生物が生きていくには、物質を作り替え、そのためのエネルギーをやり取りする必要があります。この記事では、代謝の全体像から出発し、エネルギーの受け渡し役であるATP(アデノシン三リン酸)までを順に整理します。最後に、生物がどこからエネルギーのもとを得ているかという観点で、独立栄養と従属栄養を確認します。
代謝
代謝とは、生体内で行われる化学反応の総称です。代謝には必ず物質の変化とエネルギーの出入りが伴います。代謝は、物質の流れの向きによって同化と異化に大別されます。
異化
異化は、複雑な有機物をより単純な物質に分解する反応です。このとき、有機物がもっていたエネルギーが取り出されます。取り出されたエネルギーの一部は、後で述べるATPの合成に使われます。
- 例:呼吸、発酵
同化
同化は、単純な物質から複雑な有機物を合成する反応です。この反応にはエネルギーが必要で、そのエネルギーは主にATPによって供給されます。
- 例:光合成(炭酸同化の一つ)、窒素同化
| 物質の変化 | エネルギー | 例 | |
|---|---|---|---|
| 異化 | 複雑 → 単純 | 取り出す | 呼吸、発酵 |
| 同化 | 単純 → 複雑 | 必要とする | 光合成、窒素同化 |
注意:「異化=エネルギーを出す、同化=エネルギーを使う」は大まかな整理です。実際には、異化で取り出したエネルギーがATPという形に変換され、そのATPが同化などの反応で使われます。
高エネルギーリン酸化合物
高エネルギーリン酸化合物とは、リン酸が結合しており、そのリン酸が外れる(加水分解される)ときに、比較的大きなエネルギーが放出される化合物の総称です。
代表例は次のとおりです。
- ATP(アデノシン三リン酸)
- ADP(アデノシン二リン酸)
- GTPなど、ATPと似た構造をもつヌクレオシド三リン酸
- クレアチンリン酸(筋肉中でATPを再生するために使われる)
高校生物で中心になるのは、このうちのATPです。
高エネルギーリン酸結合
高エネルギーリン酸結合とは、リン酸どうしをつなぐ結合のうち、分解されるときに大きなエネルギーが放出される結合のことです。教科書では「~P」と表記されることがあります。
ATPには、リン酸が3個つながっているため、リン酸どうしの結合が2か所あります。この2か所が高エネルギーリン酸結合です。アデノシンと最初のリン酸との結合は、高エネルギーリン酸結合ではありません。
ATPの末端のリン酸が外れる反応(加水分解)では、1 molあたり約30 kJのエネルギーが放出されます。
補足:「結合が切れるときにエネルギーが出る」という言い方は、教科書での簡略な説明です。厳密には、ATPが水と反応してADPとリン酸になる反応全体で、エネルギー(自由エネルギー)が減少し、その差が利用できる、という意味です。結合を切ること自体にエネルギーが必要である点は、ここでは立ち入りません。
アデノシン三リン酸(ATP)
ATP(adenosine triphosphate)は、生体内でエネルギーの受け渡しを担う物質です。あらゆる生物が共通してATPを利用するため、エネルギーの通貨と呼ばれます。
ATPは、末端のリン酸が外れてADPとリン酸(P<sub>i</sub>)になるときにエネルギーを放出し、そのエネルギーが生命活動に使われます。逆に、ADPとリン酸からATPが合成されるときには、エネルギーが蓄えられます。
ATPが利用される主な場面は次のとおりです。
- 筋収縮
- 能動輸送
- 物質の合成(同化)
- 発光(ホタルなど)
- 神経の興奮の回復
ATPは細胞内に大量にためておくことができません。そのため、使われるそばから呼吸などの異化によって再合成されます。つまり、ATPの分解と合成が常にくり返されています。
アデノシン三リン酸の構造
ATPは、次の3つの部分からできています。
- アデニン:窒素を含む環状構造をもつ塩基
- リボース:炭素5個の糖
- リン酸:3個が直列につながったもの
アデニンとリボースが結合したものをアデノシンといい、これにリン酸が3個結合したものがアデノシン三リン酸(ATP)です。リン酸が2個ならADP(アデノシン二リン酸)です。
この「塩基+糖+リン酸」という組み合わせはヌクレオチドと同じです。実際、ATPのリン酸を1個にしたものは、RNAを構成するヌクレオチドの一つ(アデニンをもつもの)と同じ構造になります。ATPはヌクレオチドの仲間である、という点はあとで核酸を学ぶときにも重要です。
独立栄養と従属栄養
生物は、有機物をどのようにして得るかによって、大きく2つに分けられます。
独立栄養
独立栄養とは、無機物(二酸化炭素や水など)から、自分で有機物を合成して生活する栄養様式です。これを行う生物を独立栄養生物といいます。
独立栄養は、エネルギー源の違いによってさらに2つに分けられます。
