4. 大気と生物の関わり
植物の葉っぱは緑色
宇宙を構成する原子の 90％以上は水素ですから、誕生間もない 46 億年前には地球上も水素で被われた非常に還元性の高い環境でしたが、第 3 章の「冥王代の地球の大気」の節で見てきたように、気温が次第に下がるとともに酸素分子は還元されて水となり大気中にはほとんど存在しなくなりました。43 億年前の冥王代になるとさらに気温が下がり多量の
水蒸気は液化して、地表の約 70％が海で覆われました。二酸化炭素やシアン化水素や酢酸
やアンモニアなど表 3-2 に掲げた種々の星間物質も水に溶けて大気中から海の中に移動しましたから、炭酸やアデニンやグアニンが海の中に生成するとともに 38 億年前の太古代には海の中に生物も発生しました。それらの生物は還元性の高い環境で海の中に溶け込んでいる物質を変化させ、その時発生する反応熱を生命活動の維持に活用していたと思われます。
35 億年前の地層から生物由来のメタンが検出されたことから、誕生間もない生物の中にはメタン生成菌と呼ばれるメタンを生成する反応の反応熱を活力とする生物が生存していたと考えられます。太古代は還元性の高い環境でかなり高い濃度で水素が残存していたと思われ、メタン生成菌は図 4-1 に示すように水素と二酸化炭素の反応でメタンを排出していたと思われます。地球の進化に伴う環境の変化にも巧みに順応して、現在も変性嫌気性を示すこのメタン生成菌は現存していますが、現在の地球環境にはほとんど水素が存在しませんから、水素の供給を受けるために他の細菌類と共生しています。また、酢酸を分解してメタンと二酸化炭素を排出するメタン生成菌も現存しますのでそのメタン生成反応
も図 4-1 に示します。広島大学の西尾尚道教授が纏められた「化学と生物」誌の総説によれば、この酢酸の分解でメタンを排出するメタン生成菌は 7.6 kcal･mol-1 のエネルギーしか生命維持のために活用していません。後の「生物はブドウ糖をゆっくり燃やして活力に」活力として有効に得ています。

CH4

CO2

H2O

+

H2O

32.4kcal/mol

3H2O

+

+

CH4

+

CH3CO2H

H2O+

kcal･mol-1 のエネルギーを生命維持の

CO2

+

4H2

+

を酸化する過程で 16 倍以上の 125.0+の節で説明しますが、ブドウ糖を二酸化炭素まで酸化して棲息している多くの生物は酢酸

7.6kcal/mol

図 4-1 メタン生成菌の反応生成熱

38 億年前の太古代に二酸化炭素やアデニンの溶け込んでいる海の中に生物が発生しま
したが、その進化は遅々としたものでした。25～30 億年前ごろに太陽光のエネルギーを利用した二酸化炭素と水の反応により生命活動を営む単細胞の藍藻類（シアノバクテリア）が発生しました。藍藻類は細胞が藻のように集合して生活していますが、個々の細胞は独立してそれぞれフィコシアノビリンを介した太陽の光エネルギーの吸収による炭酸同化反応により生命活動を維持しています。フィコシアノビリンを構成する炭素と窒素と酸素の原子が図 3-18 に示されるようにクロロフィル a の赤色と青色で示す部分の原子と完全に同じ配列を持っています。これらのことからフィコシアノビリンはクロロフィル（葉緑素）
46

の原型と思われ、二酸化炭素の還元により生産されるブドウ糖を生命維持のための活力にする生物の進化の源流と思われます。
原子やイオンから電子を放出する反応を酸化反応といい電子を放出する物質を還元剤と定義しています。逆に、原子やイオンが電子を受け取る反応を還元反応といい電子を受け取る物質を酸化剤と定義しています。電子を供給する酸化反応が起こらなければ電子を受け取る還元反応は起こり得ませんし、電子を受け取る還元反応が起こらなければ電子を放出しても電子の行き場がなくなりますから酸化反応も起こり得ません。このように酸化反応と還元反応は電子の遣り取りですから、酸化反応が起こる系内では同時に還元反応が必ず進行します。酸化・還元反応する全ての物質は酸化する能力を示す固有の還元電位をそれぞれ持っており、大きな還元電位の値を持つ物質ほど還元されやすく高い酸化状態を示す酸化剤です。また、小さな還元電位を持つ物質は高い還元状態を示し、逆方向の酸化反応が容易に進行する還元剤です。ある還元電位 VO を持つ物質の酸化反応と、より大きな還元電位 VR の物質の還元反応の組み合わせでは、式 4-1 のように還元反応の還元電位VR から酸化反応の還元電位 VO を差し引いた値の電位差 V で電子が移動して、発熱を伴って容易に反応が進行します。逆に、ある還元電位を持つ物質の酸化反応と、より小さな還元電位の物質の還元反応の組み合わせは、電位差 V が負の値を示しますからそれに見合った電圧の電気エネルギーを加えなければ進行しない吸熱的な反応です。
式 4-1

V = VR − VO

植物の中では NADP 陽イオンと NADPH がそれぞれ酸化剤と還元剤として図 4-2 に示す
ように働き、生体内の各種の酸化反応と還元反応を橋渡しする役目を担っています。水が酸化されますと酸素と共に水素陽イオンと電子を生成しますが、同時にここで生成した水
素陽イオンと電子が NADP 陽イオンと反応して高い還元状態の NADPH に変化します。
NADP 陽イオンはベンゼンと同じような芳香族の性質を持つ安定な物質ですが、NADPH
は芳香族の共鳴安定化エネルギーを失いますから高い反応性を持つ物質です。図 4-2 に赤色字で示すように NADPH への還元反応には約 56kcal･mol-1 の大きなエネルギーを要しま
すが、植物は葉緑素を利用して効率よく吸収した太陽からの光エネルギーによりこの還元反応を進行させます。しかし、水の酸化と NADP 陽イオンの還R－56kcal/mol（燃焼）－22kcal/mol（生体内）

N

NH2

元と太陽からの光エネルギーの吸収が簡単な 1 段階の反応で進行するわけではなく、多くの物質が介在して進行する極めて複雑な連鎖的反応と考えられてい
ます。

H H

R
N

2e-

65kcal/mol（光）O NADPH

H+

NH2
+

H
O NADP
OPO3H2HOO O
OR:H2C O P O P O CH2 N
O
OH OH
N
HO OH

N
N
NH2

図 4-2 NADP 陽イオンと NADPH の酸化・還元平衡

実際、多くの植物は葉緑素を用いて太陽からの光エネルギーを効率よく吸収して高い還元状態の栄養物質を生産しています。図 4-3 には水の酸化による NADPH への還元反応
47

の複雑な過程を模式的に示し、そのそれぞれの素反応の還元電位も赤字で示しています。
酸素発生複合体の中の第 1 段階の反応では、1.51V の還元電位 VR を持つ高い酸化状態の
Mn3+が弱塩基性の水と反応して 0.82V の還元電位 VO を持つ酸素を発生すると共に水素陽イオンと Mn2+を生成します。このとき水の酸化により放出された電子は赤い矢印のように受け渡しされて Mn2+に還元されます。
Chla*
H2O

光

O

Mn

Chla

1.51V
Mn

2+

酸素発生
複合体

OH

OH

Chla

Fe2+

0.05V

O2 0.82V
3+

O

+

Cu

0.21V

2+

0.37V

Fe3+

Chlb*

FeS

光

-0.97V

Chlb+

Cu
プラスト シト
Chlb+
クロムf
プラスト クロロ
キノン
シアニン フィルb

フェレド
キシン

Fe

-0.32V NADPH
NADP+

クロロ
フィルa
図 4-3 葉緑素による水の酸化と電子伝達系

水と高い酸化状態の Mn3+の反応で生成した Mn2+はクロロフィル a の陽イオンに電子を受け渡して酸化され、元の状態の Mn3+に戻りますが、同時に電子を受け取ったクロロフィ
ル a の陽イオンも還元されてクロロフィル a に戻ります。Mn イオンが介在する 2 段階の反応により水の酸化で放出された電子はクロロフィル a に次々に受け渡しされてゆきます。
このような次々に電子を受け渡して行く変化は発熱反応ですから容易に進行しますが、還元電位が大きくなりますから、クロロフィル a の陽イオンは還元されやすく高い酸化状態を示します。そのため還元されたクロロフィル a にはもはや還元する能力がなく電子の受け渡しが容易には進行しません。
葉緑素に含まれる色素物質は図 3-20 に示すように長く共役した炭素＝炭素 2 重結合の電子が太陽の光エネルギーを吸収して反結合性の軌道に励起し、反応性が高くなった電子を近接する分子に与えて、色素分子は陽イオンに変化します。クロロフィル a が太陽の光エネルギーを吸収して炭素＝炭素 2 重結合の電子が反結合性の軌道に励起し、0.05V の還元電位 VR を持つプラストキノンに電子を与えてハイドロキノン型に還元されますが、同時にクロロフィル a は陽イオンに戻ります。さらに、ハイドロキノン型のプラストキノンからシトクロム f とプラストシアニンが介在して、クロロフィル b の陽イオンまで電子が受け渡されます。電子を受け取ったクロロフィル b の陽イオンは還元されてクロロフィル
b に戻りますが、かなり高い酸化状態を示します。クロロフィル a と同じようにクロロフ
ィル b も太陽の光エネルギーを吸収して炭素＝炭素 2 重結合を励起しますから、小さな還元電位を持つフェレドキシンに電子を受け渡します。この高い還元状態のフェレドキシン
は酸化・還元反応により NADP 陽イオンに電子を受け渡して NADPH を生成します。
植物が用いている葉緑素はいくつかの化合物の複合体ですが、その中心となるクロロ
フィル a とクロロフィル b は図 3-20 で赤色の太線で示すように 9 本の 2 重結合が環状に共役した 18π系の芳香族性を持つ構造を持っています。このクロロフィル a には共役した 948

つの 2 重結合が環状に結合していますから、428、530、575、615、661nm に極大吸収を持っています。さらに、図 3-20 の青色で示すようにこのポルフィリン環に含まれる 4 個の窒素原子とマグネシウム原子の間を結ぶ配位結合により、全ての 2 重結合を同一平面に固定する構造を持っていますから、約 100000L･mol-1cm-1 の分子吸光係数を持つと見積もることができます。この吸光係数から濃度が 0.001mol･L-1 の葉緑素が厚さ 0.2mm の葉の中に含まれていれば、太陽からの 428nm の光エネルギーを 99%まで定常的に効率良く吸収します。
クロロフィル b は同じ母核を持っていますが、R=CHO ですから若干共役系が異なるために、非常に大きな吸光係数を持つ吸収極大が 446nm に移動しています。これらのクロロフ
ィル a とクロロフィル b が吸収したそれぞれ 428nm と 446nm の光は式 3-13 に従えば約33kcal･mol-1 と 32kcal･mol-1 に相当し合計で図 4-2 の青色字で示すように 65 kcal･mol-1 になりますから、NADP 陽イオンから NADPH へのこの一連の還元反応に要する約 56kcal･mol1 の大きなエネルギーを充足します。

