5. 生命活動と二酸化炭素
植物の葉っぱは緑色
光のエネルギーに対して Newton は式 2-9 に示す粒子の運動による運動エネルギーの関係式を適用して説明を試みましたが、後に明らかになったのですが光の粒子が質量を持たず、式 2-9 で ｍ＝0 になるために Newton 力学では表現することができませんでした。
Einstein はフォトン（光子）と呼ばれる粒子が波の運動をしながらエネルギーを伝播してゆくと仮定し、式 5-1 のようにそのフォトン 1 つの持つエネルギーが Plank の定数 h を比例定数とした電磁波の振動数νに対して比例することを導きました。電磁波の振動数は真空中では波長に反比例しますから、真空中の光の速さと波長をそれぞれ c およびλとしますと式 5-1 が書き換えられ、電磁波の持つエネルギーが波長の短いほど大きいことも導かれます。多くの物質を構成する原子や分子は光エネルギーを吸収しますとその原子の中の電子が励起しますが、共有結合が 200 nm～600nm（2x10-7～6x10-7m）の波長の紫外線や可視光線の光を吸収する場合には、共有結合の電子はその光エネルギーにより結合軌道から反結合性の軌道に励起しますが非常に反応性の高い励起状態で容易に励起した電子を放出しますから、吸収した光エネルギーを利用して高い還元状態の物質に変化して行きます。

‫ = ܧ‬ℎߥ =

௛௖

式 5-1

ఒ

太陽は非常に短波長のγ線から赤外線まで広い波長領域の電磁波を放射していますが、地球は磁界を持っていますからγ線や宇宙線は屈折して地表に達しませんし、窒素や酸素やオゾンを含む大気に包まれていますから非常に短波長の紫外線は大気に吸収されてしま
い、地表には長い波長の紫外線や可視光線などの光エネルギーの比較的小さな長波長の電磁波だけが到達してきます。太陽から地表に届く光のスペクトルは気候や環境により若干変化しますが、平均的には 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います。水が吸収する短波長の紫外線は地表には届きませんし、光エネルギ
ーの小さな赤外線の領域の吸収は吸光係数が極めて小さいために、このような太陽光を長時間にわたり直接照射しても水から酸素への反応はほとんど進行しないと思われます。
高い還元状態の物質の生産に太陽の光エネルギーを利用するためには、太陽光の強度が大きく光エネルギーの大きな 400～500nm の領域の紫色から青色の光を吸収する物質が効率的です。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、太陽の光エネルギーを効率的に利用する物質は緑色
から黄色の色調を呈すると思われます。共役した 9～10 個の炭素＝炭素 2 重結合を含む物
質では 400～500nm の領域に吸収極大が現れますから、紫色から青色の光を効率よく吸収します。長く共役する炭素＝炭素 2 重結合は同じ平面を共有するほどそれぞれの炭素＝炭素 2 重結合が強く共鳴してエネルギー的に安定化しますが、逆に多くの原子を同一平面上に保つことがエントロピー的な不安定化をもたらします。共役した 9～10 個の炭素＝炭素46

2 重結合の系が安定に平面を保つように固定されますと、気候や環境の変動にも安定な状態で太陽の光が吸収できるよう保つことが出来ます。
植物の中では図 5-1 に示すように水が酸化されて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。水の酸化による NADPH への還元反応には多くの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太陽からの光エネルギーを吸収しています。しかし、水の酸化と NADP 陽イオンの還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

植物は葉緑素と呼ばれる緑色の

H

O

C

NH2
+

NADP

C
N

+

C

+ 2e

C

C

H

H

O

H
CH2

く吸収して高いR:

