高校生物のお勉強 エネルギーと代謝とATP・・・ZZZ(1)


どう書いていいのか
悩んでいます



 高校時代に習ったはずのことを結構キレイに忘れて毎日苦笑いしています。
 エネルギーと代謝について書こうと思ったのですが、これが理解できるようになるまでかなり手間を割かないといけないことがわかった!ちゃんと読んでもらえるんだろうか、自分はちゃんと書けるんだろうか、そもそも自分はわかっているのだろうか・・・と悩み迷っているのです。しかしある程度は順序立てて説明したほうがいいかなと判断して書くことにしました。
 で、今回は『生物基礎』(東京書籍)の「2章 生命活動とエネルギー」から「エネルギーと代謝」をご紹介。



エネルギーと代謝
(『生物基礎』(東京書籍))より



A 細胞内のエネルギー
 私たちが運動したり勉強したりすること、ホタルが光を出したりすること、体の中でいろいろな物質を合成することなど、すべての生命活動にはエネルギーが必要である。中学校では、活動に必要なエネルギーを得る方法として、細胞で行われている呼吸(細胞呼吸という)を学習した。有機物が分解され二酸化炭素と水ができる際にエネルギーが放出される反応である。実は、この反応で有機物から放出されたエネルギーは、生命活動に直接使われるのではなく、いったんATP(アデノシン三リン酸)と呼ばれる物質の合成に使われている。これは、有機物を分解して取り出したエネルギーをATPのごうせいをとおしてATPに移していることになる。
 ATPに移されたエネルギーは、ATPが分解されることで放出され、生命活動に直接利用される。ATPが分解すると、ADP(アデノシン二リン酸)とリン酸ができるが、これらの物質はATPの合成に再び利用される。
 生物がATPを合成するのは呼吸ばかりではない。例えば、光合成でも光のエネルギーを利用してATPが合成されている。このような特徴をもつATPは、大腸菌から植物、動物に至るまで、すべての生物が共通に持つ物質であり、生体内でのエネルギーの受け渡しを伴う反応に関係することから、エネルギーの通貨ともいわれる。
 B 代謝
 生体内では、ATPが関係する反応以外にも、物質の合成反応や分解反応など、さまざまな化学反応が行われている。このような生体内における化学反応をまとめて、代謝と呼んでいる。光合成も呼吸も代謝の1つである。



代謝とエネルギー 細胞内のエネルギー


B 呼吸
 私たちは空気を吸って、ハイで酸素を吸収し、二酸化炭素を放出する。この活動は、一般的には呼吸(外呼吸)と呼ばれているが、細胞が酸素を用いて有機物を分解してエネルギーを取り出し、二酸化炭素を放出するしくみも呼吸(細胞呼吸)と呼ばれる。細胞呼吸は、多くの酵素が関与して行われている化学反応である。
 多くの生物は、主要なエネルギー源としてグルコース(ブドウ糖)を利用している。グルコースは、酸素を用いて完全に分解される際に水と二酸化炭素を生成するとともにエネルギーを放出する。生物はこの化学反応により放出されたエネルギーの多くをATPの合成に使い、化学エネルギーとして蓄えている。細胞呼吸は原核細胞と真核細胞の両方で見られ、真核細胞ではミトコンドリアが重要な役割を果たしている。呼吸によるグルコースの分解反応全体をまとめると以下のようになる。

グルコース+O2→
CO2+H2O+エネルギー

 呼吸によるエネルギーの変換は、燃焼と比較すると理解しやすい。有機物の完全燃焼では、有機物に含まれる炭素は酸素と反応して二酸化炭素になり、有機物に含まれる水素は酸素と反応して水になる。その際に、化学エネルギーが熱エネルギーと光エネルギーに急速に変換される。一方、細胞呼吸は燃焼と同様に酸素を用いて二酸化炭素と水を生成する点は同じだが、いくつもの酵素による化学反応が連続して行われることにより、穏やかにエネルギーを放出する点が異なる。放出されたエネルギーは、最終的にはATPの合成に使用される。



ミトコンドリアの
構造とはたらき 呼吸
(COLUMNより)