地表に届く太陽の光は 460nm で最も大きな強度を持ち波長が長くなるに連れて強度が小さくなっており、太陽の光の強度の大きな 400～500nm 領域の紫色から青色の光を吸収することにより、植物は太陽の光エネルギーを効率的に利用しています。この領域の色の光を吸収しますとその補色に相当する緑色から橙色の光が透過したり反射したりしてきま
すから、地球上の植物が太陽の光エネルギーを効率的に利用するために用いている葉緑素は緑色から黄色の色調を呈すると思われます。また、水は長波長の赤色の光を吸収してしまいますから、水深の深い所では波長の短い紫色の光をより効率的に吸収できるように褐
色の物質が用いられている褐藻類が繁茂しています。言い換えれば、地表に届く太陽光のスペクトルの影響を受けて地表の植物が緑色になっていると考えられます。

太陽光で二酸化炭素をブドウ糖へ
同じ方向に走行中の自動車同士の追突事故、反対方向に走行する自動車の正面衝突事
故、交差点での出会い頭の事故など自動車の数の増加とともに自動車同士の衝突事故が多くなります。交通量が多くなりますと交差点などでは複数台の自動車の巻き込まれる多重衝突事故が起こることもありますが、このような多重事故を詳細に調べますと、2 台の自動車が始めに衝突して進路上を塞ぐために、わずかに遅れて進入してきた自動車が巻き込まれるように連鎖的に衝突事故を起こしています。3 台の車が衝突する三重衝突でも、完全に同時に交差点に進入して三重衝突を起こす確率はほとんど皆無で、玉突き事故のように 2 つの衝突が短時間に複合的に起こるものと考えられます。基質 A に対して基質 B の関与する出会いの反応においては互いに衝突の機会が多いほど反応が速やかに進行しますから、この 2 種の基質がそれぞれ多ければ多いほど、その衝突する機会は多くなり反応は早く進行します。しかし、3 種以上の基質が同時に衝突して進行する反応は自動車の衝突事
故と同じように全く起こり得ないと考えられます。藍藻類から進化した植物では、葉緑素の働きで太陽光のエネルギーにより二酸化炭素や炭酸イオンからブドウ糖（C6H12O6）が49

生成すると考えられますが、そのとき 6 分子の二酸化炭素と 12 分子の NADPH が多重衝突する出会いの反応が進行しなければなりません。自動車の多重衝突の過程を考えれば二酸化炭素からブドウ糖が同時に多重衝突するとは考えられませんから、非常に複雑な多くの反応が連鎖的に進行してブドウ糖が生成してくるものと考えられます。
植物の中では図 3-20 に示すような葉緑素が太陽の光を効率よく吸収して得た光エネル
ギーで水を酸素まで酸化し、NADP 陽イオンを NADPH に還元します。この NADP 陽イオ
ンは図 4-2 に示すようにベンゼンと同じような芳香族の性質を持つ安定な物質ですが、NADPH は芳香族の共鳴安定化エネルギーを失いますから高い反応性を持つ物質です。表4-1 に掲げたように NADP 陽イオンの還元電位が－0.32V ですから、NADPH は高い還元状態の還元剤で、図 4-2 に示すように水素陽イオンと電子を放出して多くの物質を還元する
働きをします。
表 4-1 二酸化炭素と簡単な生体関連化合物の還元電位
反応++NADP + H + 2e－→ NADPH
CO2 + 2H+ + 2e－→HCOOH
6CO2 + 24H+ + 24e →C6H12O6 + 6H2O－

2CO2 + 12H+ + 12e－→CH3CH2OH + H2O

CO2 + 6H+ + 6e →CH3OH + H2O－

CO32－ + 8H+ + 6e－→CH3OH + 2H2O

CO2 + 8H+ + 8e－→CH4 + 2H2O
CO32－+ 6H+ + 4e－→HCHO + 2H2O
CO2 + 4H+ + 4e－→C + 2H2O
CO32－+ 8H+ + 6e－→CH3OH + 2H2O
CO32－+ 3H+ + 2e－→ HCO2－ + H2O

還元電位

-0.32
-0.20
-0.02
-0.09
0.01
0.04
0.16
0.20
0.21
0.21
0.31

反応
CH3CO2H + 2H+ + 2e－→CH3CHO + H2O
CH3CO2H + 4H+ + 4e－→CH3CH2OH + H2O

HCO2H + 2H+ + 2e－→HCHO + H2O
HCO2H + 4H+ + 4e－→CH3OH + H2O
CH3CHO + 2H+ + 2e－→CH3CH2OH
CH3COCO2H + 2H+ + 2e－→CH3CHOHCO2H

HCHO + 2H+ + 2e－→CH3OH
C + 4H+ + 4e－→ CH4
HO2CCH=CHCO2H + 2H+ + 2e－→(-CH2CO2H)2

CH3OH + 2H+ + 2e－→CH4 + H2O

還元電位

-0.17
0.01
0.03
0.05
0.21
0.23
0.23
0.13
0.44
0.59

第 3 章の「石灰石の生成」の節で見てきたように、地球誕生から 46 億年の間に大気中の二酸化炭素は水に溶けて炭酸イオンや炭酸水素イオンになりましたが、地表を被っている海の中には大量のカルシウムイオンが溶けていますから、炭酸カルシウムとして沈殿し石灰石や大理石などの堆積岩となって固定化されました。その結果、大気中に含まれている二酸化炭素の濃度も水の中に溶けている二酸化炭素や炭酸イオンや炭酸水素イオンの濃度も一定値に止まって平衡に達しています。このように地球上には常に二酸化炭素や炭酸
イオンや炭酸水素イオンが万遍なく存在しています。この二酸化炭素に水素イオンと電子が作用しますと還元状態の異なるギ酸（HCO2H）やホルムアルデヒド（HCHO）やメタノール（CH3OH）やメタン（CH4）に還元されますが、それらの化合物の還元電位を表 4-1の黄色地の中に掲げました。この表からも明らかなように何れの化合物も還元電位がNADP 陽イオンの還元電位よりも大きな値を示していますから、NADPH の働きで容易に二酸化炭素や炭酸イオンが還元されると考えられます。さらに、これらの化合物が縮合したと考えられるエタノール（CH3CH2OH）やブドウ糖（C6H12O6）への変化も進行することが示されます。表 4-1 にはこれらの縮合に関係すると思われる代表的な化合物の反応の50

還元電位を緑色地の中に併せて掲げました。これらの化合物と NADP 陽イオンの還元電位の比較から、NADPH は二酸化炭素を含めて炭素=酸素 2 重結合や炭素=炭素 2 重結合を還元する能力を持っていることがわかります。
お酒は全く酸っぱくありませんが、お酢はかなり酸っぱく感じます。分子の構造を調べてみますと、お酒の中のエタノール（CH3CH2OH）もお酢の中の酢酸（CH3COOH）も炭素原子に水酸基（-OH）が結合していますが、酸味の物差しとなる酸性度には大きな違いがあります。Brønsted の定義によれば酸の解離反応は可逆平衡ですから、式 3-8 および
図 3-5 から明らかなように小さな自由エネルギー変化ΔG の違いで酸の強さが影響します。
酸が解離して図 3-4 の系 B に相当する生成する陰イオンが安定であればあるほど自由エネ
ルギー変化ΔG 大きくなりますから解離し易くなり、強い酸性を示します。図 4-4 に示すように 2 重結合と電子対あるいは 2 重結合同士は側面で相互作用をします。このような相互作用を共鳴といい、H

僅かながらも結合エネ
ルギーに安定化が起こります。カルボン酸が

H3C

C

H

H
OH

H3C

H

エタノール

H3C

C

H
C

O
O

C

O
H
OH

H3C

H

C

O

H3C

エトキシ基

O

解離して生成するカル
ボキシルラート（カル

H

O
O

C

H3C

O

ボン酸陰イオン）は、

酢酸

炭素＝酸素 2 重結合と陰

図 4-4 酢酸の解離とアセトキシ陰イオンの安定化

アセトキシ基イオンになった酸素の電子対との間の共鳴により大きく安定化します。そのため、酢酸な
どのカルボン酸類は比較的解離し易く、小さな pKa を示します。それに対して、アルコー
ル類が解離して生成するアルコキシラートではこのような安定化の要因はほとんどありませんから、エタノールなどのアルコール類では弱い酸性しか示しません。炭素＝酸素 2 重結合と陰イオンになった酸素の電子対との間の共鳴により大きく安定化しているために、カルボン酸は解離し易く比較的強い酸性を示しています。つまり、共鳴による安定化がお酒とお酢の味の違いを引き起こしていることになります。
炭素＝酸素 2 重結合の隣の炭素に水素がO結合している場合にも、共鳴による安定化がC

H

同じように起こりますから、僅かながら水素

O
CH3

H

C

アセトアルデヒド

陽イオンを解離します。結果として陰イオンH

ろしている炭素＝酸素 2 重結合に付加反応

C

C

H

H

H

し、2 分子の炭素＝酸素 2 重結合化合物からO

炭素－炭素結合が新たに結ばれ 2 量化しまHす。炭素＝酸素 2 重結合を持つアセトアルデ

C C H
H

H

H
O

O

になった 2 重結合の隣の炭素が近くにうろう

C

H

C

CH3

O

OH

C

CH
C
CH3
H2

アルドール

図 4-5 アルドール反応の機構

ヒドにおいてこの反応が進行しますと、図 451

H5 ようにアルドールが生成しますので、この炭素－炭素結合の形成反応をアルドール反応と呼んでいます。水素を持った炭素が隣接して結合する炭素＝酸素 2 重結合化合物であれば、このようなアルドール反応は酸性条件でも、塩基性条件でも容易に進行します。このアルドール型の反応は極めて小さな自由エネルギー変化の容易に進行する平衡反応で、反応条件が極めて温和なため、生体を構成する多くの物質はこの反応で生産されています。
二酸化炭素からブドウ糖への反応の過程でも、アルドール縮合型の反応とその逆反応
H2C OHH2C OHH2C OH
O C
HO C
HO CH
HO CH
HO C
O C
異性化反応
異性化反応
HC OH
HC OH
HC OH
H2C OHH2C OHH2C OH

