あなたが今この文章を読んでいるだけでも、脳の神経細胞はエネルギーを消費しています。
走るとき、消化するとき、眠っているときでさえ、細胞はエネルギーを使い続けています。
そのエネルギーは、どこから来て、どのような形で使われるのでしょうか。
あなたは今、呼吸をしています。心臓が動き、目が文字を追い、脳がその意味を処理しています。 ──これらの活動はすべて、細胞の中で起きている無数の化学反応に支えられています。
このように、生体内で起こる化学反応の全体を代謝（たいしゃ）といいます。 代謝は、大きく2つの方向に分けることができます。
同化とは、単純な物質から複雑な物質を合成する反応です。 工場で小さな部品を組み立てて製品をつくるようなものだと考えてください。 このとき、合成された物質にエネルギーが蓄えられます。
代表的な同化が光合成です。 植物は光エネルギーを使って、CO2とH2Oという「部品」からグルコースという「製品」を組み立てています。
異化とは、複雑な物質を単純な物質に分解する反応です。 同化とは逆に、「製品」をバラバラに解体する過程です。 このとき、物質に蓄えられていたエネルギーが放出されます。
代表的な異化が呼吸です。 細胞はグルコースをCO2とH2Oに分解し、蓄えられていたエネルギーを取り出します。
| 同化 | 異化 | |
|---|---|---|
| 反応の方向 | 単純 → 複雑（合成） | 複雑 → 単純（分解） |
| エネルギー | エネルギーを吸収 | エネルギーを放出 |
| たとえ | 部品 → 製品を組み立てる | 製品 → 部品に解体する |
| 代表例 | 光合成、タンパク質合成 | 呼吸、消化 |
異化で放出されたエネルギーは、そのまま直接生命活動に使われるわけではありません。 いったんATP（アデノシン三リン酸、adenosine triphosphate）という特別な分子に蓄えられてから、必要な場所で使われます。
ATPは「エネルギーの通貨」とよく呼ばれますが、イメージとしては充電式バッテリーのほうが近いかもしれません。 充電（ADP → ATP）と放電（ATP → ADP）を繰り返しながら、細胞のあらゆる活動にエネルギーを届けているのです。
ATPは、アデニン（塩基）＋リボース（糖）＋3個のリン酸からなる分子です。 アデニンとリボースが結合した部分をアデノシンといいます。
ATPの3つのリン酸のうち、末端の2つの結合は高エネルギーリン酸結合と呼ばれています。 この結合が切れるときに大きなエネルギーが放出されます。 いわば、バッテリーの「放電」が起きるポイントです。
ATPからリン酸が1つ外れると、ADP（アデノシン二リン酸）になります。 このときエネルギーが放出されて、生命活動に利用されます（放電）。
逆に、呼吸や光合成で得たエネルギーを使ってADPにリン酸を結合させると、ATPが再合成されます（充電）。
つまり、ATP ⇄ ADP ＋ リン酸 という充電と放電のサイクルが、細胞の中で絶え間なく回り続けているのです。
ATPの骨格「アデニン＋リボース＋リン酸」は、RNAのヌクレオチド（アデニル酸）と同じ構造です。つまりATPはRNAの構成単位にリン酸が2つ余分に付いたものです。この共通構造を知っておくと、ATPの構成要素が覚えやすくなります。また、NAD+やFAD、コエンザイムAなどの補酵素にもアデニンやリボースが含まれており、生体のエネルギー関連分子がRNA由来の部品を広く共有していることがわかります。
バッテリーは充電しなければ使えません。 では、ATPという「バッテリー」は、どこで充電され、何に使われるのでしょうか。
ATPは、おもに次の2つのしくみで合成されます。
合成されたATPは、そのままその細胞内でさまざまな生命活動に使われます。 ATPは通常、細胞の外に出ることはありません。 つまり、各細胞が自分専用の「充電ステーション」をもっているようなものです。
| ATPの使い道 | 具体例 |
|---|---|
| 物質の合成 | タンパク質の合成、DNAの複製 |
| 物質の輸送 | 能動輸送（ナトリウムポンプなど） |
| 運動 | 筋収縮、繊毛・鞭毛の運動 |
| 発光・発熱 | ホタルの発光 |
| 情報伝達 | 神経のシナプス伝達 |
呼吸も燃焼も、有機物を酸素で分解してCO2とH2Oを生じる反応です。 では何が違うのでしょうか。