- 光合成:光エネルギーを利用する。植物、藻類、シアノバクテリアなど
- 化学合成:無機物を酸化するときに生じる化学エネルギーを利用する。硝化菌、硫黄細菌など
従属栄養
従属栄養とは、他の生物がつくった有機物を取り入れて生活する栄養様式です。これを行う生物を従属栄養生物といいます。
- 例:動物、菌類(カビ・キノコ・酵母)、多くの細菌
比較
| 独立栄養生物 | 従属栄養生物 | |
|---|---|---|
| 有機物の入手 | 無機物から自分で合成 | 他の生物がつくった有機物を取り入れる |
| 主な例 | 植物、藻類、シアノバクテリア、硝化菌 | 動物、菌類、多くの細菌 |
| 同化 | 炭酸同化を行う | 有機物を取り込んで利用する |
注意:独立栄養生物も、呼吸(異化)を行ってATPを作ります。「独立栄養生物は光合成だけをしている」わけではありません。光合成は有機物を作る同化で、呼吸はその有機物からATPを作る異化です。
全体のつながり
無機物(CO₂, H₂O)
│ 同化(光合成・化学合成)← 光・化学エネルギー
▼
有機物 ──────────→ 従属栄養生物が取り入れる
│ 異化(呼吸など)
▼
ATP(エネルギーの通貨)
│ 分解してエネルギーを放出
▼
生命活動(同化・筋収縮・能動輸送など)高エネルギーリン酸化合物 穴埋め問題（全10問）
以下の（ ）内に当てはまる最も適切な語句を答えなさい。
- 生体内で行われる化学反応の総称を( ① )という。
- 複雑な物質を単純な物質に分解し、エネルギーを取り出す代謝を( ② )という。その例として、( ③ )や発酵がある。
- 単純な物質から複雑な有機物を合成する代謝を( ④ )という。その例として、光合成や( ⑤ )同化がある。
- リン酸が加水分解されるときに大きなエネルギーを放出する化合物を( ⑥ )化合物という。ATPのほか、筋肉中でATPの再生に使われる( ⑦ )リン酸もその一つである。
- ATPには、リン酸どうしの高エネルギーリン酸結合が( ⑧ )か所ある。
- ATPの正式名称は( ⑨ )で、生体内のエネルギーの受け渡しを担うことから「エネルギーの( ⑩ )」とよばれる。
- ATPは、塩基である( ⑪ )と糖である( ⑫ )が結合した( ⑬ )に、リン酸が3個結合した構造をもつ。
- ATPが加水分解されると、( ⑭ )とリン酸(P<sub>i</sub>)になり、エネルギーが放出される。
- 無機物から自分で有機物を合成して生活する栄養方式を( ⑮ )といい、これを行う生物を( ⑯ )生物という。この栄養方式には、光合成のほか、無機物の酸化で生じるエネルギーを利用する( ⑰ )がある。
- 他の生物がつくった有機物を取り入れて生活する栄養方式を( ⑱ )といい、これを行う生物には( ⑲ )や菌類などがある。
解答
①代謝 ②異化 ③呼吸 ④同化 ⑤窒素 ⑥高エネルギーリン酸 ⑦クレアチン ⑧2 ⑨アデノシン三リン酸 ⑩通貨 ⑪アデニン ⑫リボース ⑬アデノシン ⑭ADP(アデノシン二リン酸) ⑮独立栄養 ⑯独立栄養 ⑰化学合成 ⑱従属栄養 ⑲動物
高エネルギーリン酸化合物 正誤選択問題
以下の文の正誤を判定し、それぞれ○か×かを答えてください。
- 代謝とは生体内で行われる化学反応の総称であり、同化と異化に大別される。
- 異化とは、単純な物質から複雑な有機物を合成する反応であり、エネルギーを必要とする。
- 光合成は、同化の一つである。
- ATPには、リン酸どうしの高エネルギーリン酸結合が3か所ある。
- ATPのアデノシンと最初のリン酸との結合は、高エネルギーリン酸結合ではない。
- ATPは、アデニン、デオキシリボース、3個のリン酸からなる。
- ATPが加水分解されてADPとリン酸になるとき、エネルギーが放出される。
- クレアチンリン酸は、高エネルギーリン酸化合物の一つである。
- 独立栄養生物は呼吸を行わず、ATPを光合成だけで得ている。
- 化学合成を行う硝化菌は、従属栄養生物である。
解答と解説
- ○
- ×:これは同化の説明です。異化は複雑な物質を単純な物質に分解し、エネルギーを取り出す反応です。
- ○
- ×:リン酸は3個ですが、高エネルギーリン酸結合は2か所です。
- ○
- ×:糖はデオキシリボースではなくリボースです。デオキシリボースはDNAを構成する糖です。
- ○
- ○:筋肉中でATPを再生するために使われます。
- ×:独立栄養生物も呼吸(異化)を行ってATPを合成します。光合成は有機物を作る同化であり、ATPの合成そのものとは区別して考えます。
- ×:化学合成は無機物から有機物を合成するので、硝化菌は独立栄養生物です。
参考文献
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