OH
O

還元状態の栄養

O

CH2
OH

H

R

N

O

NH2

N

H

H

OH

O

H

H

H

物質を生産して

P
O

NADPH

N

O

P
HO

OH

O

NH2

C

H

R

ルギーを効率よ

C

C

-

+ H

O

H

H

C

C
H

H

C

C

物質を用いて太陽からの光エネ

0.5O2 + 2H+ + 2e-

H2O

実際、多くの

N
N

H
P

HO

OH
O

図 5-1 水の酸化と NADPH への還元
O

Chla*
H2O

光

O

Mn3+

OH

Chla

1.51V
Mn2+

酸素発生
複合体

OH

Chla

Fe2+

0.05V

O2 0.82V

+

クロロ
フィルa
図 5-2

Cu2+

0.21V

Chlb*

FeS

光

-0.97V

Chlb

0.37V

Fe3+

+

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+

葉緑素による水の酸化と電子伝達系
葉緑素による水の酸化と電子伝達系

います。図 5-2 には水の酸化による NADPH への還元反応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。式 4-2 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 が正の時には発熱を伴って容易に反応が進行しますが、負の値を示す時には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。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47

ように受け渡しされて Mn2+に還元されます。
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 5-3 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 9 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CH2ています。さらに、図 5-3 の青色で示すようにこの

R

HC

ポルフィリン環に含まれる 4 個の窒素原子とマグネ

H
C

C
H3C

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

H2C
Oに、赤血球の中核色素のヘムも同じようなポルフィリン環を含む構造になっています。

C
C

C

CH

C

C

O
O

CH2

CH3

C

CH
O

H3C

CH

C

CH2

C
O

持つ吸収極大が 446nm に移動しています。ちなみCCHていれば、太陽からの 428nm の光エネルギーを 99%

CH3
C

N

N

CH

H3C

0.001mol/L の葉緑素が厚さ 0.2mm の葉の中に含まれ干共役系が異なるために、非常に大きな吸光係数を

N

H2
C

C

Mg
C

ることができます。この吸光係数から濃度がは同じ母核を持っていますが、R=CHO ですから若NHCら、約 105L/mol･cm の分子吸光係数を持つと見積もまで定常的に効率良く吸収します。クロロフィル b

C

C
C

C

C

CH3

CH3

CH

H2C

CH

H2C

CH2

H2C

H
3

R=CH3: クロロフィルa
R=CHO: クロロフィルb

図 5-3 クロロフィルの構造

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
48

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。
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、水が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
太陽光で二酸化炭素をブドウ糖へ
植物の中では図 5-3 に示すように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 5-1 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5-1 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 は高い還元状態にあり、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。
先の「大気中に二酸化炭素の少ない地球」の節で見てきたように、地球誕生から 45 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
表 5-1 二酸化炭素と簡単な生体関連化合物の還元電位
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
CO3－2 + 8H+ + 6e－→CH3OH + 2H2O

CO2 + 8H+ + 8e－→CH4 + 2H2O
CO3－2 + 6H+ + 4e－→HCHO + 2H2O
CO2 + 4H+ + 4e－→C + 2H2O
CO3－2 + 8H+ + 6e－→CH3OH + 2H2O
CO3－2 + 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
49

還元電位

-0.17
0.01
0.03
0.05
0.21
0.23
0.23
0.13
0.44
0.59

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 5-1 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から生成すると考えられます。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 5-1 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。
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 5-2 簡単な生体関連化合物の燃焼熱
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有効に利用し得るエネル

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

ギーの量を表す尺度です

グリセルアルデヒド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から、生体に関連する有機化合物の燃焼熱を表 5-2に纏めました。例えばプロパンガス（C3H8 ）を完

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

全に燃やして二酸化炭素

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 530.57kcal/mol 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

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

燃焼熱
kcal/molkcal/NADPH
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

ブドウ糖

図 5-4 アルデヒド類とブドウ糖
アルデヒド類とブドウ糖の燃焼
類とブドウ糖の燃焼熱の燃焼熱て熱効率 50%のコンロで50

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 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 5-4 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 5-2 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。
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、別の方向から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。表 5-1 の還元電位の値から、NADPH の働き
で容易に二酸化炭素や炭酸イオンからブドウ糖（C6H12O6）が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。
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、小さな自由エ
ネルギー変化の違いで酸の強さが影響します。酸が解離して生成する陰イオンが安定であればあるほど解離し易くなり、強い酸性を示します。図 5-5 に示すように 2 重結合と電子51H対あるいは 2 重結合同士は側面で相互作用をしま

