---|
| ① [[解糖系 | かいとうけい]] | [[細胞質 | さいぼうしつ]] |
| ② [[クエン酸回路 | クエンさんかいろ]] (TCA 回路) | ミトコンドリアマトリックス | ピルビン 酸 → CO₂ |
| ③ [[電子伝達系 | でんしでんたつけい]] | ミトコンドリアクリステ | NADH・FADH₂ + O₂ → H₂O |
解糖系
- 細胞質 で 進行、 酸素不要 (嫌気的)
- グルコース 1 分子 → 2 ピルビン 酸
- 正味 で 2 ATP と 2 NADH を 生 む
クエン酸回路 (TCA 回路)
- ピルビン 酸 が ミトコンドリア に 入 り、 アセチル CoA に な る
- アセチル CoA + オキサロ 酢酸 → クエン 酸 → … と 8 段階 の 円環反応
- 1 周 で 2 CO₂・3 NADH・1 FADH₂・1 ATP を 生 む
- 1 グルコース で 2 周 (ピルビン 酸 が 2 つ で きる た め)
- 1937 年 に クレブス (英) が 発見 (ノーベル 賞)
電子伝達系 — 呼吸 の 主役
- ミトコンドリア の 内膜 (クリステ) で 進行
- NADH・FADH₂ か ら 取 り 出 し た 電子 が タンパク 質群 を 流 れ、 H⁺ を 膜間 に 汲 み 上 げ る
- H⁺ が 濃度差 を 駆動力 に ATP合成酵素 (ATP シンターゼ) を 通 っ て 戻 る と き、 ADP + P → ATP が 大量合成 (約 34 ATP)
- 最終電子受容体 は 酸素 (O₂) → H₂O が で きる
大事: こ の H⁺ の 流 れ を 利用 す る 仕組 み を 化学浸透説 (ミッチェル、 英、 1961 年) と 呼 び ま す。 光合成 の ATP合成 も 同 じ 原理 で す。
嫌気呼吸 — 酸素 の ない 呼吸
酸素 が 不足 す る と、 クエン酸回路 と 電子伝達系 が 動 か ず、 解糖系 の 後 に 発酵 が 起 き ます。
| 種類 | 主 な 産物 | 例 |
|---|
| [[アルコール発酵 | アルコールはっこう]] | エタノール + CO₂ |
| [[乳酸発酵 | にゅうさんはっこう]] | 乳酸 |
発酵 は ATP を 2 個 し か 作 ら ず 効率 が 悪 い (好気呼吸 の 約 1/19)。
6. 光合成 と 呼吸 の 関係
植物 は 光合成 と 呼吸 を 同時 に 行 っ て い ます。
| 反応 | 取 り 入 れ る | 出 す | 起 き る 時間 |
|---|
| [[光合成 | こうごうせい]] | CO₂・H₂O | O₂・グルコース |
| [[呼吸 | こきゅう]] | O₂・グルコース | CO₂・H₂O |
- 昼間: 光合成 > 呼吸 → 全体 と し て O₂ を 出 し、 CO₂ を 吸 う
- 夜間: 呼吸 の み → CO₂ を 出 し、 O₂ を 吸 う
- 補償点: 光合成 と 呼吸 が ち ょ う ど 等 し い 光 の 強 さ
- 光飽和点: 光 を 強 く し て も 速度 が 上 が ら な く な る 点
7. ふりかえり
- [ ]同化 と 異化 の 違 い を 説明 で きる
- [ ]ATP が エネルギー通貨 と し て 使 わ れ る しく み を 理解
- [ ]酵素 の 3 性質 (基質特異性・最適温度・最適pH) を 言 え る
- [ ]光合成 が 光化学反応 + カルビン回路 で で き て い る と 言 え る
- [ ]C3植物・C4植物・CAM植物 の 違 い と 例 を 言 え る
- [ ]呼吸 の 3 段階 (解糖系・クエン酸回路・電子伝達系) と 場所 を 言 え る
- [ ]嫌気呼吸 (アルコール発酵・乳酸発酵) の 例 を 言 え る
この 章 の 安全配慮
- 酵素実験 で 使 う 過酸化水素 (H₂O₂、 オキシドール) は 皮膚 に つ く と し み る、 保護メガネ を 着用
- 光合成実験 で 使 う BTB液 や ヨウ素液 は 服 を 染 め る、 衣服 に 注意
- 加熱実験 で エタノール を 使 う 場合 (葉 の 脱色) は 直火厳禁、 必 ず 湯煎 を 使 う
次 の 章: 第 4 章 で は、 代謝 を 制御 す る 設計図 = DNA と 遺伝 を 学 び ます。 メンデル が 発見 し た 遺伝 の 法則 か ら、 セントラルドグマ (DNA → RNA → タンパク質) ま で を 追 い ま しょ う。