「生物基礎教科書解説」代謝・ATP・独立栄養生物と従属栄養生物

この記事では、生物基礎の第１章生物の特徴で登場する“代謝・ATP・独立栄養生物と従属栄養生物”の教科書解説を行っています。酵素や光合成・呼吸も同じく代謝に属しますが、これらは他の記事で紹介したいと思います。

代謝の基本

生体内での化学反応のことを、代謝と呼びます。そして、代謝には、光合成に代表されるような同化と、呼吸に代表されるような異化があります。

同化とは、生物の外界から取り入れた物質を生命活動に必要な物質に合成する反応過程のことです。ふつう、簡単な物質からより複雑な物質が合成されるような反応になります。この反応では、エネルギーは吸収される特徴があります。生物基礎で学ぶ同化には、光合成と窒素同化が該当します。

異化とは、体内の複雑な有機物がより簡単な物質に分解される反応過程のことです。異化では、エネルギーは放出される特徴があります。放出されたエネルギーは、ATPという化学物質に貯蔵することができます。生物基礎で学ぶ異化には、呼吸があります。

代謝には、同化と異化がある。
同化は、エネルギー吸収反応で、簡単な物質から複雑な物質をつくる反応。
異化は、エネルギー放出反応で、複雑な物質を簡単な物質に分解する反応。

ATPの構造

ATPとは、エネルギー物質のはたらきを持つ化学物質です。日本語表記では、「アデノシン三リン酸」と呼びます。ATPは、すべての生物で、代謝に伴うエネルギーの受け渡しを行います。

ATPの構造は、アデニン、リボース、３つのリン酸が結合したものになっています。ちなみに、アデニンは塩基という物質のグループに属し、リボースは糖の一種です。エネルギーはリン酸とリン酸の結合部分に蓄えられており、この結合のことを高エネルギーリン酸結合と呼びます。

図．ATPとADPの構造

ATPからリン酸が１つ外れると、ADPという化学物質になります。ADPの日本語表記は、「アデノシン二リン酸」です。ADPは高エネルギーリン酸結合を１つ持ちますが、高エネルギーリン酸結合を２つ持つATPに比べれば、当然エネルギー量は少ないことになります。

ATPの構造は必ず覚えておこう。センター試験などのマーク試験では、アデニン、リボース、リン酸の結合の順番がよく問われる。

ATPの役割

図．ATPとADPの反応

ある酵素の作用によってATPのリン酸が１つ外れてADPになるとき、エネルギーが放出されます。このエネルギーの量は、高エネルギーリン酸結合１つ分に相当します。放出されたエネルギーは、同化において単純な物質から複雑な物質をつくるときに用いられます。

逆に、ある酵素の作用によってADPに１つのリン酸が結合してATPになるとき、ATPにエネルギーが蓄えられます。蓄えられるエネルギー量は、高エネルギーリン酸結合１つ分に相当します。この反応は、異化で複雑な物質を分解するときに得られるエネルギーをATPに保存するときに起きます。ATPに保存されたエネルギーは、運動などの各種生命活動に利用されます。

ATPとADPの反応を、同化・異化の観点から見ると、下の図のようにまとめることができます。

図．同化と異化におけるエネルギーの流れ

ATPがADPになる化学反応、およびADPがATPになる化学反応は可逆的であり、生物のからだの中でに日常的に起きている反応である。
同化と異化では、エネルギーを使う流れが異なる。

独立栄養生物と従属栄養生物

図．独立栄養生物と従属栄養生物の同化と異化

独立栄養生物とは、光合成などの炭酸同化を行うことで、無機物から有機物を自身で合成できる生物のことを指します。独立栄養生物は、自身のつくった有機物を分解することで、ATPを合成します。

従属栄養生物とは、ほかの生物のつくった有機物を利用する生物のことを指します。従属栄養生物（一次消費者）は、独立栄養生物を摂食・消化して得られた単純な有機物をもとにして同化を行い、複雑な有機物をつくります。また、摂取した単純な有機物、あるいは合成した複雑な有機物を分解する過程で、ATPを合成します。