二酸化炭素
六炭糖6a

三炭糖3a-c

五炭糖5a-c

5a

5b

5c

縮合反応

CO2

H2C OH NADPH
H2C OHHC OH還元反応
HO C CO2H
HC O
H 3a

H2C OHHO C CO2H
グリセルアルデヒド3b
O C
H2O
O C OH
O CH
HC OH
NADPH
HC OH 加水分解反応
HC OH
H2C OH
還元反応
H2C OHH2C OH6a

三炭糖3a-c二炭糖

グリセルアルデヒド3b

3a

異性化反応

六炭糖6b

七炭糖

四炭糖
ブドウ糖

H2C OHH2C OH
CH O
C O
C O
HC OH
異性化反応
縮合反応
H2C OH
HC OH
HC OH
3c
CH
HO
CH
HO
CH
O
HC OH
HC OH
HC OH
H2C OHH2C OHH2C OH

グリセルアルデヒド3b

図 4-6 炭酸同化反応の概略

6b

ブドウ糖

図 4-7 炭酸同化反応の一部分が複雑に組み合わされていることが知られています。植物中でブドウ糖が生産される時に経過すると考えられる多段階の複雑な反応過程を図 4-6 にまとめました。図 3-10 に示した
二酸化炭素の炭素＝酸素 2 重結合に水が付加して炭酸になったように、5 炭糖の 2 重結合の隣の炭素が陰イオンになって二酸化炭素の炭素＝酸素 2 重結合に付加反応し、二酸化炭素を系内に取り込みます。特に赤色字と赤色線で表した五炭糖に二酸化炭素が取り込まれて、三炭糖のグリセルアルデヒドの 2 分子への変化を経てブドウ糖を生成する過程を図 47 に示しておきます。その過程においてカルボン酸の部分が NADPH によりアルデヒドに還元されてゆきます。この概略の一連の反応が 6 周する間に 6 分子の二酸化炭素が取り込
まれて 1 分子のブドウ糖が生合成されます。結局、6 分子の二酸化炭素がブドウ糖に変化するためには 12 分子の NADPH による還元が必要であり、全て太陽光による水の酸素への酸化反応により供給されています。
生物が生命活動を維持するために用いている多くの物質は有機物あるいは有機化合物
52と呼ばれ、炭素原子を中心に水素や酸素や窒素などの原子が共有結合で結ばれた構造の分
表 4-2 簡単な生体関連化合物の燃焼熱子で構成されています。
炭素や水素や窒素などのNADPH 必要量

原子で構成するこれらの化合物

多くの有機化合物を完全

酢酸
ブタン酸
プロピオン酸プロパン
メタン
エタン
プロパノールエタノール
アセトアルデヒド
ブドウ糖に燃やしてそれぞれ二酸
化炭素や水や窒素分子などに変化させるときに発生する燃焼熱が測定されています。このように燃焼熱は有機化合物の持つ有効に利用し得るエネル
ギーの量を表す尺度ですから、生体に関連する有機化合物の燃焼熱を表 4-2に纏めました。例えばプロパンガス（C3H8 ）を完全に燃やして二酸化炭素

グリセルアルデヒド

果糖
メタノール
ギ酸
ホルムアルデヒド

CO2 + H2O + 134.1 kcal/mol

CH2O + O2
ホルムアルデヒドと水に変化させるときのC3H6O3 + 3O2

燃焼熱が 530.6kcal･mol-1 とグリセルアルデヒド

報告されていますから、

C6H12O6 + 6O2

20℃の水 1L を薬缶に入れブドウ糖て熱効率 50%のコンロで

mol
4
10
7
10
4
7
9
6
5
12
6
12
3
1
2

燃焼熱
kcal･mol-1 kcal･NADPH-1
208.7
52.2
522.2
52.2
365.8
52.3
530.6
53.1
212.8
53.2
372.8
53.3
482.2
53.6
326.7
54.4
278.6
55.7
673.0
56.2
338.1
56.4
676.3
56.4
173.6
57.9
62.9
62.9
134.1
67.1

3CO2 + 3H2O + 338.1 kcal/mol
6CO2 + 6H2O + 673.0 kcal/mol

図 4-8 アルデヒド類とブドウ糖の燃焼熱

6.8L（13g）以上のプロパンガスを燃やせば沸騰すると予想できます。同じように、ホルムアルデヒドとグリセルアルデヒドとブドウ糖が 134.1 と 338.1 と 673.0 kcal･mol-1 の燃焼熱を発生するという報告から、これらの化合物と二酸化炭素の関係をそれぞれ図 4-8 のよ
うに表すことができます。この図が示すようにアルデヒド類やブドウ糖から二酸化炭素への右方向の反応は発熱反応ですから容易に進行します。
さらに、それらの化合物の生成に要する NADPH の量を基に、1mol の NADPH で作られる化合物が発熱し得る燃焼熱も算出して併せて表 4-2 に掲げました。二酸化炭素を原料にしますと、この表で示すようにホルムアルデヒドやギ酸やメタノールは NADPH を介して太陽からの光エネルギーを効率よく蓄える化合物ですが、これらの分子は小さく生体内に貯蔵することが難しいと考えられます。これらに次いで果糖やグリセルアルデヒドやブドウ糖などのホルムアルデヒドの縮合した化合物は NADPH を介して太陽からの光エネル
ギーを効率よく蓄えますし、生体内で貯蔵することも容易ですから植物が利用したと考え
られます。
53

植物の中では太陽の光を吸収して、水が酸化され、NADP 陽イオンが NADPH まで還元されます。高い還元状態にあり高い反応性を持つこの NADPH が炭酸同化反応の一連の反応のうちでカルボン酸をアルデヒドに還元する還元剤として働き、地球上に常に広く存在している二酸化炭素が還元されて固定化されてゆきます。ホルムアルデヒドの縮合した果糖やグリセルアルデヒドやブドウ糖などが NADPH を介して太陽からの光エネルギーを効率よく蓄えますから、植物は NADPH を介してブドウ糖や果糖などのホルムアルデヒドの縮合した炭水化物と呼ばれる化合物として多くの太陽からの光エネルギーを蓄えます。特にブドウ糖は 6 員環構造により安定化していますから、太陽からの光エネルギーを蓄える
最適の物質と考えられ、生合成された沢山のブドウ糖を鎖状に長く繋げてゆくことによりセルロースの形で植物は幹や枝や葉を作り、でんぷんとして栄養を芋や種子などの形で貯蔵しています。

酸素無しで棲息する太古の生物
25～30 億年前ごろに太陽光のエネルギーを利用した二酸化炭素と水の反応により生命活動を営む単細胞の藍藻類（シアノバクテリア）が発生しました。藍藻類はフィコシアノ
ビリンを介した太陽の光エネルギーの吸収による炭酸同化反応により生命活動を維持しています。氷河期の終わりとともに環境に恵まれてこの藍藻類が爆発的に繁殖しましたので、二酸化炭素が急激に減少するとともに酸素が大量に排出され、地球の歴史の前半には大気中にほとんど存在しなかった酸素が 23~25 億年前の期間に急激に増加しましたが、その割合はわずか 0.2％に過ぎませんでした。フィコシアノビリンはクロロフィル（葉緑素）の原型と思われ、その後、二酸化炭素の還元により生産されるブドウ糖を生命維持のための活力にする生物への進化が続き次第に大気中の酸素は増加しましたがその速度は遅く、約17 億年間の長い歳月は大気中に酸素の少ない還元的な雰囲気の状態が続きました。現在の地球の大気のような約 80％の窒素分子と約 20％の酸素分子で構成される酸化的な雰囲気の大気の状態に 6 億年前の古生代に到達しました。
6 億年前の古生代になるまでの長い還元的な雰囲気の期間に棲息していた生物は、炭酸同化反応で生産されるブドウ糖をどのように生命維持のための活力に変えてきたのでしょうか。遠い昔に進化してしかも現在においても生き長らえている化石的な生物の生き様を見れば明らかになるのではないでしょうか。地球環境が現代とは大きく異なって還元性の高い環境の太古代の昔から、生き延びてきた微生物は大気中の酸素の有無など環境の変化に徐々に適応してきましたから、多少異なった反応過程により生命活動を維持するための活力を生み出しています。活力を生み出す過程の違いから、微生物は酸素が生命維持を阻害し死滅する偏性嫌気性生物と酸素の存在が生命維持に影響を与えない耐気性生物と酸素を生命の維持に利用できる通性嫌気性生物と生命活動を維持するために酸素の存在が必須
な偏性好気性生物に大別されます。多くの茸や黴や菌などは偏性嫌気性生物や通性嫌気性生物で、生命維持のための活力を得るために酸素を必要としない機構や組織を持っていま54す。
お酒やお酢を造る技術は有史以前から人間が身に付けていた文明で、穀類のでんぷん
や果物の糖類などを微生物の助けを借りてエタノールや酢酸に変化させてきました。地球上に広く棲息している酵母 (イースト)はブドウ糖を図 4-9 の赤色で示すようにエタノールと二酸化炭素に分解して生命活動を維持しています。図 4-9 に示すように 2 モルの ATP と反応してブドウ糖が ADP とブドウ糖のリン酸エステルに変化するときに、エネルギーを
H H

発生するとともに分解分解した 3 炭糖はNADP 陽 イ オ ン をともに、脱水を伴い 2

PO3H2
O

ATP とピルビン酸を生

C

H

H2O3P

O

H

H

C

C H
H

NADP+
-NADPH
H
C
C

H

H

C

-H2O
O

O

PO3H2

H

O

C

O H
OH C

C

C

HO

H

OH

H

C

ADP/-ATP

OH

PO3H2

H

O

C

OH

PO3H2
O

C
OH

C

PO3H2 OONADP 陽イオンからそADP/-ATP

れぞれ 2 モルの ATP と二酸化炭素に分解されH

H

ATP/-ADPOHに 2 モ ル の ADP とでアセトアルデヒドと

H C

NADP+
-NADPH

成していますが、同時ルビン酸は酵素の働き

H

O

C

H

O

この一連の反応によりさらに生成したピ

H

H
OH
C

H

成します。図 4-9 に示す

NADPH を生成します。

H O
C C
C
HO H
C
HO
C H
C
OH

ATP
-ADP

PO3H2

H

モルの ADP と反応してモルのピルビン酸を生

HO

H ぶどう糖 OH

C

1 モルのブドウ糖から 2

H2O3P

H O
C C
C
HO H
C
HO
C H
C
OH

反応を活性化します。

NADPH まで還元すると

H H

HO

H

HO

H
C

H

C H
H

エタノール

H

H

NADPH C-NADP+ C
O

H

H

CO2

H

O

H
C

H

C

アセトアルデヒド ピルビン酸

C
O

H

NADPH
-NADP+
OH

HO

H
C
C

乳酸

H
H
C

OH

O

図 4-9 解糖反応の機構

ますが、ブドウ糖からピルビン酸への分解の過程で副生した NADPH が過剰に存在しますからアセトアルデヒドと反応して NADP 陽イオンを再生するとともにエタノールに還元します。この一連の変化は一部の過程では酸化・還元反応が含まれていますが経過する一連の変化が酸化・還元反応の関わらない分解反応で活力を得ていることになります。1 モルのブドウ糖から 2 モルのエタノールと二酸化炭素に分解する反応は全く酸素を必要とせず、
2 モルの ADP がリン酸と縮合して 2 モルの ATP を残します。第 3 章の「アデニンの生成」の節で見てきたように地球の誕生当時に大気中に存在していたと思われるシアン化水素が縮合して海の中にアデニンが生成しました。このアデニンのリン酸エステルの ADP（アデノシン二リン酸）は図 4-10 に示すようにリン酸との 7.29kcal/mol の吸熱的な反応により
55