H

H

C
H3C

H

+ H

C
OH

H3C

O

す。このような相互作用

エ タノ ール

エト キシ基を共鳴といい、僅かながO

O

らも結合エネルギーに安C

C定化が起こります。カル
ボン酸が解離して生成す

H3C

OH

H3C

酢酸

H3C
C

+ H

O

O

O

アセ トキ シ基

図 5-5 酢酸の解離とアセトキシ陰イオンの安定化

るカルボキシルラート（カルボン酸陰イオン）は、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、この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
O

す。

O

C
H

炭素＝酸素 2 重結合の隣の炭素に水素が

C
CH3

H

ア セト アル デヒ ド

結合している場合にも、共鳴による安定化が同じように起こりますから、僅かながら水素

C
C

O

C

H
H

H
O

になった 2 重結合の隣の炭素が近くにうろう
Hし、2 分子の炭素＝酸素 2 重結合化合物から

CH3
OH

C

ろしている炭素＝酸素 2 重結合に付加反応

H

H
O

H

陽イオンを解離します。結果として陰イオン

H
C

CH
C
H2

CH3

ア ルドール

図 5-6 アルドール反応の機構

炭素－炭素結合が新たに結ばれ 2 量化します。炭素＝酸素 2 重結合を持つアセトアルデヒドにおいてこの反応が進行しますと、図 56 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、生物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、アルドール型の縮合反応とその逆反応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 5-7 にまとめました。第 2 章の「二酸化炭素は水の中で炭酸に」の節で見てきたように二酸化炭素の炭素＝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
52

CH2
O

C

OH

CH

二酸化炭素

OH

CH

OH

CH2

OH

CH2
OH

C

OH

C

異性化反応

OH

CH

OH

CH2

OH

5a

CH2
CH

O

C

異性化反応

CH

OH

CH2

OH

5b

5c
縮合反応

六炭糖6a
CH2

OH

CH

OH

NADPH

CH

O

還元反応

三炭糖3a-c

五炭糖5a-c

OH

OH

CH2

OH

CH

CO2H

3a

グリセルアルデヒド3b
O

CH

O

NADPH

三炭糖3a-c

CH

OH

CH2

OH

C

OH

CH

OH

CH2

OH

グリセルアルデヒド3b

CO2

CH2

OH

OH

C

CO2H

O

C

H2O

CH

OH

CH2

OH

加水分解反応

還元反応

二炭糖

OH

6a

3a

異性化反応

六炭糖6b

七炭糖

O

CH2

OH

CH2

OH

CH

O

C

O

C

O

CH

OH

CH2

OH

CH

OH

CH

OH

CH

3c

CH

OH

CH2

OH

OH

縮合反応

CH
CH

OH
OH

異性化反応

CH
CH

OH

CH2

OH

四炭糖
ブドウ糖

図 5-7 炭酸同化反応
炭酸同化反応の概略
同化反応の概略

CH2

グリセルアルデヒド3b

OH

6b

ブ ドウ糖

図 5-8 炭酸同化反応
炭酸同化反応の一部分
同化反応の一部分

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 5-8 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。
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が、生体内では主にブドウ糖や果糖などの炭水化物として植物はエネルギーを貯蔵していますから、ブドウ糖の構造と性質を調べてみましょう。ブドウ糖は C6H12O6 の分子式を持つ化合物で、通常は酸素を含む 6 元素からなる環の炭素上に水酸基が結合した構造をしています。その構造式から明らかなように、ブドウ糖は 5 本の炭素－炭素結合、5 つの水酸基、7 本の炭素－水素結合でできていますが、1 つの炭素原子だけはブドウ糖の 5 つの水酸基の一つが分子内にあるアルデヒドの性質を持つ炭素＝酸素 2 重結合に付加反応したアセタール構造をとっています。
このとき 6 原子で構成される環構造になるため、炭素の最も安定な 109.5°の結合角を保ちながら、隣接する種々の置換基の相互反発が最小になります。一般的にアセタール構造を53

