エネルギーと代謝

第３講

基礎学

習

生物の体内での物質の変化とそれにともなう物質の出入りを代謝という。代謝における化学反応にはそれぞれ酵素がはたらき，代謝がスムーズに行われるように調節している。

1

代謝とは何か

生体内で行われる，物質を合成したり分解したりする化学反応の全体をまとめて代謝という。
●同化外から取り入れた物質を，生物が細胞内でからだをつくる物質や生命活動を進める物質に合成すること。
外から取り入れた簡単な物質 → からだをつくったり，生命活動を進めたりする複雑な物質を進めたりする
●異化

elp

分解す
からだをつくる物質（有機物）を，より簡単な物質に分解すること。
からだをつくる有機物 → より簡単な物質
質

2ma
S

代謝にともなうエネルギーの出入り
ネルギ
入りーの出
ネルギーの変換の面でとらえたものをーの変換の面でとらえた
ルギー
代謝を，エネルギーの出入りやエネルギーの変換の面でとらえたものを，エネルギー代謝という。のエネル
謝●同化・異化のエネルギー代謝…エ吸収反応 光合成の場合は，光エネルギーを吸収して行われる。
光合成の場合は，光エネル
光合成の場合は，光を吸収
同化…エネルギー吸収反応…
ー放出反応
放出反応 ここで放出されたエネルギーで生命活動を行う。
ここで放出
ここで放出されたエギーで生異化…エネルギー放出反応デノン酸）● ATP（アデノシン三リン酸）

いてギーの受けギーの受け渡しにする物質
代謝において，エネルギーの受け渡しに関係する物質（エネルギーの通貨の役割）
。
エネルギー
↓ADP
DP
（アデノシン二（アデノシン二リン酸）＋リン酸
ATP（アデノシン三リン酸）↓
エネルギー
ATP や ADP における，リン酸とリン酸の結合＝高エネルギーリン酸結合
同化と異化をまとめると下のようになる。
同化
（光合成）

光エネルギー

ADP

生命活動

ATPATP

エネルギー
CO2, H2O

18

エネルギー

異化
（呼吸）

ADP
エネルギー

有機物

有機物

無機物

3

ATP の構造ATP（アデノシン三リン酸）
は塩基のアデニンと糖のリボースからなるアデノシンと，3 分子のリン酸が結合した化合物である。ATP からリン酸が 1 つ外れたものは ADP（アデノシン二リン酸）とよばれる。リン酸
どうしの高エネルギーリン酸結合とよばれる結合にエネルギーが貯蔵される。
アデニン

リン酸

リボース

リン酸

リン酸

高エネルギーリン酸結合

アデノシン4酵素のはたらきelp

反応の活性化エネルギーを低下
ネル
生体内に存在するタンパク質のうちのあるものは，化学反応の活性化エネルギーを低下させ，反応速度を増加させる酵素としてはたらいている。
●触媒

い，基質したものを「生成物」という「生成物」という酵素が作用する物質を「基質」といい，基質が変化したものを「生成物」という。
時的に結合し，酵素−基質複合体となる。このことで酵素は酵素−基質複合体となる。このこ基質複合体となる。この→酵素の活性部位と基質は一時的に結合し，酵素−基質複合体となる。このことで酵素は基質に関す

maSる。
る化学反応を促進する。

ると酵素物と離れる。酵素そのものは変化しないる。酵素そのものは変触媒作→反応が終わると酵素は生成物と離れる。酵素そのものは変化しない。＝触媒作用ことでくり返し利用できる。
利用できる。
→このことで，酵素はくり返し利用できる。

一時的に結合一時的に結

基質基

酵
酵素

生成物

活性部位
活性ゼの例）
カタラーゼの触媒作用

カタラーゼは肝臓などに多く含まれる酵素

カタラーゼ
カタ2H2O2（過酸化水素）

で，有害な過酸化水素を分解して水と酸素を2H2O＋O2生じさせる。反応の前後でカタラーゼ自身は変化しない。

●基質特異性
酵素は作用する基質が決まっている。この性質を基質特異性という。
アミラーゼの基質：デンプン
ペプシン，トリプシンの基質：タンパク質
カタラーゼの基質：過酸化水素●酵素の存在場所
細胞外に分泌されてはたらく アミラーゼ，ペプシン，トリプシンなどの消化酵素（消化管へ分泌される）細胞小器官に含まれる
ミトコンドリア：呼吸に関係する酵素群
葉緑体：光合成に関係する酵素群