ATP（アデノシン三リン酸）に変化しますが、この反応は平衡反応ですから、ATP から
ADP へ戻るときに 7.29kcal･mol-1 のエネルギーを放出します。言い換えれば酸素の存在のNH2

有無にかかわらず、酵母は 1 モルのブドウN糖を分解して ATP の形で 14.58kcal を得て生命維持の活力にしています。嫌気性生物はO
HO

酸素を生命の維持に利用できませんから、

P

O

OH

経過する一連の変化の一部の過程では酸

N

O
P

O

O

OH
H

ADP

N
N

H

H

+ 7.29kcal/mol

OH

H
OH

NH2

化・還元反応が含まれていますが、ブドウ

N

N

H2O H3PO4糖から分解生成物への一連の反応は系全体
Oとして全く酸化も還元もされていません。

HO

漬物やヨーグルトを作るために利用し

P
OH

O
O

P

O

OH

ATP

ている乳酸菌も図 4-9 に示すようにブドウ

N

O
P

O

N

O

OH
H

H

H

OH

H
OH

図 4-10 ADP-ATP 間の反応

糖をを分解する過程で、1 モルのブドウ糖と 2 モルの ADP と 2 モルの NADP 陽イオンからピルビン酸と ATP と NADPH をそれぞれ
2 モルずつ生産します。乳酸菌は酸素の酸化に頼らない嫌気性生物ですから NADP 陽イオ
ンが組織内に不足しており、ブドウ糖が消費されて生成するピルビン酸は図 4-9 の青色で示すように還元されて、乳酸が代謝されますから糠味噌の古漬けもヨーグルトも若干酸味を示します。乳酸菌は生命活動を維持するために 1 モルのブドウ糖から 2 モルの乳酸を生産していますが、ブドウ糖の分解の過程で副生した NADPH が過剰に存在しますからピルピン酸から乳酸への還元反応の過程で NADP 陽イオンが再生補給されます。ブドウ糖の分解によるピルビン酸への変化を経由して乳酸への還元までの分解過程を総括しますと、一部の過程では酸化・還元反応が含まれていますがブドウ糖から乳酸への一連の反応は系全体として全く酸化も還元もされていません。1 モルのブドウ糖から 2 モルの乳酸に変化する過程で、2 モルの ATP を生成しますから、乳酸発酵する生物は活力として利用しうる
14.58kcal のエネルギーを生み出すことを意味しています。このように酸素の無い太古代の昔から酸素に覆われた現代まで大きく変化する環境の中を生き永らえてきた乳酸菌はこのエネルギーを活力として酸素を必要とせずに生命活動を維持できる機構を持つ組織になっています。

生物はブドウ糖をゆっくり燃やして活力に沢山のブドウ糖が長く鎖状に結合したセルロースと呼ばれる物質でできた枯葉や薪は
光と熱を発し赤色の炎を上げて燃えます。角砂糖はブドウ糖と果糖が縮合した砂糖をサイコロ状に固めたものですから、枯葉や薪と同じように点火すれば高熱を発しながらユラユ
ラと赤い炎を上げて燃えて、炭素と水素の元素は二酸化炭素と水にそれぞれ変化してゆくと思われます。大学時代に著者が煙草を燻らせながら友人とバーでお酒を飲んでいるときに、友人が座興で角砂糖に火を点けてみろよと持ち掛けてきました。当時のバーには必ず
56

角砂糖が置いてありましたから、マッチ 10 本ほどで試してみましたが全く燃え点きませんでした。友人は少量の煙草の灰を擦り付けてマッチ 1 本で見事に点火させ、図 4-11 のよ
うに角砂糖がユラユラと赤い炎を上げながら薄暗いバーの中で燃える余興を見せてくれました。お酒を飲みながらの座興とはかくの如きものかと大いに感心しつつ、少しのおまじないで炭素と水素と酸素の元素からなる純粋の砂糖もよく燃えることを改めて知りました。

図 4-11 角砂糖を燃やす実験
太陽からの宇宙線や紫外線が吸収されることなく地表に降り注いでいましたから、6 億年前の古生代になるまでの長い還元的な雰囲気の期間の陸上は生物の棲息できる環境ではありませんでした。二酸化炭素の還元により生産されるブドウ糖を生命維持のための活力にする生物への進化は続き、次第に大気中の酸素が増加し蓄積して、6 億年前の古生代に約 80％の窒素と約 20％の酸素で構成される現在の地球のような酸化的な雰囲気の大気の状態になりました。酸素分子やオゾンは生物に有害な宇宙線や紫外線を吸収しますから、
約 4 億年前に陸上での生物の棲息が可能になり、しかも強い太陽光が降り注ぎますから炭酸同化反応に有利な生活環境になりました。植物は光合成でブドウ糖を生産していますか
ら当然そのブドウ糖を基本としたでんぷんや糖類などの炭水化物を分解して生命の維持をしていますが、植物の生産したでんぷんや糖類を動物も摂取し分解して生活しています。
OC OH
C6H12O6
2 H3C C
6CO2 + 6H2O + 227.0kcal/mol
ブドウ糖
O
H OH
ピルビン酸
C OH
2 H3C C+ 14.6kcal/mol
乳酸 O
2C2H5OH + 2CO2 + 14.6kcal/mol
エタノール

2CH3CO2H + 2CO2 + 102.0kcal/mol
酢酸

図 4-12 乳酸発酵とアルコール発酵と酢酸発酵の反応熱
大気中に充分な酸素が存在する環境ではブドウ糖は燃焼熱 673.0kcal･mol-1 のエネルギーを有効に利用できますが、前節の「酸素無しで棲息する太古の生物」で見てきたように、無酸素の環境の太古から生き延びてきた酵母（イースト）は図 4-12 の赤色文字で示すように、アルコール発酵するときにブドウ糖が持つ 673.0kcal･mol-1 の燃焼熱のわずか 2%に相当する 14.6kcal･mol-1 しか生命活動を維持するための活力として利用せずに大部分を美味し57

いエタノールの形のままで飲み残しています。同様に図 4-12 の青色文字で示すように乳酸菌もブドウ糖が持つ 673.0kcal･mol-1 の燃焼熱のわずか 2%に相当する 14.6kcal･mol-1 しか生命活動を維持するための活力として利用せずに大部分を食べ残しています。
地球誕生から長い年月にわたり非常に還元性の高い環境で、酸素分子は還元されて水になり大気中にはほとんど酸素分子が存在していませんでした。その後、二酸化炭素の還元により生産されるブドウ糖を生命維持のための活力にする生物への進化が続き次第に大気中の酸素は増加しましたがその速度は遅く、約 17 億年間の長い歳月は大気中に酸素の少ない還元的な雰囲気の状態が続きました。酵母より遅れて誕生した酢酸菌は大気中に若干の酸素を含む環境の中で、部分的に酸化反応を取り入れてわずかながら熱効率の良い酢
酸発酵するように進化してきました。酢酸菌は図 4-9 の黒色で示すようにブドウ糖の分解する過程で、1 モルのブドウ糖と 2 モルの ADP と 2 モルの NADP 陽イオンからピルビン酸と ATP と NADPH をそれぞれ 2 モルずつ生産しますが、酵母と同じように生成したピルビン酸は酵素の働きでアセトアルデヒドと二酸化炭素に分解されます。大気中に若干含まれるようになった酸素により同時に生成した NADPH は図 4-2 に示す発熱反応により NADP
陽イオンに変化しますから、図 4-9 の緑色で示すようにアセトアルデヒドは 1 モルの NADP
陽イオンにより NADPH の生成とともに酢酸に酸化されます。酢酸発酵と呼ばれるこの一連の変化は、1 モルのブドウ糖から 2 モルの二酸化炭素の発生を伴い 2 モルの酢酸を生産していますが、ブドウ糖からピルビン酸への分解の過程の他にピルピン酸から酢酸と二酸
化炭素への分解の過程でも NADP 陽イオンが消費されて NADPH が生成します。ブドウ糖の分解によるピルビン酸への変化を経由して酢酸と二酸化炭素への分解過程を総括しますと、1 モルのブドウ糖から 2 モルずつの酢酸と二酸化炭素に変化する過程で、2 モルの ATPと 4 モルの NADPH を生成します。図 4-2 に示すように NADPH はその還元反応に必要なエネルギーを 3 モルの ATP の形で 21.9kcal･mol-1 含んでいますから、酢酸発酵する生物は活力として利用しうる 102.0kcal のエネルギーを生み出すことを意味しています。酢酸菌は環境に即して図 4-12 の緑色文字で示すように酢酸発酵するときにはブドウ糖の持つ 674kcal･
mol-1 の燃焼熱の 15%に相当する 102.0kcal･mol-1 を生命活動の維持のための活力として利用していますが、お寿司に欠かせない酢酸を食べ残しています。
大気中に若干含まれる酸素により NADPH を酸化して NADP 陽イオンを生成し、酢酸菌は部分的に酸化反応を取り入れて熱効率の良い酢酸発酵をするように進化しました。この大気中の酸素による NADPH の NADP 陽イオンへの酸化反応は図 4-13 に示すような極めて複雑な一連の反応で進行すると考えられています。酸素は図 4-13 の赤字で示す還元電位を持っていますが、より小さな還元電位を持つ第一鉄イオンは高い還元状態を示しますか
ら、赤色の矢印で示すように第二鉄イオンに容易に酸化します。さらに酸化された鉄イオ
ンはユビキノール（還元型ビタミン Q）を酸化してユビキノン（ビタミン Q）に変化させます。ユビキノンからビタミン B2（FAD）の酸化・還元過程を経て、NADPH から NADP
陽イオンへの変化まで酸化状態を伝達してゆきます。図 4-13 に示すように酸素分子から水
58への還元反応と NADPH から NADP 陽イオンへの酸化反応の還元電位と酸化電位がそれぞれ 0.82V と -0.32V ですから式 4-1 に従って 56kcal･mol-1 の発熱反応が自働的に進行します。
O