持つ化合物の性質を考えると不安定で脱離反応が進行すると予想されますが、ブドウ糖は同一炭素上に 2 つの陰イオン性の酸素が結合することによる不安定化が、6 員環構造による安定化により打ち消されます。そのためブドウ糖はアセタール構造を持ちながら、極めて安定なグルコピラノースと呼ばれる構造が優先します。
ブドウ糖においては非常にアセタール型に偏ってはいますが、炭素＝酸素 2 重結合構造とアセタール構造の間には付加反応と脱離反応の平衡が存在しますから、炭素＝酸素 2重結合を持つアルデヒド型との平衡が考えられ、図 5-9 に示すようにブドウ糖は 5 つの水酸基を持つ鎖状のアルデヒドと平衡状態にあります。アルデヒド部分と隣接する炭素原子を結び付けている結合は単結合ですから、自由に回転できます。アセタール型の結合がアルデヒド型に開環した後に、H再び付加反応が起こってアセ

CH
C 2C

タール型になるときに、アルデヒド平面の右側から付加す

H2
C

OH

HO
HO

H O
C

C H

H
C
OH
OH

H
α-グルコ
ピラノース

るか左側から付加するかにより 2 種類の化合物が生成します。アセタール部分の水酸基の結合方向によるα-型とβ型の 2 種類のグルコピラノー
スが、アルデヒド型を中間に付加脱離反応で相互に平衡に存在しています。

HO
H

HO

OH

H
OH
CH
H
C 2C
C
C
HO
OH
HO C H
O
H
H

H
C

H

H

O

C OH
C

H C
C

OH

OH
H
α-グルコ
フラノース

OH

H
OH
CH
O
C 2C
C
C
HO
OH
H2
H
C
HO
H
OH
H
C
H
C
H O
OH
H
HO
CH2
O
OH
HO
C
C C
C
OH
H C
C
HO
OH
HO C H
C
H C
H
H
H
OH
H
β-グルコ
β-グルコ
ピラノース
フラノース

図 5-9 ブドウ糖の互変異性
ブドウ糖の互変異性

ブドウ糖は 5 つの炭素原子にそれぞれ水酸基が結合していますから、何れの水酸基がアルデヒドの炭素＝酸素 2 重結合と結合してもアセタールに変換することができます。6つの原子で構成される環状のアセタールのほかに、7 つの原子、5 つの原子、4 つの原子、
3 つの原子で構成される環状のアセタールが理論上は考えられます。グルコビラノースは
6 つの原子で環を構成していますが、5 つの原子で構成されるグルコフラノースもエネルギ
ー的に安定で、相互に変換する異性体です。7 つの原子で構成される環状のアセタールは
ピラノースやフラノースに比べて若干不安定なために、ブドウ糖ではほとんど確認できません。3 つや 4 つの原子で構成される環状のアセタールは結合角が 109.5°より極端に小さくなりますから、極めて不安定な構造となり、全く存在することはありません。図 5-9 に示すように、ブドウ糖はアルデヒド型のほかにピラノース型とフラノース型にそれぞれα-型とβ-型の異性体があるために、合計 5 種類の異性体間の平衡状態にありますが、中でもβ-グルコビラノースが最も安定な異性体です。水溶液中ではブドウ糖の 64%がβ-グル
コピラノース、36%がα-グルコピラノースの割合で存在しています。
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
54

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。

生物はブドウ糖をゆっくり燃やして活力に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い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高温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化合物の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、座興で友人が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付きませんでした。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 510 のように薄暗いバーの中でユラユラと赤い炎を上げながら角砂糖を燃やしてみせました。
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 5-10 角砂糖を燃やす実験
前節の「太陽光で二酸化炭素をブドウ糖へ」で見てきたように、植物の中では吸収された太陽の光エネルギーで水が酸化分解され、二酸化炭素がブドウ糖に変換されて光エネ
ルギーを蓄えます。生合成された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や根を作り、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。枯葉や薪や角砂糖が高温を発し、赤色の炎を上げて燃えることからも分かるように、沢山のブドウ糖が結合したセルロースや糖類やでんぷんと呼ばれる物質は効率よく蓄えた太陽光のエネルギーを酸化反応により放出します。しかし、森の木樹が生命活動を維55