 真核細胞のミトコンドリアにおいて、どのように呼吸の反応が行われているのだろうか。ミトコンドリアの構造と合わせてみてみよう。
 ミトコンドリアは球形あるいは円筒形で、2重の膜でできている。内側の膜にはクリステト呼ばれる内部に向かって陥入する構造がある。内膜の内側はマトリックスと呼ばれ、多くの酵素や独自のDNAが含まれている。
 呼吸の反応は、細胞質基質及びミトコンドリアで行われる。グルコース(C6H12O6)は、細胞質基質である程度分解された後、さらにミトコンドリア内で分解され、最終的に水と二酸化炭素がつくられる。これらの反応過程でATPが合成される。ATPの多くは、ミトコンドリアのクリス手で合成されている。これらの反応は次のようにまとめられる。

C6H12O6+6H2O+6O2→
6CO2+12H20+エネルギー(最大38ATP)

 細胞呼吸は、細胞質基質の解糖系と呼ばれる反応系、ミトコンドリアのマトリックスのクエン酸回路、内膜の電子伝達系の3つの反応系からなる。


ミトコンドリアの構造とはたらき クエン酸回路 電子伝達系


 下手くそながら作図してみましたが、高負荷の運動が主に解糖系、低~中負荷のそれでミトコンドリアも使う、ってことかな?



補足 ATPとは
なんじゃい



 さて色々と説明してきましたが、「そもそもATP(アデノシン三リン酸)って何なのさ?」という疑問が出てきました。『生物基礎』は高校1年生程度なのでその説明をしてくれませんでしたが・・・。



 アデノシン三リン酸 / ATP(あでのしんさんりんさん)
/ Adenosine TriPhosphate / ATP /
筋肉の収縮など生命活動で利用されるエネルギーの貯蔵・利用にかかわる。
「生体のエネルギー通貨」と呼ばれる。
アデノシン三リン酸(ATP)は、アデノシンという物質に3つのリン酸基(P)が結合しています。
ATP分解酵素の働きによってATPが加水分解すると、ひとつのリン酸基(P)がはずれてADP(アデノシン二リン酸)になり、その際にエネルギーを放出します。このエネルギーを使って筋の収縮が行われます。
筋繊維の中に蓄えられているATPの量はわずかなので、激しい運動では短時間で使い果たしてしまいます。したがって長時間運動を続けるには、ADPからATPを再合成してATPを供給し続けなければなりません。
この仕組みをエネルギー産生機構といいます。酸素を必要としない無酸素性(嫌気的)エネルギー産生機構と酸素を消費する有酸素性(好気的)エネルギー産生機構のふたつに大別され、前者はさらにクレアチンリン酸機構と乳酸性機構に分かれます。
http://www.e-healthnet.mhlw.go.jp/information/dictionary/exercise/ys-008.html



 

アデノシン三リン酸

アデノシン三リン酸(アデノシンさんリンさん、adenosine triphosphate)とは、アデノシンのリボース(=糖)に3分子の燐酸が付き、2個の高エネルギー燐酸結合をもつ化合物のこと[1]。IUPAC名としては「アデノシン 5'-三リン酸」。一般的には、「adenosine triphosphate」の下線部のアルファベットをとり、短縮形で「ATP(エー・ティー・ピー)」と呼ばれている。

概説

ATPは生体内に広く分布し、燐酸 1分子が離れたり結合したりすることで、エネルギーの放出・貯蔵、あるいは物質の代謝・合成の重要な役目を果たしている[1]ヌクレオチドである。すべての真核生物がこれを直接利用している。生物体内の存在量や物質代謝におけるその重要性から「生体のエネルギー通貨」と形容されている。

ATPの役割

ATPはエネルギーを要する生物体の反応素過程には必ず使用されている。ATPは哺乳類の骨格筋100 gあたり0.4 g程度存在する。反応・役割については以下のものがある。

解糖系 - グルコースのリン酸化など

筋収縮 - アクチン・ミオシンの収縮

能動輸送 - イオンポンプなど

生合成 - 糖新生、還元的クエン酸回路など

発光タンパク質 - ルシフェラーゼなど

発電 - 電気ウナギに見られる筋肉性発電装置

発熱 - 反応の余剰エネルギーなど

リン酸基の付加はリン酸基転移酵素(キナーゼ)によって行われる。また、ATP そのものも RNA合成の前駆体として利用されている。

また一方で、ATPは抑制性神経調節性伝達物質でもあり、活動電位に反応して神経から放出され、効果器に影響を与える。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A2%E3%83%87%E3%83%8E%E3%82%B7%E3%83%B3%E4%B8%89%E3%83%AA%E3%83%B3%E9%85%B8 



 確かに高校生向けの内容じゃないかも(苦笑)。しんどいかもしれませんが(何より私がしんどい!)もう少し続きます、ご容赦を。


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