2Fe2+

1/2O2

H3CO

R1

H3C

H
N

H3CO

CH3

H3C

N

0.46V

0.49-0.80V
2Fe3+

H2O

R1:

C
H2

C
H

C

C
H2

H

R2:

R

OH

H3CO

R1

H3C

N

H3CO

CH3

H3C

N

6-10

N
N

+
O NADP

H
R3

NH

N
NH2

O
H H

R

OH

O
O
H2 H OHH H2O
C C C C C O P O P O CH2OH OH
OHH OH

NH2-0.32V

O

N

N

O

2

FAD
HO

CH3

N
H

0.41V

ユビキノール OH

H2
C

NH

2

FADH2

ユビキノン O

0.82V

R3

O

O

HO
N

R3:
N

NH2

HO

O
O
O
H2C O P O P O CH2
O
OH OH
OH

NADPH
OPO3H2
N
N

N
N
NH2

図 4-13 酸素による NADPH の酸化反応
生体内で酸素などにより NADPH から NADP 陽イオンを生成する図 4-2 の右方向の反応は緑色字で示すように 21.87 kcal･mol-1 の発熱反応ですし、左方向の反応は吸熱的な反応と要約できます。図 4-3 に示した光化学反応において葉緑素のクロロフィル a とクロロフィ
ル b が吸収したそれぞれ 428nm と 446nm の光は式 4-1 に従えば約 33kcal･mol-1 と 32kcal･
mol-1 に相当しますから、図 4-2 の左方向の反応が進行して水から酸素への酸化反応が進行すると思われます。言い換えれば NADPH と NADP 陽イオンは生体内で光合成によるブドウ糖の合成やアルデヒドの酸化や 2 重結合の還元などあらゆる酸化・還元反応の触媒の役
目をする補酵素として働いています。
大気中に酸素を充分には含まない還元的な環境に棲息していた生物はブドウ糖をピルビン酸まで分解し、発生する僅かなエネルギーを主に活力にして棲息していましたので、潜在的にブドウ糖が持つ 673kcal･mol-1 の燃焼熱の大部分をエタノールや乳酸や酢酸の形で食べ残していました。大気中の酸素が次第に増加し、6 億年前の古生代に約 80％の窒素と約 20％の酸素で構成される現在の地球の大気のような酸化的な雰囲気になりましたので、大気中に酸素の働きで強い酸化力を示す NADP 陽イオンが図 4-13 に示すように生体内に容易に生成するようになりました。このような酸化的環境に進化してきた植物は幹や葉の表皮にある気孔から、また動物は肺や鰓から吸収した酸素により NADPH を NADP 陽イオンに酸化しています。
酸化的な環境に進化してきた生体内では、ブドウ糖を分解して生成したピルビン酸は酵素の働きでアセトアルデヒドと二酸化炭素に分解されますが、アセトアルデヒドは 1 モルの NADP 陽イオンにより NADPH の生成とともに酢酸に酸化され、補酵素 A と結合して
図 4-14 に示すようなチオエステル結合を持つ複雑な構造のアセチル補酵素 A（アセチルS-CoA）に変換されます。このアセチル補酵素 A は縮合反応を加速する働きを持っていますから、オキザロ酢酸と縮合反応をしてクエン酸を生成します。このクエン酸は脱水反応、
水の付加反応、酸化反応、脱炭酸反応などを経てオキザロ酢酸に戻ります。クエン酸サイ
59

クルと呼ばれるこの一連の反応では図 4-14 に示すように、本質的にはオキザロ酢酸に酢酸が反応しますが、加えられた酢酸は度重なる酸化反応により二酸化炭素まで酸化してゆき、O

オキザロ酢酸が触媒として回収されます。
このクエン酸サイクルの反応では酢酸が酸化して 2 モルの二酸化炭素を生成しますが、

C

H3C

OH
S

H2
C

C
H2

H
N

N
H2N

O

N
N

CH

CH

N

同時に 3 モルの NADP 陽イオン

H2
C

C
O
H2
C

CH CH

O

O

P

HO

C
H2
O

O

H
N

P

C

CH3

C

O O

CH2

O

O

P

OH
OH

CH

CH3

OH

アセチル補酵素A

OHと 1 モ ル の ビ タ ミ ン B2
-HS-CoA（FAD）がそれぞれ NADPH と還元型ビタミン B2（FADH2）まで還元され、発生するエネ
ルギーは 1 モルの ADP とリン酸を縮合させて ATP として蓄えられます。結局、ブドウ糖の分解によるピルビン酸への

O
H2
C C

HOOC

HOOC

オキザロ酢酸 COOH

クエン酸

NADP+/-NADPH

HOOC

変化、アセチル補酵素 A への

HOOC

COOH

脱炭酸反応、クエン酸サイク
ルを経由する二酸化炭素まで

フマル酸

C
H

C
H

COOH

HOOC

酸化炭素に酸化される過程
で、4 モルの ATP と 10 モルの

FAD/FADH2

HOOC

C
H
COOH

COOH

H2 H
C C

O
C

COOH

CO2

H2 H2
C C COOH

HOOC

O
H2 H2
C C C

COOH

コハク酸

NADPH と 2 モルの還元型ビタ

NADP+/-NADPH

ADP/-ATPミン B2 を生成します。NADPHと還元型ビタミン B2 はその還

OH

COOH

の分解過程を総括しますと、1
モルのブドウ糖から 6 モルの二

H2 H
C C

NADP+/-NADPH

H2O

HOOC

COOH
-H2O/H2O

OH
H2
C CH

リンゴ酸

OH
H2
H2
C C C COOH

CO2

図 4-14 クエン酸サイクル

元反応に必要なエネルギーをそれぞれ 3 モルと 2 モルの ATP の形で含んでいますから、ブ
ドウ糖の二酸化炭素への酸化反応で発生するエネルギーは合計 38 モルの ATP を生成する
ことに費やされます。
ここで生成する NADPH と還元型ビタミン B2 は還元能力を持つ物質で生体内の物質を還元しますが、NADPH の生成により 10 モルの NADP 陽イオンが消費されますから、生命活動を維持するエネルギーを供給するときには NADP 陽イオンが生体内に不足し NADPH
が過剰になります。多くの植物も動物もでんぷんやタンパク質や脂肪を栄養として摂取し、幹や葉の表面の気孔や動物の鰓や肺から吸収した酸素による酸化分解で発生するエネルギ
ーを利用して生きています。吸収した酸素は図 4-13 に示すように過剰になった NADPH を酸化して NADP 陽イオンを補給します。酸化能力を持つ NADP 陽イオンが充分に供給され60

ない還元状態では、ピルビン酸からアセチル補酵素 A に変化する反応は進行せず、図 4-9の青線で示す乳酸菌がブドウ糖を分解する過程と同じように炭素=酸素 2 重結合が NADPH
により還元されて乳酸に変化します。急激な運動などで充分な酸素の供給がないまま体内で ATP を大量に必要とする場合には、酸化能力を持つ NADP 陽イオンが充分に供給されませんから、ブドウ糖が消費されて生成するピルビン酸は還元され、筋肉の中に乳酸が溜まり疲労を感じます。
ADP とリン酸から ATP を生成するために要する自由エネルギー変化は 7.29kcal･mol-1と見積もられていますから、ブドウ糖の分解による 38 モルの ATP の生成は生物が活力として利用しうる 277.0kcal のエネルギーを生み出すことを意味しています。表 4-2 に掲げたようにブドウ糖を燃焼して 6 モルの二酸化炭素と 6 モルの水に分解するときに発生する燃焼熱は 674.0 kcal･mol-1 と見積もられていますから、生体内における極めて複雑な一連のブ
ドウ糖の分解反応が約 41％の熱効率でなされていることになります。ちなみに、現在使用されているガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、火力発電、軽水炉型原子力発電の熱効率はそれぞれ 20~30、28~34、41.8、34%と報告されています。発電の熱効率が発電機の出力部での値であり、長い送電の間の熱効率の低下や、エネルギーの需要に応じた出力制
御などを考えると、この生物体内のエネルギー変換は驚異的な機構と考えられます。
誕生間もない 46 億年前には地球上も水素で被われた非常に還元性の高い環境で、酸素分子は還元されて水になり大気中にはほとんど酸素分子が存在していませんでした。38 億年前の太古代になりますと、二酸化炭素やアデニンの溶け込んでいる海の中に生物が発生しましたが、その進化は遅々としたものでした。25～30 億年前ごろに太陽光のエネルギーを利用した二酸化炭素と水の反応によりブドウ糖と酸素を生成する単細胞の藍藻類（シアノバクテリア）が発生しました。藍藻類は生成したブドウ糖が分解するときに生じる僅かなエネルギーを活力にして生命活動を営んでいました。この時代に誕生した酵母（イースト）や乳酸菌は環境の変化に適応して現在も熱効率の悪い組織のままに生き延びています。
21～24 億年前の原生代にヒューロニアン氷河期の終わりごろに、海水中や大気中の二酸化炭素の濃度が高く温度が高い繁殖に適した環境に恵まれて、藍藻類が爆発的に繁殖しました。これにより二酸化炭素が急激に減少するとともに酸素が大量に排出され、地球の歴史の前半には大気中に酸素がほとんど存在しませんでしたが、23~25 億年前の期間に大気酸素濃度は約 0.2％程度まで急増しました。酢酸菌などは大気中に若干ながら含まれるようになった酸素によりアセトアルデヒドを酸化して熱効率の向上した生物に進化しました。生物が進化し繁殖することにより地球も徐々に進化して、大気中の酸素濃度が約 20％まで上昇しました。この地球の進化に合わせて生物もさらに高い熱効率の酸化分解により多量のエネルギーを得て体格の大きく複雑な組織に進化し、生活領域も陸上にまで拡張してきました。38 億年の長い期間に地球を覆っている大気は生物の進化と手を携えるように
ともに互いに進化してきました。