持するためにブドウ糖を単位とするこれらの炭水化物を単に酸化すれば山火事になってし
H H

まいますし、人間がご飯を食べて消化

H H

HO

して栄養として摂取したブドウ糖を単に酸化すれば、体温を 36℃に維持す

H

O

H2O3P

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

H

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

ATP
-ADP

H

OH

ぶ どう糖

ATP/-ADP

ることはできず火傷してしまいます。

H2O3P

H

O

H

H

PO3H2

H
H

C
HO

乳酸

O

H

H

H2O3P

H

C

ADP/-ATP

O

C

ピルビン酸

O

OH

C

OH

H
H

C

A（ アセチル -S-CoA）を形成した 後

C H
HO

H

C
C
H

エタノール

H

C

NADP+
-NADPH

C

PO3H2

H

C

H

C
O

OH

酢酸

アセトアルデヒド

H

H

HS-CoA

C
O

O

H

H

H

H

C

O

O

H

H

NADPH
-NADP+OH
C

PO3H2 O

O

CO2
H

H

O

OH -H2OO

NADP+/-NADPH

ADP/-ATP
C

C

C

O

H

H

C

応、分解反応、酸化反応などの複雑なに、さらに二酸化炭素に酸化分解しま

H

NADP+/-NADPH
C

O

H

C

H

H

PO3H2
H

H C

NADPH/-NADP+

一連の反応によりブドウ糖が異性化反

PO3H2

OH

C

は、図 5-11 に示す解糖反応と呼ばれる化炭素を放出しながらアセチル補酵素

H

H
OH

C

OH

C

化とともに進化してきた生物の体内で

C

H

O

C

利用することができません。地球の進

C
HO

H

O

C
O H
OH C

C H

動を維持するためのエネルギーとして反応経路でピルビン酸に変化し、二酸H
H

C

動物も植物も複雑な酸化過程を経てブドウ糖を酸化分解しなければ、生命活

H

OH

CoA

S

ア セチル補酵素A

図 5-11 解糖反応の機構

す。

生物はこのブドウ糖から二酸化炭素まで酸化する複雑な反応過程で、表 5-2 に掲げたよ
うにブドウ糖の燃焼熱に相当する 673.0kcal/mol のエネルギーを徐々に発生させ、生命活動の維持に必要なエネルギーに利用しています。図 5-12 に示すように ADP（アデノシン二リン酸）はリン酸との 7.29kcal/mol の吸熱的な反応により 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 のエ
ネルギーを放出します。図 5-12 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、エネルギーを放出するとともに分解反応を活性化します。分解した 3 炭糖は NADP 陽イオンを NADPH まで還元するとともに、脱水を伴い 2 モルの ADP と反応して ATP とピルビン酸を生成します。図 5-11 に示すこの一連NH2の反応により 1 モルのブドウ糖から 2 モルのN

N

ピルビン酸を生成していますが、同時に 2 モ
O

ルの ADP と NADP 陽イオンからそれぞれ 2 モ

HO

ルの ATP と NADPH を生成します。

N

O

P

O

OH

P

O

O

OH
H

ADP

生物体内では、ブドウ糖を分解して生成

N

H

H

+ 7.29kcal/mol

OH

H
OH

NH2

N

したピルビン酸は酵素の働きでアセトアルデ

H2O
O

ヒドと二酸化炭素に分解されますが、アセト
HO

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
56

O

P

O

OH

N

O

P

O

OH

ATP

P

N

H3PO4

O

N

O

OH
H

H

H

OH

H
OH

図 5-12 ADP-ATP 間の反応

素 A と結合して図 5-13 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。クエン酸サイクルと呼ばれるこの一連の反応では図 5-13 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、オキザロ酢酸が触媒として回収されます。
O

このクエン酸サイクルの反応ではC酢酸が酸化して 2 モルの二酸化炭素をH3 C生成しますが、同時に 3 モルの NADP
陽 イ オ ン と 1 モ ル の ビ タ ミ ン B2
（FAD）がそれぞれ NADPH と還元型

