Biochemistry · 3/1

生化学的経路の熱力学；可逆・不可逆反応；吸エルゴン反応と発エルゴン反応の共役；高エネルギー化合物；ATPの中心的役割；還元当量

Thermodynamics of biochemical pathways; reversible/irreversible reactions; coupling of endergonic and exergonic reactions; high-energy compounds; central role of ATP; reducing equivalents — L I

🧠 生体エネルギー論は「ATPという共通通貨currency通貨（currency）currency（通貨）で、発エルゴン反応exergonic reaction発エルゴン反応（exergonic reaction）exergonic reaction（発エルゴン反応）の発熱を吸エルゴン反応endergonic reaction吸エルゴン反応（endergonic reaction）endergonic reaction（吸エルゴン反応）に受け渡す」と読む。生体は等温系で、化学エネルギーchemical energy化学エネルギー（chemical energy）chemical energy（化学エネルギー）を使う。ATPは貯蔵ではなく通貨currency通貨（currency）currency（通貨）で、加水分解の大きな負のΔGで不利な反応を駆動する。還元当量NADH/FADH₂還元当量（NADH/FADH₂）NADH/FADH₂（還元当量）は「電子の運び手」として酸化的リン酸化oxidative phosphorylation酸化的リン酸化（oxidative phosphorylation）oxidative phosphorylation（酸化的リン酸化）につながる。

生体エネルギー論の基本

生体エネルギー論（＝生化学的熱力学）は、生化学反応chemical reaction化学反応（chemical reaction）chemical reaction（化学反応）に伴うエネルギー変化を扱う。生体はほぼ等温で、化学エネルギーchemical energy化学エネルギー（chemical energy）chemical energy（化学エネルギー）を生命活動に使う。

発エルゴン反応exergonic reaction発エルゴン反応（exergonic reaction）exergonic reaction（発エルゴン反応）（ΔG<0）: 自発的。エネルギーを放出。
吸エルゴン反応endergonic reaction吸エルゴン反応（endergonic reaction）endergonic reaction（吸エルゴン反応）（endergonic, ΔG>0）: 非自発的。エネルギーを要する。
生体は両者を共役させ、発エルゴン反応exergonic reaction発エルゴン反応（exergonic reaction）exergonic reaction（発エルゴン反応）の自由エネルギーfree energy自由エネルギー（free energy）free energy（自由エネルギー）で吸エルゴン反応endergonic reaction吸エルゴン反応（endergonic reaction）endergonic reaction（吸エルゴン反応）を進める。ATPがこの受け渡しの中心。

ATP＝エネルギー通貨

ATPは「貯蔵形storage form貯蔵形（storage form）storage form（貯蔵形）」ではなく、発エルゴンと吸エルゴンの過程の間で自由エネルギーfree energy自由エネルギー（free energy）free energy（自由エネルギー）を転送する通貨currency通貨（currency）currency（通貨）である。

ATPの数値	値
標準加水分解 ΔG°′	−30.5 kJ/mol
実際のΔG（筋細胞）	約 −54.7 kJ/mol
実際のΔG（赤血球）	約 −51.8 kJ/mol
細胞内濃度	2–10 mM
体内総量	約50 g
代謝回転turnover代謝回転（turnover）turnover（代謝回転）	安静時約50 kg/日、運動時約0.5 kg/分

💡 ATP加水分解のΔGが大きいのは「電荷反発charge repulsion電荷反発（charge repulsion）charge repulsion（電荷反発）の解消」と「共鳴安定化resonance stabilization共鳴安定化（resonance stabilization）resonance stabilization（共鳴安定化）」。隣接する負電荷リン酸酸素の反発が加水分解で解消され、生成物（特にリン酸）が共鳴混成体resonance hybrid共鳴混成体（resonance hybrid）resonance hybrid（共鳴混成体）として安定化する。標準値(−30.5)より細胞内の実際値の方が負に大きい（ADP・Piが低濃度のため）。

なぜATPが必要か

エネルギー通貨ATP is the energy currencyエネルギー通貨（ATP is the energy currency）ATP is the energy currency（エネルギー通貨）。
リン酸化反応のリン酸供与体donor供与体（donor）donor（供与体）（受容体・タンパク質など）。
cAMPの前駆体。
細胞外に放出されプリン作動性（purinergic）受容体に作用する共伝達物質。
他のNTP（GTP・ITP）へのトランスホスホリル化transphosphorylationトランスホスホリル化（transphosphorylation）transphosphorylation（トランスホスホリル化）。