61

酸素を取り込むフェレドキシンとヘモグロビン
地球の歴史の前半には大気中に酸素がほとんど存在しませんでしたが、21～24 億年前の原生代に藍藻類が爆発的に繁殖し、二酸化炭素が急激に減少するとともに酸素が大量に排出されましたので、23~25 億年前の期間に大気酸素濃度は約 0.2％程度まで急増しました。
その後地球が進化し大気中の酸素濃度が約 20％まで上昇しましたから、この地球の進化に合わせて生物もさらに高い熱効率の酸化分解により多量のエネルギーを得て体格が大きく複雑な組織に進化し、生活領域も陸上にまで拡張してきました。地球の酸化的環境への進化にともなって大気中の酸素濃度が高く変化しましたから、植物は幹や葉の表皮にある気孔から、また動物は肺や鰓から吸収した酸素により図 4-13 の赤色矢印で示すような複雑な反応過程を通して NADPH を NADP 陽イオンに酸化しています。このようにして生じたNADP 陽イオンが生物体内のすべての変化の酸化剤として働いています。
1 つの細胞の中に含まれる化学物質の種類とその表 4-3 生体内物質の組成

重量比を表 4-3 に掲げましたが、それぞれの物質がその性質に応じた働きをして生命活動を維持しています。この表からも明らかなように水が細胞の重さの70％を占めていますから、生命活動を司る種々の化学反応は細胞膜で囲われた細胞の中で水を溶媒として進行していると考えられます。当然、生物が幹や葉の表皮や肺や鰓から吸収した酸素も水に溶けなけ

水
タンパク質
DNA
RNA
炭水化物
脂質
無機イオン
その他

重量(%)
70
15
1
6
3
2
1
2

種類
1
3000
1
1000
50
40
12
500

れば、生命活動を司る種々の化学反応の酸化剤の役に立ちません。
厚生労働省の食事摂取基準によりますと、日本人の青年男女の身体が必要とする平均エネルギー量は表 4-4 に示すようにそれぞれ 2677.5 kcal･day-1 と 1942.5 kcal･day-1 と報告されています。前節で見てきたように人間は食事で摂取したブドウ糖を酸化して生命維持な
どの活力にしていますが、その発熱量は 277.0 kcal･mol-1 ですし、1mol のブドウ糖を酸化するためには 6mol の酸素を要しますから、日本人の青年男女の平均酸素必要量はそれぞれ
58.0 mol･day-1 と 42.1 mol･
day-1 のように算出されます。さらに平均的な日本
人 の 平 均 呼 吸 数 が 16
breath･min-1 ですから、1 呼吸当たりの平均酸素必要量が表 4-4 に示すように概表 4-4 日本人の平均酸素必要量
性別

男

女

平均エネルギー必要量kcal･day-1

2677.5

1942.5平均ブドウ糖必要量

mol･day-1

9.67

7.01

平均呼吸数

breath･min-1

16

16

mol･day-1

58.0

42.1

g･breath-1

0.081

0.058

平均酸素必要量

算できます。

しかし、表 3-4 で掲げたように酸素は 100g の水に 0.007g 溶けますと、飽和してそれ以上は溶けませんし、水に酸素を飽和するためには長時間要します。人間が 1 呼吸する間に平均酸素必要量を溶かすためには、酸素の溶けていない新鮮な水が 1L よりかなり多く肺62

の表面に常になければなりません。1 呼吸の間に 1L 以上の流速の水が体内を循環することは非現実ですが、出来なければ人間はエネルギーの欠乏に陥ります。
地球の大気を構成する酸素が 20％になった 6 億年前の古生代以降に進化してきた多くの生物はこのように大量の酸素を吸収して酸化剤として、ブドウ糖を二酸化炭素まで酸化したときに生ずるエネルギーを生命活動の維持に活用しています。これらの生物が持つ図4-13 の赤色矢印で示すような複雑な酸化反応の過程の第 1 段階では、酸素が高い還元状態の第一鉄イオンを第二鉄イオンに酸化します。しかし、表 3-5 に示すように鉄のイオンは塩化物や硝酸塩では水に溶けますが、それ以外の酸化物や水酸化物などの無機塩ではほとんど水に溶けません。実際 6 億年前の古生代以降に進化してきた植物も動物も、タンパク質など非常に複雑な構造を持つ反応活性の高い第一鉄イオンの触媒が少量の水溶媒の中で酸素により速やかに第二鉄イオンに酸化されて、NADPH を NADP 陽イオンへ酸化する橋
渡しをする触媒機構を備えています。
古生代以降に進化してきた植物は硫化鉄（FeS）にタンパク質が配位したフェレドキシ
ン Fe２S2 クラスターと呼ばれる鉄原子を含む錯化合物が酸素を酸化剤として NADPH をNADP 陽イオンへ酸化する橋渡しをする第 1 段階を担う触媒の働きをしています。鉄粉と硫黄の混合物を加熱すると容易に生成する硫化第一鉄（FeS）は自然界にも黄鉄鉱などと共存していますが水にはほとんど解けません。鉄のイオンはフェロシアン化カリウムやフェリシアン化カリウムに見られるように 6 つの配位子と強力に配位結合して安定な錯塩を形成しますから、硫化第一鉄は 6 つの硫黄原子と結合して安定な錯体として存在しています。タンパク質に含まれるシステインの側鎖のチオール原子団（—SH）が硫化第一鉄に配位したフェレドキシン Fe2S2 クラスターは図 4-15 に示すように鉄イオンに配位できる空の軌道が上向に出ています。酸素は 2 つの電子で充足した孤立電子対の軌道を持っていますから、上方から酸素が配位して酸素イオンと第二鉄イオンに図 4-15 の下向きの酸化・還元反応が進行します。さらに酸素のイオンがユビキノ

HNO
Oールと入れ替わると、図 4-15 の上

キシンクラスターに回復するとともに、ユビキノンに酸化されて酸化の能力が図 4-13 の赤色矢印のように

C
HN

向きの酸化・還元反応が進行して、第一鉄イオンを中心とするフェレド

C

HN
O
O

C
C
HN

C

C

C

C

C
H2
H2
C

H
S

O

S

S

S

FeII

FeII
S

S

H

H

H
C S
H2
H2
C S
H

C
H2
H2
C

H
O

S

S

FeIII

FeII
S

S

C
H2
H2
C
H

C

C

C

C

C

O

NH
NH
C

O

C

O

NH
NH
C

O

フェレドキシンFe2S2クラスター

伝達され NADP 陽イオンの生成が完
結します。

H

図 4-15 フェレドキシンの酸化・還元反応

Rothemund は 1935 年にギ酸などの酸性触媒でピロールと種々のアルデヒドを縮合反応させピロール環を 1 つの炭素で架橋した多くの生成物とともに、図 4-16 に示すような１つ63

ずつの炭素原子で 4 つのピロール環を架橋したポルフィリン環を持つ環状の化合物を合成しました。この反応では 4 分子の水の脱離とともに 3 分子の水素が脱離する酸化反応が進行して、図 4-16 に赤色線で示すよう
Rに窒素原子を含む 18π系を形成しCHて共鳴安定化したポルフィリンを生成します。図 4-16 右上に示すよN
H ピロールうな 4 つのピロール環を含む中間体

Oは 2 重結合が共役していませんか

C

+

R

ら、図の右下に示すように 2 重結合

NH
H+

R

HN

CH

CH
NH

H
アルデヒド類R

HNCHRが共役した 18π系の芳香族の安定酸化化のためにポルフィリン類に酸化RRされたものと考えられます。このポルフィリンは 4 つのピロール環を含み、18π系の中に窒素原子を含む化合物ですから複素環芳香族化

N
II

Fe

R

Fe2+

N

N

R
N

NH

N

R

R
N

HN

合物です。しかも図 4-16 に示すよ
うに窒素原子に結合する水素が解離しますと、ポルフィリン環の内R

鉄ポルフィリン類

ポルフィリン類

R

18π系

図 4-16 ポルフィリンの生成反応側に向いた 4 つの窒素原子上には 2 つの電子で充足した孤立電子対の軌道が金属元素の大きさに相応する隙間を残して生まれます。最外殻に電子が空の軌道を持つ鉄やコバルトな
どの金属イオンがこの隙間に入り込みますと窒素原子と金属イオンの間に配位結合が結ばれ、強固な錯塩を形作りますから、18π系の共役した 2 重結合を同一平面に固定して強く共鳴安定化します。強い配位能のポルフィリンに囲まれた状態では、水の中で水酸化鉄を生成するもことなく、鉄イオンは配位子を変えずに酸素による酸化・還元反応が進行します。
約 5 億年前に進化した脊椎動物は人類を含めて皆ヘミンと呼ばれる鉄原子を含む複雑な化合物がタンパク質と結合して、酸素を酸化剤として NADPH を NADP 陽イオンへ酸化する
橋渡しをする第 1 段階を担う触媒の働きをしています。ヘミンのポルフィリン環と強い配位結合により囲まれた第一鉄イオン（Fe2∔）と第二鉄イオン（Fe3∔）の間の酸化・還元反応が図 4-13 で示す酸素によりユビキノールを酸化する過程を動物体内では触媒すると考えられています。赤血球の赤色を示すデオキシヘモグロビンは図 4-17 に示すようにグロビンと呼ばれるタンパク質が結合したヘミンのポルフィリン環の中央に第一鉄イオンが配座し、タンパク質のグロビンの鎖の中のヒスチジンのイミダゾールが下方から鉄イオンに配位して安定化しています。鉄のイオンは 6 つの配位子と強力に配位結合して安定な錯塩を形成しますから、ポルフィリン環の中心に座る鉄イオンに配位できる空の軌道が上向に出ています。酸素は 2 つの電子で充足した孤立電子対の軌道を持っていますから、上方から配位64

してデオキシヘモグロビンとなり、酸素イオンとオキシヘモグロビンに図 4-17 の右向きの酸化・還元反応が進行します。さらに酸素のイオンがユビキノールと入れ替わると、図 417 の左向きの酸化・還元反応が進行して、第二鉄イオンを中心とするオキシヘモグロビン
はデオキシヘモグロビンに回復するとともに、ユビキノンに酸化されて酸化の能力が図 413 の赤色矢印のように伝達され NADP 陽イオンの生成が完結します。ポルフィリン環と強い配位結合により囲まれた第一鉄イオン（Fe2∔）と第二鉄イオン（Fe3∔）の間の酸化・還元反応をするヘミンはヘモグロビンの他にもカタラーゼやシトクロムやペルオキシダーゼ
やミオグロビンなどの酵素類においても認められ、脂肪酸の代謝や肝臓における解毒作用などに働き生命活動の維持を援けています。