OH
H2
C
S

C
H2

C
O
H2
C

N
H2N

O

N

N

ビ タミ ン B2 （ FADH2 ）ま で還 元さ

H
N
C
H2
O

O

CH

CH3

C

C

O O

CH2

O

O

CH3

P

P

CH

CH
N

H2
C

H
N

CH CH

O

O

P

HO

OH
OH

OH

ア セチ ル補 酵 素A

OHれ、発生するエネルギーは 1 モルの-HS-CoA

ADP とリン酸を縮合させて ATP とし
O
H2
C C

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変化、アセチル補酵素 A への脱炭酸反応、クエン酸サイクルを経由する二酸化炭

HOOC

HOOC

オキ ザロ酢酸 COOH

クエ ン酸

NADP+/-NADPH

HOOC

モルのブドウ糖から 6 モルの二酸化炭

リンゴ酸素に酸化される過程で、4 モルの ATP

OH
HOOC

COOH

フマル酸

COOH

C
H

C
H

COOH

HOOC

H2 H
C C

C

COOH

COOH
FAD/FADH2に必要なエネルギーをそれぞれ 3 モル
から、ブドウ糖の二酸化炭素への酸

C
H
COOH

O
HOOC

と還元型ビタミン B2 はその還元反応と 2 モルの ATP の形で含んでいます

H2 H
C C

NADP+/-NADPH

H2Oと 10 モルの NADPH と 2 モルの還元型ビタミン B2 を生成します。NADPH

COOH-H2O/H2O

OH
H2
C CH

素までの分解過程を総括しますと、1

OH
H2
H2
C C C COOH

HOOC

CO2

H2 H2
C C COOH

HOOC

O
H2 H2
C C C

COOH

コハク酸

化反応で発生するエネルギーは合計

NADP+/-NADPH

ADP/-ATP38 モルの ATP を生成することに費やCO2

図 5-13 クエン酸サイクルされます。

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。人間もでんぷんやタンパク質や脂肪を栄養として摂取し、肺から吸収

57

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。肺などで吸収した酸素は図 5-14 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ヘモ
グロビンの第 1 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 2 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 5-14 に示すように酸素分子から水への還元反応と 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 ですから反応が自働的に進行します。図 5-14 に示す反応により過剰になった NADPH は酸素を水に還元して 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 5-11 の青線で示すように炭素=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。
O

Fe2+

1/2O2

H3CO

R

H3C

H
N

H3CO

CH3

H3C

N

1

ユビキノン O

0.82V

0.46V

0.49-0.80V

R1:

C
H2

C
H

C

C
H2

H
6-10

R2:

1

R

H3C

N

H3CO

CH3

H3C

N
FAD

HO

HO

OH

CH2

O
O
O
O P O P O CH2
OH OH

O

N
H

N

NH2
+

O NADPH-0.32V
R3

NH
N

N
NH2

O

R2

H H

OH
N

N

O

O

H3CO

CH3

NH

0.41V

ユビキノール OH

H2
C

R

OH

Fe3+

H2O

FADH2

2

R3

O

O NADPH

HO
N

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

R3:
N

NH2

HO

OH

OPO3H2
N
N

N
N
NH2

図 5-14 酸素による NADPH の酸化反応
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 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 3-7 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 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。
58