燃焼はいわば「爆発」です。化学反応が一気に起こり、エネルギーの大部分が熱や光として放出されます。 一方、呼吸は「段階的な放電」です。多数の化学反応を段階的に進めることで、エネルギーを少しずつ取り出し、その都度ATPに蓄えることができます。 もし呼吸が燃焼のように一気に起これば、細胞は高温で破壊されてしまうでしょう。
ヒトの体内に存在するATPの総量はわずか約50 gですが、1日に合成・分解されるATPの総量は約40〜70 kgにもなると推定されています。ATPは体内にためこまれるのではなく、合成と分解を高速で繰り返しています。この事実を知ると、呼吸が止まると数分で死に至る理由が実感できます──ATPの「在庫」は数秒で尽きてしまうのです。
呼吸は解糖系（細胞質基質）→クエン酸回路（ミトコンドリアのマトリックス）→電子伝達系（ミトコンドリアの内膜）の3段階で進みます。グルコース1分子あたり、解糖系で2 ATP、クエン酸回路で2 ATP、電子伝達系で最大34 ATPが合成され、合計で最大38 ATPが得られます。エネルギーの大部分（約90%）は電子伝達系で合成されるため、ミトコンドリアが「細胞の発電所」と呼ばれるのです。詳しくは5-2, 5-3で学びます。
すべての生物は呼吸によって有機物を分解し、ATPを合成しています。 では、その「材料となる有機物」をどうやって手に入れるのでしょうか。 ここに、生物の大きな2つの生き方が分かれます。
独立栄養生物は、CO2などの無機物から有機物を自分で合成できる生物です。 いわば、材料を仕入れて自分で料理をつくる「自給自足型」です。
植物やシアノバクテリアのように光エネルギーを使うものを光合成生物、 鉄細菌や硫黄細菌のように無機物の酸化で得られる化学エネルギーを使うものを化学合成生物といいます。
従属栄養生物は、自分で有機物を合成できず、他の生物がつくった有機物を摂取する生物です。 いわば、レストランで食事をする「外食型」です。 動物、菌類、多くの細菌がこれに該当します。
「植物＝光合成」というイメージが強いですが、植物も動物と同じように24時間呼吸を行っています。光合成は光が当たっている昼間に葉緑体で行われますが、呼吸は昼夜を問わずすべての細胞のミトコンドリアで行われています。つまり、植物の葉は昼間、光合成と呼吸を同時に行っています。この「見かけの光合成速度」と「真の光合成速度」の区別は、光補償点・光飽和点の理解に直結します（5-7参照）。
この記事では、代謝の基本概念（同化と異化）、ATPの構造と役割、そしてエネルギーの流れの全体像を学びました。 これらは次の記事で学ぶ呼吸・発酵・光合成の「土台」になります。
呼吸で有機物を分解して得たエネルギーも、光合成で光から得たエネルギーも、すべて一度ATPという共通の「通貨」に変換されてから使われます。 ATPが生命活動のエネルギー供給の中継点であるという理解は、これ以降のすべての代謝の学習を貫く最も重要なポイントです。
この節で学んだ基本事項を確認しましょう。
同化と異化の違いを、エネルギーの出入りに着目して説明せよ。
同化は単純な物質から複雑な物質を合成する反応で、エネルギーが吸収されます。異化は複雑な物質を単純な物質に分解する反応で、エネルギーが放出されます。
ATPの構成要素を3つ答えよ。
アデニン（塩基）、リボース（糖）、リン酸（3個）。アデニンとリボースの部分をアデノシンといいます。
呼吸と燃焼の共通点と相違点を1つずつ述べよ。
共通点：どちらも有機物を酸素を用いて分解し、CO2とH2Oを生じる。相違点：燃焼はエネルギーが一気に熱や光として放出されるが、呼吸は多段階の反応で段階的にエネルギーを取り出し、ATPに蓄える。
動物が生命活動に利用するエネルギーの大もとは何か。理由とともに答えよ。
太陽の光エネルギー。動物が食物として摂取する有機物は、直接的または間接的に、植物が光合成で太陽光エネルギーを使って合成したものだからです。
この節で学んだ内容を、入試形式の問題で確認しましょう。基礎（A）から発展（C）まで段階的に取り組んでみてください。
次の文中の空欄（ ア ）〜（ カ ）に入る適切な語句を答えよ。
生体内で起こる化学反応の全体を（ ア ）という。（ ア ）は、単純な物質から複雑な物質を合成する（ イ ）と、複雑な物質を単純な物質に分解する（ ウ ）に大別される。 細胞が生命活動に利用するエネルギーは（ エ ）という物質を介して供給される。（ エ ）は、アデニン、（ オ ）、3個のリン酸から構成される。（ エ ）が分解されて（ カ ）とリン酸になるとき、エネルギーが放出される。