OO
HC CH2
H3C

N

HC
H3C

N

H2C CH2

HO2C
H
N
H
N CH
O
グロビン

C

NH

CH3

H
C
FeII
C
H

N
N

HC CH2

H
C

CH2

CH

CH3
H2C CH2
CO2H

N
NH

デオキシヘモグロビン

H3C

N

HC
H3C

N

H2C CH2

HO2C
H
N
H
N CH
O
グロビン

C

NH

CH3

H
C

H
C
CH2
N
III
CH
Fe
N
C
CH3
H
H2C CH2
CO2H

N
NH

オキシヘモグロビン

図 4-17 ヘモグロビンの酸素分子による酸化・還元反応

酸素を酸化剤として NADPH を NADP 陽イオンへ酸化する橋渡しをする第 1 段階を担う触媒として、6億年前の古生代以降に進化してきた植物は第一鉄イオンに硫黄が配位したフェレドキシン
Fe2S2 クラスターが働いています。また、動物は 18π系の芳香族性を示すポルフィリンの中心原子として第一鉄イオンが配位したヘモグロビンが酸素の酸化剤の働きを NADPH から NADP 陽イオンへ酸化する橋渡しをする第 1 段階を担う触媒として働いています。これ
らの触媒により比較的水に溶けにくい気体状の酸素を速やかに取り込んで、多くの生物はブドウ糖を遅滞なく酸化して発生するエネルギーを生命維持の活力にしています。

生物の情報を管理する DNA
近年飛躍的に進歩してきた電子計算機はその記憶素子部分が大量に情報を保存しており、電子計算機の内部で最も重用な役割を演じていますが、この記憶素子に最も求められることは正確な情報の記憶と伝達のほかに、不意の停電や雷などの大電力の通電においても そ の 記 憶 の 安 全 な 保 持 に あ る と 思 わ れ ま す 。 DNA は デ オ キ シ リ ボ 核 酸（Deoxyribonucleic Acid）を省略した名前の物質で細胞中に必ず 1 種だけ含まれており、電子計算機の記憶素子部分のように、その細胞の進化の過程や生命活動に必要なすべての情報を記憶し、必要に応じた情報を発信しています。このように生物の進化の過程や生命活動に必要なすべての膨大な情報を収納する役割を果たしている DNA は急激な環境の変化や外的な障害から記憶情報を安全に保存するとともに、正確な読み出しと必要に応じた書き換えができなければなりません。DNA が記憶情報を安全に保存し、正確に読み出せる65

ように正常に機能しなければ、全ての細胞はその生命活動を停止して死滅します。記憶情報を必要に応じて正確に読み込み読み出すためには DNA は非常に安定で如何なる反応条
件下でも変性や分解が起こり難く、しかも非常に限られた反応条件下でほかの物質と相互作用できる性質が求められます。
細胞の中に含まれる種々の化学物質はそれぞれの性質に応じた働きをして生命活動を維持しています。第 3 章の「アデニンとグアニンの生成」の節で見てきたように、原始地球の大気中に含まれていた二酸化炭素やシアン化水素が 43 億年前に生じた海に溶けて、反応しアデニンとグアニンが生成したと思われます。これらのアデニンとグアニンは図 318 に示すように窒素原子を含む芳香族化合物のプリン環を母核としていますから、熱や光に対して極めて安定でしかも分子内に窒素原子や酸素原子を含むために電荷の偏りを示します。さらに、芳香族環は強い共鳴安定化により、構成する原子が一定の相対位置を持つ
平面の構造を保ちます。アデニンとグアニンはこのような性質により、ある選ばれた物質とは極めて強い水素結合による分子間相互作用をしますが、それ以外の物質とは水素結合ができず、分子間相互作用をする物質に厳しい選り好みを示します。
DNA の機能を司るアデニンとグアニンとシトシンとP

チミンとウラシルの 5 種の化合物が核酸塩基と総称されています。また、ウラシル以外のこれらの核酸塩基が 5炭糖の一種のデオキシリボースとグリコシド結合した図
4-18 の赤色で示したデオキシアデノシンと青色で示すデ
オキシグアノシンと緑色で示したチミジンと橙色で示したデオキシシチジンをデオキシリボヌクレオシドと総称
しています。さらにデオキシリボースの 5 位水酸基にリン酸がエステル結合したものをデオキシリボヌクレオチ
ドと総称しています。DNA はこれら 4 種のデオキシリボ
ヌクレオシドの 3 位と 5 位の水酸基が図 4-18 の黒色で示
すリン酸エステルを介して次々に 102~1012 個ほど長く鎖状に結合した物質です。DNA は長く連なった鎖状のデオOOの分子の約 1000 億倍）の大きな分子です。DNA はこれらの 4 種のデオキシリボヌクレオシドの並び方により、その細胞の進化の過程や生命活動に必要なすべての情報を記憶し、生命活動をするために必要な情報を発信して
66

H

O

造を持っていると言葉を変えた表現もできます。表 4-3
g、空気や水

N

C

C
N
C
C C
H
H H デオキシアデノシン
H CH
O
O
N
O
C
P
H C
C
O
NH
O
C
N
HO
C
N
C
H2C
C C
NH
H H デオキシグアノシン 2
H
C
H
H 3C
O
O
C
O
C
P
H C
O
NH
O
N
O
H
C
H2C
C
C C
O
H H
H CH
チミジン

H2C

シリボースの 1 位に 4 種の核酸塩基の 1 種が結合した構胞の約 1％ですから 1 分子で約 0.01ng（10

C

C
N

HO

O

－11

N

H C

O

キシリボースリン酸エステルの骨格のそれぞれのデオキから明らかなように DNA は約 1ng（10－9g）の重量で細

NH2

OH
O

P

NH2

C
O

N

HO

H2C

C

H C

C
C C
H H
H
H C

N
C
O

デオキシシチジン

O
O

P

O

HO

図 4-18

DNA の構造います。デオキシリボヌクレオシドの 1 位に結合したアデニンとグアニンとチミンとシト
シンの 4 種の核酸塩基が 4 種の表音文字として働き DNA のすべての情報を表現し記憶しています。因みに、ヒトの DNA は 4 種のデオキシリボヌクレオシドがリン酸エステルを介して次々に約 3x109 個ほど長く鎖状に結合した物質です。
ヘミアセタール結合により安定化したデオキシリボースのフラノース構造は 5 員環ですから、封筒型の 2 つの配座異性体が存在しますが、一方の異性体では 1 位の核酸塩基と4 位に結合したヒドロキシメチル基（CH2OH）の 2 つの嵩高い原子団が空間的に近接して込み合っているために不安定で、DNA のデオキシリボヌクレオシドはデオキシリボースのフラノース構造が図 4-18 に示すような配座を主に持つ異性体で存在します。この配座ではデオキシリボヌクレオシドの 4 位のヒドロキシメチル基と 3 位水酸基はそれぞれ左上と右下の方向を向いています。さらに、核酸塩基とデオキシリボースが立体的に混み合わな
いようにほぼ直行した位置関係でリン酸エステル結合しています。
水素原子の結合した炭素原子に隣接した炭素＝酸素 2 重結合の部分構造を持つケトン類は図 4-19 に示すように水素原子が転移して水酸基の結合した炭素＝炭素 2 重結合の部分構造を持つエノール類に変化します。ケトン類とエノール類の間の互変異性と呼ばれるこの変化は可逆的平衡反応で多くの場合に平衡はケト
C

ン類（ケト型）に偏っていますが、溶媒や温度変化
や隣接する原子団などの影響を受けてエノール型へ

C
O

C

OH
エノール類

ケトン類

図 4-19の異性化が優先する場合もあります。

CH

ケト－エノール互変異性

図 4-20 に赤色で示すようにアデニンは熱や光などの影響を受け難い安定な芳香族性を持つ平面構造のプリン環にアニリン性のアミノ基の付いたエノール型の構造を持っていますから、アデニンを構成する窒素原子と炭素原子はすべて平面上に安定で水素結合に適した固有の相対位置を保ちつつ固定されています。また、グアニンは熱や光などの影響を受け難い安定な芳香族性を示すプリン環の骨格の上に炭素＝酸素 2 重結合を持つケト型の構造ですが、ケト－エノール平衡反応により図 4-20 に赤色で示すようなフェノール性水酸基を持つプリン型の芳香族複素環の性質も示します。そのため、グアニンを構成する窒素原
子と炭素原子もすべて平面上に安定で水素結合に適した固有の相対位置を保ちつつ固定されています。核酸塩基の内でウラシルとチミンとシトシンはいずれも炭素＝酸素 2 重結合を含む芳香族複素環のケト型の構造を持っていますが、ケト－エノール平衡反応により図NHN

4-20 に赤色の構造のようにフェノール

HC性水酸基の結合したピリミジンの性質

HN C

C C
NH
N CH

HC

HN C
アデニン

を持つ芳香族複素環の性質を示します。そのため、これら 3 種の構成する窒素原子と炭素原子はすべて平面上に安定で水素結合に適した固有の相対位置

O
C C
HN C
NH
N C
グアニン
NH2

HC

N

NH2 O

N
C C

N
N CH

R
HO
R
C C
C C
HN
CH
N
CH
C NH
C N
O R=H: ウラシル HO
R=CH3: チミン

OH H2N
H2N
C C
C CH
C CH
HN C
N
N
CH
N
CH
N C
C NH
C N
NH2 O シトシン HO

HCN

図 4-20 DNA と RNA の核酸塩基を保ちつつ固定されています。
67

アデニンは炭素＝窒素 2 重結合がプリン環内の構造と環外の構造の間に平衡関係がありますから、図 4-21 に水色で示すようにチミンやウラシルと一義的に 2 本の水素結合で容易に結ばれ強く相互作用します。このようにアデニンはチミンやウラシルとは非常に適合した水素結合をすることができますが、それ以外の物質とは適合し難く強い相互作用をすることができません。また、グアニンも炭素＝酸素 2 重結合を含む芳香族複素環のプリン構造を持っていますから、平衡反応によりフェノール性水酸基を持つ芳香族複素環の性質も示し、アニリン性のアミノ基と併せて 3 つの部位が水素結合に適した固有の相対位置を保ちつつ固定されています。そのためグアニンは 3 本の水素結合により厳しく選好みして相互作用しますから、グアニ
ンは一義的にシトシンを選びます。このようにアデニンとグアニンは相手となる分子を
厳しく選好みして極めて限られた分子しか選びませんが、選んだ分子とは確実に強く水素結合します。