植物はブドウ糖を鎖状に長く繋げることによりセルロースの形で幹や枝や葉を作り、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。人間はセルロースを直接消化する機構を持ち合わせていませんから、バラバラにブドウ糖に加水分解することが出来ま
せんが、米や麦や芋などのでんぷんや砂糖を食べ物として摂取し、消化器官の中で消化酵素の援けを借りてブドウ糖に分解し、腸から体内に吸収しています。栄養として吸収されたブドウ糖は赤血球に結合したタンパク質に包み込まれ、脳や筋肉などのエネルギーを必要とする器官まで赤血球と共に配送されます。配送先でブドウ糖は酸化されて、還元能力を持つ NADPH や高い化学エネルギーを内蔵する ATP を生成します。このようにして生成した NADPH は還元反応により生命活動に必要な種々の物質を生成しますし、過剰になった NADPH は肺から体内に吸収した酸素を水に還元して NADP 陽イオンとして回収します。
このように NADP 陽イオンと NADPH は生物体内で水の酸化分解で生まれた還元する能力
や酸素分子の持つ酸化する能力を生体内の各所へ伝達する役目を担っていますし、ATP は体内の各器官が支障なく機能するためのエネルギーを配送する運び屋の働きをします。
植物は太陽の光エネルギーを吸収して、水を酸素に酸化分解し還元する能力を持つ
NADPH を生じますが、この NADPH が二酸化炭素を還元してブドウ糖に変換します。このように二酸化炭素から生合成されたブドウ糖をさらにセルロースまで重合して葉や枝や幹や根を形作っていますが、また砂糖やでんぷんなどの別の物質にも変換し植物の生命活
動の活力として貯蔵しています。これらのブドウ糖を構成単位とするセルロースや砂糖やでんぷんを糖質と呼んでいますが、この糖質が酸素と反応しますと大量の発熱を伴い水と二酸化炭素に戻ります。植物自体は太陽光の光エネルギーを用いて生合成したブドウ糖を二酸化炭素まで酸化するときに発生するエネルギーを活力に生命活動を維持しています。
微生物も植物の作ってくれたブドウ糖などの糖質を摂取して、体内でエタノールや酢酸や二酸化炭素まで分解することによりそれぞれの生命活動を維持するための活力にしています。人間をはじめすべての動物は生命活動を維持するための活力の源として、植物の作ってくれたブドウ糖などの糖質が水と二酸化炭素に変化する時に放出するエネルギーを利用しています。ブドウ糖から二酸化炭素への酸化により発生するエネルギーを利用する人間
は大気に約 25％含まれている酸素を酸化剤として吸い込み、太陽のエネルギーを蓄えたブ
ドウ糖を二酸化炭素へ酸化分解して、二酸化炭素を排出する呼吸をしています。このように動物や植物などすべての生物は植物が太陽光のエネルギーを使って二酸化炭素から生産したブドウ糖などの糖質を分解するときに発生するエネルギーを活力にして生命活動を維持しています。二酸化炭素は生物が生命活動を維持するために要する活力を太陽光から取り込み蓄えるときに欠くことのできない物質です。

酸素無しで棲息する太古の生物
酸素無しで棲息する太古の生物
宇宙を構成する元素の 90％以上は水素ですから、誕生間もない 45 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59

とんど酸素分子が存在していませんでした。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、当時の陸上は生物の棲息できる環境ではありませんでした。しかし、第 3 章の「地球上には大量の水」の節で考えたように軽い水素は地球の脱出速度より早く動き回り拡散し易いために、長い時間の間に水素は地球から次第に宇宙の彼方に飛散してゆきましたから、徐々に酸化状態の環境になり大気中の酸素の割合が高くなってきました。酸素分子は生物に有害な宇宙線や紫外線を吸収しますから、光合成に有利な強い太陽光が降り注ぐ陸上も生物の棲息できる環境になり、約 4 億年前に初めて生物が上陸してきました。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。
しかし、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す。
図 5-12 に示すように ADP(アデノシン二リン酸)はリン酸との 7.29kcal/mol の吸熱的な反応により 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 のエネルギーを放出します。図 5-11 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
ルギーを発生するとともに分解反応を活性化します。分解した 3 炭糖は NADP 陽イオンを
NADPH まで還元するとともに、脱水を伴い 2 モルの ADP と反応して ATP とピルビン酸を生成します。図 5-11 に示すこの一連の反応により 1 モルのブドウ糖から 2 モルのピルビン酸を生成していますが、同時に 2 モルの ADP と NADP 陽イオンからそれぞれ 2 モルの ATPと NADPH を生成します。
漬物やヨーグルトを作るために利用している乳酸菌も図 5-11 に示した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。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 5-11 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。ブドウ糖は酸化数-1 と 0 と+1 の炭素原子がそれぞれ 1 個と 4 個と 1 個で構成されていますから、分子全体としてはブドウ糖の炭素原子の酸化数は 0 と考えることができます。他方、乳酸は 1 個ずつの酸化数-3 と 0 と+3 の炭素原子で構成されていますから、分子全体としては乳酸の炭素原子の酸化数も 0 と考え60