ア：代謝 イ：同化 ウ：異化 エ：ATP（アデノシン三リン酸） オ：リボース カ：ADP（アデノシン二リン酸）
代謝の基本概念とATPの構造・はたらきに関する基本問題です。同化の代表例は光合成、異化の代表例は呼吸です。ATPはアデニン（塩基）＋リボース（五炭糖）＋リン酸×3で構成され、末端のリン酸が1つ外れるとADP（アデノシン二リン酸）になります。
ATPとエネルギーの流れに関する次の問いに答えよ。
(1) 植物の細胞において、ATPが合成される場所を2つ挙げ、それぞれどのような過程でATPが合成されるか簡潔に述べよ。
(2) 呼吸と燃焼はともに有機物を酸素で分解する反応であるが、生物が呼吸によってエネルギーを利用できる理由を、燃焼との違いに着目して50字以内で述べよ。
(3) 動物が生命活動に利用するエネルギーの大もとは何か。その理由とともに30字以内で述べよ。
(1)
・ミトコンドリア：呼吸によって有機物を分解し、放出されるエネルギーでATPを合成する。
・葉緑体：光合成の過程で光エネルギーを吸収し、ATPを合成する。
(2) 呼吸は多段階の化学反応で段階的にエネルギーを取り出し、ATPに蓄えることができるから。（43字）
(3) 太陽の光エネルギー。動物が利用する有機物は植物の光合成に由来するから。（29字）
(1) 植物細胞はミトコンドリアと葉緑体の両方をもっています。ミトコンドリアでは呼吸（異化）によって、葉緑体では光合成（同化の一部）によってATPが合成されます。なお、葉緑体で合成されたATPは光合成の後半（CO₂固定）に使われ、ミトコンドリアで合成されたATPが主に生命活動に使われます。
(2) 燃焼ではエネルギーが一気に熱と光に変わるため、生命活動には利用できません。呼吸では酵素によって反応が多段階に分けられ、少しずつエネルギーを取り出してATPに蓄えるため、細胞が必要なときに必要な量だけエネルギーを使えます。
(3) 動物は食物（有機物）を呼吸で分解してATPを得ますが、その有機物は直接的または間接的に植物が光合成で合成したものです。光合成は太陽の光エネルギーを化学エネルギーに変換する反応なので、大もとは太陽光です。
以下の文を読み、あとの問いに答えよ。
ある研究者が、植物の葉の細胞におけるエネルギーの流れを調べるため、以下の実験を行った。
【実験】同じ大きさの葉を2枚用意し、一方を十分な光のもとに（条件X）、もう一方を完全な暗所に（条件Y）置いた。一定時間後にそれぞれの葉のCO2吸収量を測定したところ、条件Xでは1時間あたり8 mgのCO2を吸収し、条件Yでは1時間あたり3 mgのCO2を放出した。
(1) 条件Yにおいて葉がCO2を放出する理由を述べよ。
(2) 条件Xにおける「見かけの光合成速度」と「真の光合成速度」をそれぞれ求めよ。
(3) 条件Xにおいて、葉緑体とミトコンドリアのそれぞれで合成されるATPの役割の違いを60字以内で述べよ。
(1) 暗所では光合成が行われないが、呼吸は行われるため、呼吸によってCO2が放出される。
(2) 見かけの光合成速度：8 mg CO2/時。真の光合成速度：8 + 3 = 11 mg CO2/時。
(3) 葉緑体で合成されるATPはおもにCO2固定（カルビン回路）に使われ、ミトコンドリアで合成されるATPは細胞のさまざまな生命活動に使われる。（60字）
(1) 植物の葉の細胞は光がなくても呼吸を続けています。呼吸はグルコースをCO2とH2Oに分解する異化反応であり、CO2が放出されます。
(2) 条件Y（暗所）では光合成が起こらないため、CO2放出量3 mg/時はそのまま呼吸速度を表します。条件X（明所）では光合成と呼吸が同時に起こっているため、外から見えるCO2吸収量（見かけの光合成速度）は8 mg/時です。真の光合成速度は「見かけの光合成速度＋呼吸速度」で求められるため、8 + 3 = 11 mg CO2/時です。
(3) 葉緑体のチラコイド膜で合成されるATPは、ストロマでのカルビン回路（CO2からグルコースを合成する反応）に使われます。一方、ミトコンドリアで呼吸によって合成されるATPは、物質合成・能動輸送・運動など細胞全般の生命活動に使われます。