19

確
次の文を読んで，〔⑴〕という。

〕のうちで，外から物質を取り入れてからだをつくる物質を〔❸〕することを〔❻〕することを〔❹〕はエネルギー〔❽〕反応，〔❻〕という。この面から見〕はエネルギー〔❾〕で，ADP の正式名称は〔⓫ATP の正式名称は〔❿〕，〕という。

〕にともなうエネルギーの出入りやエネルギーの変換を特に
〔❼

ると〔❹
⑶

題〕の全体を〔❷逆にからだをつくる物質を〔❺⑵ 〔❷問〕にあてはまる語句や数字を答えよ。

生体内で行われるさまざまな〔❶〔❷認〕反応である。

〕
である。

次の反応式の⓬，⓮には ATP または ADP のどちらかを入れ，⓭にはあてはまる用語を答えなさい。
また，⓯にはエネルギーの出入りの方向（↑または↓）を入れなさい。
エネルギー〔⓯elpmaS〔⓬〔⓭⑷〕＋〔⓭〕
どうしの結合を〔⓰

下図は，〔❷〕〕 〔⓮〕〕という。

〕にともなうエネルギーの出入りについて，
ネルギりについて，いて，〔❹〔❹〕と〔❻〔❻〕に分けて図示し分たものである。図の⓱〜 に，エネルギーの出入りの方向エネル
出入りの方向向（↑または↓）を入れよ。
同化（光合成）成）

光エネルギー
光⓱
〔⓱ADP

生命活動
命活動〕

〔⓴ATP
TP〔⓲〔⓲エネルギーエネル〔エネルギーエ〔⓳⑸〔有機物有機物

下図は，ATP の構造を模式的に示したものである。
〔
下の語群から選んで答えよ。また，〔【語群】 リン酸

20リボース〕

エネルギー〕

CO2, H2O〕

ADPATP〕

異異化（呼吸）アデノシン〕〜〔〕
無機物〕にあてはまる適切な語句を，〕には結合の名称として適切な語句を答えよ。
アデニン

⑹

生体内に存在するさまざまな物質の 1 つに〔てはたらいており，化学反応の〔〕と い う。 酵 素 が 作 用 す る と き， 酵 素 と〔酵素が作用する物質を〔〕し，反応が終わると〔〔〕のうち，あるものは酵素とし〕作用という。

を酵素の〔⑺〕がある。
〔〕を低下させ，その結果として反応速度を増加させる。このこと〕は 一 時 的 に〕
。このため，酵素は何度でも反応にかかわり，反応を促進することができる。
下図は，酵素と〔〕の結合を模式的に示したものである。酵素と〔〕が形成される。
〔〔しないので，新たな〔〔〕が結合すると，〕が形成されたのち，生成物が生じる。酵素自体は反応の前後で変化〕と結合することができる。

〕
生成物
一時的に結合酵素⑻〕と の み 作 用 す る こ と を〔酵素が特定の〔〕，アミラーゼの〔〔〕は〔ある。
下図は，カタラーゼのゼの〔て，水と〔elp〕と い う。 カ タ ラ ー ゼ の〔〕，ペプシン・トリプシンのプシン・トリプシンの〔ma〕作用を模式的に示したものである。
式的に示したものであ 〔〕に分解される。にる。

S〕
は〔〕は〕
で〕
は，カタラーゼによっは，例）カタラーゼの触媒作用

カタラーゼ
カタ

2H2O2（過酸化水素）
酸化水素⑼

2H2O＋O2

酵素には局在性がある。例えば，アミラーゼやペプシン，トリプシンなどの消化酵素は，細胞内から〔〕へと分泌されてはたらく。また，呼吸に関する酵素は細胞内の〔〕の中に，〔〕〕（炭水化物）は，アミラーゼとマルターゼによって〔〕に関する酵素は葉緑体の中に局在している。
⑽

我々が食事をして取り込んだ〔（ブドウ糖）にまで分解され，小腸で毛細血管に取り込まれる。毛細血管に取り込まれた〔〕は細胞に取り込まれ，呼吸に関する酵素が局在している〔〕によって，二酸化炭素と〔解される。このように，ヒトの体では，細胞内と〔〕ではたらく酵素によって，生命活動に必要な〕にまで分エネルギーが取り出されている。

21

基本

問

題

1 生物体内の化学反応のほとんどは，酵素という特殊なタンパク質のはたらきにより営まれている。タン
パク質の長い鎖は，その同士の間に生じる相互作用によって折りたたまれ，立体的な構造をとる。酵素が作用する物質を基質といい，酵素は基質と結合して酵素−基質複合体をつくる。このとき直接結合して作用する部分のことをアという。一般に酵素が作用できる基質は厳密に決まっており，この性質をイ という。
⑴