R
HN H O
N
R
N H O
N
HC
HC
C C
C C
C C
C C
HN C
CH
N H N
HN C
CH
N H N
C NH
N CH
C
NH
N
CH
アデニン
O R=H: ウラシルO
R=CH3: チミン

O H NH
HC
C C
C CH
HN C
N H N
CH
N C
C NH
グアニン HN H O
シトシン
NO H NH
N
HC
C C
C CH
HN C
N H N
CH
HN C
C N
HN H O

図 4-21 核酸塩基の水素結合

電子計算機は記憶素子が不意の停電や雷などの大電力の通電においてもその正確な情報の記憶の安全な保持に万全を期していますが、にもかかわらずこれらの計算機の利用者
は多くの場合に記憶素子の情報を複写して別の場所に予備の情報として保管しています。
例えば多くの銀行などでは東京近郊に大型電子計算機を設置して、銀行の業務が滞ることの無いように預金などの情報を記憶していますが、地理的に遠く離れた北海道や沖縄などに予備の計算機を用意して情報を複写し共有しています。DNA は長く連なった鎖状のデオキシリボースリン酸エステルの骨格のそれぞれのデオキシリボースの 1 位に、表音文字の働きをするアデニンとグアニンとチミンとシトシンの核酸塩基の 4 種の内の 1 種が結合した構造を持っていますが、これらの核酸塩基は母核が芳香族性を示すプリン環とピリミジン環ですから、平面構造を持ち熱や光などの影響を受け難く安定性を示しています。しかし、電子計算機と同じように DNA も情報の記憶の安全な保持に万全を期して 2 重螺旋構造をとって情報を予備的に複写して保管しています。
DNA はアデニンとグアニンとチミンとシトシンの 4 種の核酸塩基の並び方によりその細胞の進化の過程や生命活動に必要なすべての情報を記憶していますから、これらの核酸
塩基と強く相互作用するものによりその並び方を物質として写し出せれば、生命活動をするために必要な情報の読み出しや書き換えができます。アデニンは炭素＝窒素 2 重結合がプリン環内の構造と環外の構造の間に平衡関係がありますから、チミンやウラシルと一義
的に 2 本の水素結合で容易に結ばれ強く相互作用しますが、それ以外の物質とは適合し難く強い相互作用をすることができません。グアニンも炭素＝酸素 2 重結合を含む芳香族複素環のプリン構造を持っており、3 つの部位が水素結合に適した固有の相対位置を保ちつ
68

つ固定されていますから、3 本の水素結合により厳しく選好みして一義的にシトシンと相互作用します。このようにアデニンとグアニンは相手となる分子を厳しく選好みして極めて限られたチミンとウラシルとシトシンしか選びませんが、選んだ相手とは確実に強く水素結合します。
ウラシルとシトシンとグアニンとアデニンの 4 種の核酸塩基に 5 炭糖の一種のリボー
スがグリコシド結合したウリジンとシチジンとグアノシンとアデノシンをリボヌクレオシドと総称しています。さらにリボースの 5 位水酸基にリン酸がエステル結合したものをリ
ボヌクレオチドと総称しています。これらのリボヌクレオチドが DNA に接近しますと、それらのリボヌクレオチドのウラシルとシトシンとグアニンとアデニンが図 4-22 に示すよ
うに DNA の鎖上に配列したアデニンとグアニンとシトシンとチミンの 4 種の核酸塩基と
図 4-22 に水色で示すようにそれぞれ一義的に水素結合しますから、DNA の核酸塩基の並び方に対応するように 4 種のリボヌクレオチドが並びます。このように DNA の核酸塩基の並び方に対応して並んだ
リボヌクレオチドのりん酸
エステル結合が図 4-22 の黒
色点線で示すように隣接す
るリボースの 3 位水酸基と

OH
O

P

HO
C C C
H H
H CH

O

P

O

位と 5 位の水酸基がりん酸

H2C状のリボースりん酸エステ

OO

Pのうちの 1 種が並んで結合した構造を持っています。
DNA に並んでいるアデニン（A）とグアニン（G）とチミン（T）とシトシン（C）
は相手となる分子を厳しく選好みして、アデニン（A）はウラシル（U）を、チミン（T）はアデニン（A）を 2 本の水素結合で選びますし、グアニン（G）

C

O

O
H2C

P

C
O

H C

O
HO

H2C

N

C
C C
H H
H
H C

P

C
O

O
O

N

HC

C
O

C

H

H N
H

N

O

O

C
N

HC

C-G

C

HO

P

H
C OH
O

OH

C H
HC

C
O
O

図 4-22 DNA から RNA への情報の読み出し

69

OH

O

H2C

O

H
O

O

CH
N

OH

C H
H2C

C

N
C

H
C OH

N

C

H
O
P
OH

CH

O

C

OH

OH

C H

O

T-A

H
N H

P

O

N
C

N
HC

H

G-C

O

H
O

O

H
C OH

O

C

O

O
O

C

C

C C C
H H
H CH

C

H2C

H NH

N H

N

HO

HC

H2C

O

H C

C

O

OH

C H

O

N

O

H
C OH

CH

N

N H
H

P

C

C

C

N

A-U
H

N H

C

N

HO

H
H N

C

C

C
C C
H H
H CH
H 3C

ルの骨格のそれぞれのリボースの 1 位に 4 種の核酸塩基

N

H C

O

O

H
O

O

N

C

C

N

O

CH

H N

N

C

N

C

C

C

C

H2C

cleic Acid）はリボースの 3と縮合して長く連なった鎖

H C

O

O

エステル結合して生成したRNA （ リ ボ 核 酸 、 Ribonu-

N

H

O

HN H

H
O
P

OH

はシトシン（C）を、シトシン（C）はグアニン（G）を 3 本の水素結合で確実に選びます
から、DNA の核酸塩基の並び方が図 4-22 に示すように一義的に RNA に反映され、DNA の細胞の進化の過程や生命活動に必要なすべての情報を正確に RNA に伝達します。
DNA の鎖上に配列したアデニンとグアニンとシトシンとチミンの 4 種の核酸塩基は
DNA の情報を表す表音文字の働きをしていますが、それらの核酸塩基とそれぞれ一義的に水素結合するウラシルとシトシンとグアニンとアデニンの 4 種の核酸塩基にリボースの結合したリボヌクレオチドは差し詰め DNA の情報を複写するための活字に相当します。
ウラシルとシトシンとグアニンとアデニンの 4 種の核酸塩基の結合したリボヌクレオチド
はそれぞれ DNA のアデニンとグアニンとシトシンとチミンの 4 種の核酸塩基の活字の役割を果たします。リボヌクレオチドが DNA に接近して DNA の情報を表記した 4 種の核酸
塩基の配列を忠実に写し出すように並び、リボースの 3 位と 5 位の水酸基がりん酸と縮合して長く連なった鎖状のリボースりん酸エステルの骨格を持つ RNA は DNA の情報を写したリボヌクレオチドの活字を拾って作り上げた組版に相当します。この組版を使って活版印刷すれば DNA の情報を誤字も脱字もなく確実に複写印刷されます。
表面がリン酸酸性の長い鎖の DNA を糸巻き状に巻き付けているヒストンの筒はリジンやアルギニンなどの塩基性のアミノ酸を多くの構成アミノ酸として含むタンパク質ですから、親和性を持ってこんがらからないように安定化しています。このリジンやアルギニンの塩基性部分がヒストンアセチル基転移酵素によってアセチル化しますと、ヒストンの塩
基性が弱くなりますから DNA との間の相互作用が減少して DNA の緻密な構造が緩み、リボヌクレオチドの入り込む隙間が生まれます。結果としてヒストンのアセチル化された部
分で DNA の情報が選択的に RNA に読みだされます。生物の個体の中にあって司令官のDNA が発する種々の命令を受け取り、RNA は各部分や器官で生命活動を指令する指揮官の働きをします。
植物の中では葉緑素が太陽の光を効率よく吸収して得たエネルギーで水を酸素まで酸化しますが、同時に生じる還元能力を FAD から FADH2 への還元過程などの複雑な反応過程で NADP 陽イオンを高い反応性の還元状態を持つ NADPH まで還元します。この NADPHの高い還元性により二酸化炭素を還元して植物は図 4-7 で示すようにブドウ糖を生合成しています。多くの生物の体内では、このブドウ糖が図 4-9 や図 4-14 で示すように異性化反
応、分解反応、酸化反応などの複雑な反応経路でピルビン酸に変化し、このピルビン酸が二酸化炭素を失ってアセチル補酵素 A に変化し、さらにクエン酸の触媒により二酸化炭素まで酸化されます。始めにブドウ糖に ATP が働いて反応を開始するエネルギーを与えられ、次いで NADP 陽イオンによる酸化で生成する反応熱を ADP が蓄え、補酵素 A（HS-CoA）と結合してアセチル補酵素 A を生成した後、NADP 陽イオンと FAD による酸化反応により発生する反応熱を ADP により蓄えながら二酸化炭素を生成します。
これら二酸化炭素を還元してブドウ糖を生成する反応やブドウ糖を二酸化炭素まで空気で酸化して生成する反応熱を活力とする反応の過程で、生物にとって極めて重要な酸化70

や還元の能力やエネルギーの遣り取りの働きをしている NADPH と NADP 陽イオン、FADと FADH2、アセチル補酵素 A（CH3CO-S-CoA）、ADP と ATP にはいずれもアデニンと 5炭糖のリボースがグリコシド結合したアデノシンが分子の一部を占めています。DNA のアデニン部分から読み取ってきた命令を受け継いだ RNA のウラシル部分が NADPH とNADP 陽イオン、FADH2 と FAD、アセチル補酵素 A（HS-CoA）、ADP と ATP などのアデノシン部分と水素結合により相互作用して、生命活動に重要な働きをする物質に指令を与えていると思われます。この複雑な一連の反応で RNA は順番に捉えられた ATP、NADP
陽イオン、ADP、補酵素 A、FAD が順次反応するように指令していると考えられます。
電子計算機の記憶素子は電気的な⊕と⊖あるいは磁気的な N と S の 2 種類の文字の並び方で情報の記憶を行う 2 進法ですが、生物が使う情報の記憶や伝達は 4 種類の文字の並び方で行う 4 進法です。このように DNA に記録されている膨大な量の情報から、それぞれ必要な性質や活動や変化に関する情報を RNA が取り出します。生体内で種々の反応を触媒し活性化している多くの酵素がアデニンの部分構造を持っていますから、RNA のチミ
ン部分が酵素を 2 本の水素結合で選び DNA の情報を酵素や補酵素に伝達します。生活環
境の変化に対して極めて安定な性質を持つ DNA の持つ膨大な情報を水素結合という確実な相互作用を利用して RNA を介して酵素まで適宜伝達しています。情報を受けた酵素や補酵素が働いて、細胞内で種々の反応が進行し、生命活動が維持されています。アデニンとグアニンは生命活動の維持を司る DNA の最も重要な役割を担っていますが、誕生間もない生物が近くに存在していたアデニンとグアニンを利用して生命活動に必要な情報を伝達したのでしょうか、アデニンとグアニンが存在したので生命という非常に複雑な組織を持つ生物が誕生したのでしょうか、未だ答えが出ていません。

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