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 生なま き る た め に 行あるき う 化か学がく反はん応のう の 全体ぜんたいたい] を 代謝たいしゃ (メタボリズム) と 呼こ 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 (作さく る) と 異化いか (壊 す) を 詳 し く 学がく び ます。

• 同化どうか と 異化いか の 違 い を 説明せつめい で きる
• ATP が エネルギー通つう貨か と し て 働 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・カルビン回路カルビンかいろ) を 理り解かい す る
• C3植物C3しょくぶつ・C4植物C4しょくぶつ・CAM植物CAMしょくぶつ の 違 い を 言げん 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・クエン酸回路クエンさんかいろ・電子伝達系でんしでんたつけい) を 言げん 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 言げん え る

ポイント: 同化どうか = 「外がい か ら 取と り 入いり れ た 単純たんじゅん な 物質ぶっしつ を 組くみ み 立たつ て て 自分じぶん の 体からだ を 作さく る」 反はん応のう。 異化いか = 「取と り 込こみ ん だ 物質ぶっしつ を 分解ぶんかい し て エネルギー を 取と り 出で 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 動どう 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)
[[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)

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 使し う 共きょう通つう の エネルギー通つう貨か で す。

• アデニン + リボース (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 切せつ る と 約やく 30.5 kJ/mol の エネルギー 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 加か 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 日にち 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 同どう 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 進すすむ 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]]
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
最適さいてきpH	酵素こうそ ご と に 異こと 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 下した げ 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 作さく り、 反はん応のう が 進すすむ 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	デンプン → 麦芽糖ばくがとう	唾だ液えき・[[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	脂肪しぼう → 脂肪酸しぼうさん + グリセリン	[[膵液
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	DNA複ふく製せい	[[核

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 が 光エネルギー を 使し 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 作さく 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 分ぶん か れ て 進すすむ 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
② [[カルビン回路	カルビンかいろ]] (ストロマ 反はん応のう)	ストロマ	CO₂・ATP・NADPH

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 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 れ る 過か程てい で ATP と NADPH が 生なま 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 を 使し 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 作さく 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カルビンかいろ に 取と り 込こみ 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 み 物質ぶっしつ	場所ばしょ・時間じかん	適てき応おう環かん境きょう	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
**[[C4植物	C4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 み → [[維管束鞘
**[[CAM植物	CAM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 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

大事だいじ: C4植物C4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 抑そもそも 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CAMしょくぶつ は 夜よる に 気孔きこう を 開ひらき き 水みず の 蒸じょう散さん を 防ぼう ぐ こ と で 砂さ漠ばく で 生なま 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 最さい 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 決けつ 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 上うえ げ る と
光ひかり の 強つよ さ	弱じゃく 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

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 出で 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	出入しゅつにゅう り	生なま 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 回路かいろ)	ミトコンドリアマトリックス	ピルビン 酸さん → 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 (嫌気いやけ的てき)
• 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 生なま 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 入いり 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 円まどか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 生なま 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 出で し た 電子でんし が タンパク 質しつ群ぐん を 流ながれ れ、 H⁺ を 膜まく間かん に 汲 み 上うえ 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ATPごうせいこうそ (ATP シンターゼ) を 通つう 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 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 呼こ び ま す。 光合成こうごうせい の ATP合ごう成せい も 同どう じ 原げん理り で す。

嫌気いやけ呼吸こきゅう — 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、 クエン酸回路クエンさんかいろ と 電子伝達系でんしでんたつけい が 動どう か ず、 解糖系かいとうけい の 後ご に 発酵はっこう が 起おこし 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
[[乳酸発酵	にゅうさんはっこう]]	乳酸にゅうさん

発酵はっこう は ATP を 2 個こ し か 作さく ら ず 効こう率りつ が 悪あく 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 行あるき っ て い ます。

反はん応のう	取と り 入いり れ る	出で す	起おこし き る 時間じかん
[[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 出で し、 CO₂ を 吸 う
• 夜間やかん: 呼吸こきゅう の み → CO₂ を 出で し、 O₂ を 吸 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 し い 光ひかり の 強つよ さ
• 光飽和点ひかりほうわてん: 光ひかり を 強つよ く し て も 速度そくど が 上うえ 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 い を 説明せつめい で きる
• [ ]ATP が エネルギー通貨つうか と し て 使し 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 言げん 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 + カルビン回路カルビンかいろ で で き て い る と 言げん え る
• [ ]C3植物C3しょくぶつ・C4植物C4しょくぶつ・CAM植物CAMしょくぶつ の 違 い と 例れい を 言げん 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・クエン酸回路クエンさんかいろ・電子伝達系でんしでんたつけい) と 場所ばしょ を 言げん 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 言げん 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 使し 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、 保護メガネほごメガネ を 着ちゃく用よう
• 光合成こうごうせい実じっ験けん で 使し う BTB液BTBえき や ヨウ素液ようそえき は 服ふく を 染そめ 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 使し 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 ず 湯ゆ煎せん を 使し 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 学がく び ます。 メンデル 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 (DNA → RNA → タンパク質たんぱくしつ) ま で を 追つい い ま しょ う。