高エネルギーリン酸化合物とリン酸転移ポテンシャル

化合物は「リン酸基転移ポテンシャルphosphoryl-group transfer potentialリン酸基転移ポテンシャル（phosphoryl-group transfer potential）phosphoryl-group transfer potential（リン酸基転移ポテンシャル）」の高低で並ぶ。高ポテンシャル供与体donor供与体（donor）donor（供与体）→ATP→低ポテンシャル受容体（グルコースなど）へ、キナーゼが触媒して流れる。

高エネルギー化合物	例
リン酸無水物	ATP、GTP
チオエステル	アセチルCoA（acetyl-CoA、CoAが関与）
その他	S-アデノシルメチオニンS-adenosylmethionine (SAM)アデノシルメチオニン（S-adenosylmethionine (SAM)）S-adenosylmethionine (SAM)（アデノシルメチオニン）、UDP-グルコース、PRPP
ホスファゲンphosphagenホスファゲン（phosphagen）phosphagen（ホスファゲン）（貯蔵形storage form貯蔵形（storage form）storage form（貯蔵形））	クレアチンリン酸creatine phosphateクレアチンリン酸（creatine phosphate）creatine phosphate（クレアチンリン酸）（脊椎動物）、アルギニンarginine (Arg)アルギニン（arginine (Arg)）arginine (Arg)（アルギニン）リン酸（無脊椎動物）

⭐ クレアチンリン酸creatine phosphateクレアチンリン酸（creatine phosphate）creatine phosphate（クレアチンリン酸）は筋・脳のATP緩衝。 クレアチンキナーゼcreatine kinase (CK)クレアチンキナーゼ（creatine kinase (CK)）creatine kinase (CK)（クレアチンキナーゼ）が、安静時にATPのリン酸をクレアチンに預け、運動時に素早くATPを再生する。ATPそのものより多く貯められる「エネルギーの貯金」。

高エネルギーリン酸の供給源

供給源	内容
酸化的リン酸化oxidative phosphorylation酸化的リン酸化（oxidative phosphorylation）oxidative phosphorylation（酸化的リン酸化）	ミトコンドリアでのATP産生（最大）
解糖	基質レベルのリン酸化substrate-level phosphorylation基質レベルのリン酸化（substrate-level phosphorylation）substrate-level phosphorylation（基質レベルのリン酸化）でATP
クエン酸回路citric acid cycle (TCA cycle)クエン酸回路（citric acid cycle (TCA cycle)）citric acid cycle (TCA cycle)（クエン酸回路）	基質レベルのリン酸化substrate-level phosphorylation基質レベルのリン酸化（substrate-level phosphorylation）substrate-level phosphorylation（基質レベルのリン酸化）
ミトコンドリアPEPCK	mitoPEPCK
相互変換	アデニル酸キナーゼadenylate kinaseアデニル酸キナーゼ（adenylate kinase）adenylate kinase（アデニル酸キナーゼ）、ヌクレオシド二リン酸キナーゼnucleoside diphosphate kinase (NDPK)ヌクレオシド二リン酸キナーゼ（nucleoside diphosphate kinase (NDPK)）nucleoside diphosphate kinase (NDPK)（ヌクレオシド二リン酸キナーゼ）（新規の高エネルギーリン酸は作らない）

還元当量

還元当量Reducing equivalents還元当量（Reducing equivalents）Reducing equivalents（還元当量）は電子（水素）の運び手。酸化還元oxidoreduction (redox)酸化還元（oxidoreduction (redox)）oxidoreduction (redox)（酸化還元）反応でNAD⁺/NADP⁺・FADが電子を受け取り、酸化的リン酸化oxidative phosphorylation酸化的リン酸化（oxidative phosphorylation）oxidative phosphorylation（酸化的リン酸化）や還元的生合成biosynthesis生合成（biosynthesis）biosynthesis（生合成）に使われる。