文章中の空欄⑵

次のタンパク質のはたらきを，それぞれ簡潔な文章で説明せよ。
①⑶

アアミラーゼ， イ にあてはまる適切な語句を答えよ。
②

ペプシン③カタラーゼある真核細胞から精製した酵素Ｘの性質を調べた。一定の温度，基質濃度，酵素濃度の条件下で酵素反応を行ったところ，生成物 Y の量と反応時間との関係は図のようになった。この反応条件のうち，酵素濃度を２倍にした場合と酵素濃度を半分にした場合に，グラフが変化する。それぞれについて予想されるグラフを図中にかけ。ただし，これらの反応中，酵素Ｘのはたらきは安定しており，温度やpHらきは安定の変化はなかったものとする。

↑生成物の量︵相対値︶︶︶

YS0elpma時
時間→

学反応による物質の変化を物ア といい， ア には同化と異化がある。同化とは簡単な
2 生体内での化学反応による物質の変化を物質から複雑な物質を合成する過程であり，エネルギーイ 反応である。異化とは複雑な物質を簡単な質を合成する過程物質に分解する過程であり，エネルギーウであり，エ反応である。

細胞内におけるエネルギーの移動は ATP という物質を仲立ちとして行われる。ATP はアデニンとエが結合したアデノシンにオ分子のリン酸が結合した化合物である。ATP はすべての生物で利用されている物質であり，細胞内でさまざまな生命現象に用いられることから「エネルギーの通貨」ともいわれる。
③アデニンリン酸④リン酸リン酸②①エATP の模式図⑴

22

文章中の空欄ア〜 オ にあてはまる適切な語句や数値を答えよ。

⑵

図中の①〜④の結合の中で，高エネルギーリン酸結合になっている部分を過不足なく選び，記号で答えよ。

⑶⑵で選んだ部分のうち，ATP が ADP になるときに切断される部分を 1 つ選び，記号で答えよ。

⑷

ATP に関する説明として最も適当なものを，次のａ〜ｄから 1 つ選べ。
ａ

筋収縮や物質合成などさまざまな用途に使用される物質である。

ｂ

酵素の作用と関係なく合成される物質である。

ｃ

光学顕微鏡で構造が観察できる物質である。

ｄ

細胞内で合成されたものの大半は細胞外へ分泌され，周りの細胞にエネルギーが供給される。

3 うるち米のデンプンの粉に水を加えてけん濁したもの①と，酵素のアミラーゼを水に溶かしたもの②を混ぜて，37 ℃で１時間反応させても，デンプンはほとんど糖には分解されなかった。そこで，①，②の液をそれぞれ 40 ℃から 80 ℃の各温度で 10 分間温めてから，37 ℃にもどし，混合して１時間反応させ，デンプンの分解量を求めたところ，次の図のようになった。なお，ヒトの消化酵素は体温近くの温度で最的にそのはたも反応速度が大きくなり，ある程度以上の高温にさらされると不可逆的にそのはたらきを失うことがわかっている。
デンプンの分解量︵相対値︶

1007550250elpma
S
4050
60
100 分間温めた温度〔℃〕

70880

温度が度が 40 ℃から 50 ℃，60 ℃と上がる℃と上がるにしたがっ℃
10 分間温めた温度が℃と上がるにしたがって，デンプンの分解量が増加したの⑴

ようによると考えられるか。
よると考えられるか。
はどのような理由によると考えられるか。

ンを粉のままで，上と同じように温度をまで，上と同じように上と同40 ℃デンプンを粉のままで，上と同じように温度を℃から 80 ℃の各温度で 10 分間置き，その後，水⑵たものに②を混ぜて活性を測定してもを混ぜてを混ぜて活性をにけん濁したものに②を混ぜて活性を測定しても，デンプンの分解量は上昇しなかった。これはどのよ
る
れるかうな理由によると考えられるか。

た温度を 60 ℃から 70 ℃にするとデンプンの分解量が減少したのはどのような理由によ
10 分間温めた温度を⑶か。
ると考えられるか。
ち米の上で用いたうるち米のデンプンのかわりに，もち米のデンプンを使うと，より低温で10 分間温めて⑷もデンプンの分解量の上昇が見られた。これはどのような理由によると考えられるか。

23

演

習

問

題

1 〈消化酵素〉
私たちが食べる食物中のタンパク質は口でそしゃくされた後，胃，小腸ではたらくタンパク質分解酵素によって大まかに分解され，さらにペプチダーゼの作用で小さいペプチドやアミノ酸に分解された後，小腸の粘膜上皮から吸収されて栄養となる。
⑴①胃，②小腸ではたらくペプチダーゼ以外のタンパク質分解酵素を 1 種類ずつ答えよ。