ることができます。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消費された NADP 陽イオンはピルピン酸から乳酸への還元反応の過程で再生補給されますから、この変化の前後で酸化数の変化がなく、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。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、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。このエネルギーを活力として乳酸菌の生命活動が維持されています。このように酸素の無い
太古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。
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 5-11 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。酵母菌も図 5-11 の赤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。さら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が、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。嫌気性生物は酸素を生命の維持に利用できませんから、乳酸菌の場合と同じように経過する一連の変化の一部の過程では酸化・還元反応が含まれていますが、分子全体としてブドウ糖から分解生成物への炭素原子の酸化数に変化がないと思われます。アルコール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酸化数-3 と-1 の炭素原子を持つエタノール 2 モルと酸化数+4 の二酸化炭素 2 モルへの分解反応ですから、酸化数の総和が 0 となり総合的には酸化・還元反応の関わらない分解反応です。
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 モルのエタノール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で消費された NADP 陽イオンはピルピン酸からエタノールと二酸化炭素への分解の過程で再生補給されますから、この変化の前後
で酸化数の変化がなく、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。ブドウ糖の分解によるピルビン酸への変化を経由してエタノール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 モルずつのエタノールと二酸化炭素に変化する過程
で、2 モルの ATP を生成しますから、アルコール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。このエネルギーを活力として酵母菌の生命活動が維持されています。
酢酸菌も図 5-11 の緑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
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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
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
+ 14.6kcal/mol
C
乳酸 O

2C2H5OH + 2CO2 + 14.6kcal/mol
エタノール

2CH3CO2H + 2CO2 + 102.0kcal/mol
酢酸

図 5-15 乳酸発酵とアルコール発酵
乳酸発酵とアルコール発酵と酢酸発酵とアルコール発酵と酢酸発酵の反応と酢酸発酵の反応熱の反応熱
ルずつ生産します。次いで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ます。酢酸菌は人間などと異なり補酵素 A が作用しませんから、
図 5-13 に示すクエン酸サイクルが進行しません。酢酸発酵と呼ばれるこの一連の変化は、
1 モルの酸化数 0 のブドウ糖から酸化数-3 と∔3 の炭素原子を持つ酢酸 2 モルと酸化数+4 の二酸化炭素 2 モルへの分解反応ですから、総合的には酸化数の総和が∔8 増加する酸化反応です。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。このエネルギーを活力として酢酸菌の生命活動が維持されています。
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。そのような環境の下で生息してきた生物は、活力の源となるブドウ糖を酸化反応以外の化学的変化で生ずる僅かな生成熱で生命活動を維持していました。還元性の高い環境の太古の昔から環境の変化に徐々に適応して生き延びてきた微生物は、大気中に 20％以上の酸素を含む酸化性の環境においても従来の様式で生命活動の維持をしています。現に乳酸菌はブドウ糖の分解の一部の過程では酸化・還元反応が含まれていますが、一連の全変化では酸化・還元反応の関わらない乳酸への分解反応で活力を得ています。そのため図 5-15 の青色文字で示すように、乳酸菌はブドウ糖が持つ 674kcal/mol の結合エネルギーの僅か 2%に相当する 14.6kcal/mol
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。同様に
図 5-15 の赤色文字で示すように、酵母菌がアルコール発酵するときにもブドウ糖が持つ674kcal/mol の結合エネルギーの僅か 2%に相当する 14.6Kkcal/mol しか生命活動を維持する

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ための活力として利用せずに大部分を美味しいエタノールの形で食べ残しています。また、
図 5-15 の緑色文字で示すように、酢酸菌が酢酸発酵するときにはお寿司に欠かせない酢酸の形で食べ残していますが、ブドウ糖の持つ 674kcal/mol の結合エネルギーの 15%に相当する 102.0kcal/mol を生命活動の維持のための活力として利用しています。このように太古の昔から生き続けてきた微生物が美味しいものを食べ残して生活しているのに対して、図5-15 の黒色文字で示すように酸化的な環境の現代に生きる大多数の生物は二酸化炭素しか排出せずにブドウ糖を余すところなく食べ尽くして 227kcal/mol のエネルギーを生命活動の維持する活力にしています。生物は環境に順応しながら徐々に効率よくなるように進化していることが見えてきます。

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