運び手	英語	役割・標準酸化還元電位redox potential酸化還元電位（redox potential）redox potential（酸化還元電位）
NAD⁺	nicotinamide adenine dinucleotide	異化catabolism異化（catabolism）catabolism（異化）（分解）の電子受容体。E°′≈−0.32 V
NADP⁺	nicotinamide adenine dinucleotide phosphate	同化anabolic同化（anabolic）anabolic（同化）（還元的生合成biosynthesis生合成（biosynthesis）biosynthesis（生合成））に使う
FAD/FMN	flavin nucleotides	酵素結合の補欠分子族prosthetic group補欠分子族（prosthetic group）prosthetic group（補欠分子族）。E°′≈−0.22 V

💡 NADHは異化catabolism異化（catabolism）catabolism（異化）、NADPHは同化anabolic同化（anabolic）anabolic（同化）。 構造は似るが役割を使い分ける。NADHは電子伝達系electron transport chain電子伝達系（electron transport chain）electron transport chain（電子伝達系）に電子を渡してATPを作る（分解系）、NADPHは脂肪酸・コレステロール合成など還元的生合成biosynthesis生合成（biosynthesis）biosynthesis（生合成）に使う。

エネルギーチャージ

アデニンヌクレオチドAMP+ADP+ATPアデニンヌクレオチド（AMP+ADP+ATP）AMP+ADP+ATP（アデニンヌクレオチド）の濃度比は細胞のエネルギー状態を反映する。エネルギーチャージenergy chargeエネルギーチャージ（energy charge）energy charge（エネルギーチャージ）が高い（ATP多い）と異化catabolism異化（catabolism）catabolism（異化）が抑制され同化anabolic同化（anabolic）anabolic（同化）が促進、低いと逆になる。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='exergonic reaction'>発エルゴン反応</span>（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='catabolism'>異化</span>：栄養素分解）"]
  A --> B["ATP合成・NADH/FADH₂生成"]
  B --> C["ATP＝<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ATP is the energy currency'>エネルギー通貨</span>"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='endergonic reaction'>吸エルゴン反応</span>（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='anabolic'>同化</span>・輸送・運動）"]
  B --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Reducing equivalents'>還元当量</span> → <span class='jp-term jp-term-diagram' title='oxidative phosphorylation'>酸化的リン酸化</span> / <span class='jp-term jp-term-diagram' title='biosynthesis'>生合成</span>"]

まとめ

生体は発エルゴン反応exergonic reaction発エルゴン反応（exergonic reaction）exergonic reaction（発エルゴン反応）と吸エルゴン反応endergonic reaction吸エルゴン反応（endergonic reaction）endergonic reaction（吸エルゴン反応）を共役させ、ATPが自由エネルギーfree energy自由エネルギー（free energy）free energy（自由エネルギー）を受け渡す通貨currency通貨（currency）currency（通貨）。
ATP加水分解ΔG°′=−30.5 kJ/mol（実際はより負）。電荷反発charge repulsion電荷反発（charge repulsion）charge repulsion（電荷反発）解消と共鳴安定化resonance stabilization共鳴安定化（resonance stabilization）resonance stabilization（共鳴安定化）による。
高エネルギー化合物はリン酸転移ポテンシャルphosphate transfer potentialリン酸転移ポテンシャル（phosphate transfer potential）phosphate transfer potential（リン酸転移ポテンシャル）で並ぶ。クレアチンリン酸creatine phosphateクレアチンリン酸（creatine phosphate）creatine phosphate（クレアチンリン酸）は筋・脳のATP貯金。
供給源は酸化的リン酸化oxidative phosphorylation酸化的リン酸化（oxidative phosphorylation）oxidative phosphorylation（酸化的リン酸化）・解糖・クエン酸回路citric acid cycle (TCA cycle)クエン酸回路（citric acid cycle (TCA cycle)）citric acid cycle (TCA cycle)（クエン酸回路）の基質レベルリン酸化など。
還元当量Reducing equivalents還元当量（Reducing equivalents）Reducing equivalents（還元当量）はNADH（異化catabolism異化（catabolism）catabolism（異化））とNADPH（同化anabolic同化（anabolic）anabolic（同化））で使い分け、FADは酵素結合。
エネルギーチャージenergy chargeエネルギーチャージ（energy charge）energy charge（エネルギーチャージ）が代謝の方向を制御する。