⑵

胃の酵素を小腸の環境においても，逆に小腸の酵素を胃の環境においても酵素活性を示さない。それぞれの酵素がはたらかない理由を述べよ。
⑶

小腸に存在するペプチダーゼは基質分子であるグリシルグリシン（2 個のグリシンが結合した分子）を2 個のグリシン分子に加水分解できる。表は，10 μg のペプチダーゼを含む 1 mL の反応液において，グリシン分子が産生される速度〔μg/ 分〕をグリシルグリシンの濃度〔mg/mL〕を変えて測定した結果である。なお，1 mg は 1000 μg〔マイクログラム〕に相当する。グリシン 1 分子の重さはグリシルグリシン分子の半分とする。
基質濃度〔mg/mL〕

反応速度
速度〔μ〔μg/ 分〕

00.20.51.01.52.00254044749500elpmaS①

表のデータから基質濃度と反応速度の関係を示すグラフを下の図にかき込め。
質濃度度の関係を示すグラフを下の図にかきを示すグラフを下②表において，基質濃度が，基質濃度が 0.22 mg/mL
mL のときには 2.0 mg/mL
mg/m のときに比べて反応速度は半分であのときに比べてのとる。この理由を述べよ。の理由を③

この酵素反応をの酵素反応を 100 mL の反応液中で行い，10 分間で約分間で 40 mg のグリシンができるようにしたい。の
このために，表の基質濃度の中から反応速度が最も変化しにくい濃度を選んで，反応液に加えるグリために，表の基質濃度の中から反応速度が最も変化しにくの基質濃度の中から反応速度が最基質濃度の中から反応シルグリシンの量を答えよ。また，このとき反応液に何μgの酵素を加えたらよいか，答えよ。ただグリシンの量を答えよ。また，このとき反応液に何を答えよ。また，を答えよ。また，このとし，この条件下で反応速度の変化は無視できるものとする。の条件下で反応速度の変化は無視できるも応速度の変応速度の変化は無④

1.0 mg/mL
100 mL の反応液中で酵素反応を行い，50 mg のグリシン
mL の基質と適当量の酵素を含む適適当量のを産生させた。この段階での酵素反応速度を，最初の酵素反応速度を100 として求めよ。ただし小数た。この段階での酵素反応
階で点以下は四捨五入して整数で答えよ。
五入して整数で答24

2 〈代謝とエネルギー〉
生体内のエネルギー代謝では，ATP とよばれる化学物質がエネルギー通貨として重要な役割を果たしている。 ATP は，アデニン，リボース，リン酸が結合した化合物である。ATP のように，リン酸，糖および塩基が結合した物質はヌクレオチドと総称される。 ATP は，生体内で絶えず分解と合成を繰り返し生命活動を支えている。
これについて，次の問いに答えよ。
⑴

下線部

について，ATP を図示せよ。図示にあたっては下のパーツを用い，アデニン，リボース，リン酸のそれぞれが，どの順番で，いくつずつ結合しているかがわかるように示せ。
【パーツ】

リボース

アデニン⑵

elp

④か 1 つ選べ。
べ。
ATP に関する記述として最も適当なものを，次の①〜④から①リン酸に分解されるとき，エネルギーがれるとき，ATP は末端のリン酸が切り離され，ADP とリン酸に分解されるとき，エネルギーが放出される。

②とき，ーが放出される。
が放出される。
ADP とリン酸から ATP が合成されるとき，エネルギーが放出される。

③を用い水素を分解する。
解する。
カタラーゼは ATP のエネルギーを用いて過酸化水素を分解する。

④⑶

リン酸リン酸結。
ATP 内には高エネルギーリン酸結合が3 ヶ所ある。
下線部

ma

る哺乳類の場合，1，1 日に細胞に細胞 1 個当たり約 0.830.8 ng の ATP が利用について，ある哺乳類の場合，1が利用されている。

が 37 兆個の細胞からできているとすると，1からできているとすると，1きているとすると，1 日に利用される日に利用
日
ATP は何 kg か。なお，
この生物のからだがg＝0.0g である。
1 ng＝0.001 μg＝0.000001
mg
⑷

部
下線部

Sにある細胞では 1 時間に 4.2×104.2×1 −2 ng の ATP が使用について，ある細胞ではが使用されている。しかし，細胞内−4には 8.4×104ng という微量ないう微量な ATP しか存在しか存在していしか存在していない。その場合，1その場分子の ATP は 1 時間に何回合成と分解が繰り返されていると考えられるか。
分解
返されていると考えられるか。
されていると考えられ25