高校生物 酸化還元と補酵素—電子の受け渡しから呼吸と光合成の流れを追う｜武蔵野個別指導塾

NADHが電子を渡す向きと酸化型の再生を結び、補酵素の残量から反応量を読む条件を整理します。

NADHが電子を渡してNAD⁺になるとき、NADHは酸化されます。受け取る相手は還元されるので、同じ電子の移動を両側から読むことができます。よくあるのは、NADHが酸化される側を逆に読むという場面です。名前の末尾のHを見て判断を急ぐ前に、電子がどちらからどちらへ移るかを矢印にしてください。

呼吸では有機物から取り出した電子をNADHが電子伝達系へ運び、光合成では光を利用した反応でできるNADPHが炭素を含む物質の還元に使われます。ここでは運搬体の変化と再生を中心に扱い、電位の数値による計算には踏み込みません。

問いの形と見落としやすい条件

反応の前後が示され、酸化された物質と還元された物質を選ぶ問題があります。この型では、反応全体を一度に眺めるより、相手ごとに前後を対応させます。NAD⁺がNADHになったなら、NAD⁺は電子を受け取って還元されています。同時に、電子を渡した物質は酸化されています。

次の型は、一定量の補酵素が繰り返し使われる収支です。初めと終わりの量から直接わかるのは正味の変化であり、途中で何回還元と酸化が起きたかは別の情報が必要です。生成量と残存量を混同しないことが鍵です。

さらに、明暗や電子の受け渡し先を変えた自作資料から、どの反応が続くかを推定する型があります。変化を起こした条件以外をそろえ、観測値と、その原因についての推定を分けます。途中の量が増えたことだけから、特定の酵素の異常まで断定することはできません。

電子の行き先を2つの組で追う

酸化とは電子を失う変化、還元とは電子を受け取る変化です。電子は消えず、受け渡しは対になっています。水素の移動に注目する説明も有用ですが、水素イオンと電子は同じものではありません。電子を基準にすることで、酸素が直接登場しない反応でも向きを整理できます。

NAD⁺とNADHは同じ補酵素の酸化型と還元型の組です。NAD⁺は電子2個とH⁺を受け取りNADHになり、逆向きにはNADHが電子2個を渡してNAD⁺になります。式に現れるH⁺の出入りは相手を含む反応式全体で整えます。NADP⁺とNADPHも対応する組で、還元型は電子を渡すことができます。両者は別の組なので、問題に置換の条件がない限り、NADHの量をNADPHの量に加えません。

図1のように、呼吸の流れでは有機物の酸化に伴ってNAD⁺が還元され、NADHの電子は電子伝達系に渡されます。真核細胞では解糖系は細胞質基質、クエン酸回路はミトコンドリアのマトリックス、呼吸の電子伝達系は内膜にあります。電子は最終的に酸素に渡り、水が生じます。NADH自身が酸素になるわけでも、NADHがATPそのものであるわけでもありません。

光合成では葉緑体のチラコイド膜で光エネルギーを利用して電子が運ばれ、水から供給された電子がNADP⁺の還元につながります。ストロマのカルビン回路ではNADPHが還元に使われ、NADP⁺が再生されます。ATPは別の物質として反応を進めるために使われます。電子の運搬とATPの供給を同じ矢印にまとめないと、物質の行き先とエネルギーの利用を区別できます。

呼吸でも光合成でも、還元型が電子を渡して酸化型に戻ることが次の受け取りにつながります。酸化型が不足すれば、その補酵素を必要とする酸化反応は続けにくくなります。たとえば乳酸発酵ではピルビン酸が還元される際にNADHが酸化され、再生したNAD⁺が解糖系で利用されます。この再生は電子の行き先を確保することであり、乳酸への変化自体が大量のATPを直接作るという意味ではありません。

基本例題：同じ運搬体を何回使ったか

自作のモデルで、密閉した反応系にNAD⁺が8.0 μmol、NADHが2.0 μmolあります。補酵素の合成・分解や系外への移動はなく、反応中にNAD⁺からNADHへの還元が合計6.0 μmol起こりました。最後にNADHは4.0 μmolでした。NADHからNAD⁺への酸化量と、最後のNAD⁺量を、それぞれ有効数字2桁で求めてください。電子はNADH 1分子につき2個受け渡されるものとします。酸化時に渡された電子の物質量も求めてください。

図2のように、還元はNADHを増やし、酸化はNADHを減らします。最初と最後の差は2.0 μmolですが、それは還元が2.0 μmolしか起こらなかったという意味ではありません。酸化量を x μmol として、流入と流出を分けます。

2.0 + 6.0 - x = 4.0
x = 4.0
8.0 + 2.0 = 10.0
10.0 - 4.0 = 6.0
4.0・2 = 8.0

答えは酸化量4.0 μmol、最後のNAD⁺が6.0 μmol、渡された電子が8.0 μmolです。全体の補酵素量は10.0 μmolで保存されます。初めのNAD⁺ 8.0 μmolから還元で6.0 μmol減り、酸化で4.0 μmol戻ると6.0 μmolです。この別の数え方も最後の値に一致します。

電子の8.0 μmolは電子の物質量であり、酸化されたNADHの物質量とは異なります。酸化量が最初のNADHの2.0 μmolを超えても矛盾しません。反応中に新たにできたNADHも電子を渡せるからです。逆に、還元型を取り出す出口が閉じると、同じ総量の運搬体でも再利用は制限されます。

標準例題：再生が止まる条件

自作の反応系にNAD⁺が5.0 μmol、NADHが1.0 μmolあります。ある基質の酸化1回でNAD⁺ 1分子がNADH 1分子になるとします。補酵素の出入りと合成・分解はなく、実験中にNADHを再酸化する反応は起こりません。基質と他の必要物質は十分で、NAD⁺が使い切られるまで反応が進むとします。基質が酸化される最大量と、そのときのNADH量を有効数字2桁で求め、電子の行き先を説明してください。

基質が十分でも、電子の受け手が必要です。NAD⁺ 1分子につき基質1分子が酸化される条件なので、最大量は5.0 μmolです。初めのNADH 1.0 μmolに5.0 μmolが加わり、最後は6.0 μmolです。NAD⁺は0.0 μmolで、補酵素の総量6.0 μmolは保存されています。基質から取り出された電子はこのモデルではNADHに保持されます。

別解では、反応後のNADHが総量6.0 μmolに達することを先に考えます。初めの1.0 μmolとの差が5.0 μmolなので、基質の酸化量も5.0 μmolです。いずれも、最後のNAD⁺が負にならないことと、基質の消費量が初めの受け手の量に一致することを確かめます。

実際の細胞には複数の経路があり、この条件をそのまま当てはめることはできません。反応系の実験を考えるなら、同量の材料を使い、再酸化の経路を利用できる対照と利用できない条件を比較します。温度、反応時間、初めの補酵素量などをそろえ、基質の変化と酸化型・還元型の量を測ります。操作は学校の指導の下で行います。測定のばらつきや反応が完全に止まらないことも結果に影響します。

発展例題：明暗切替の資料を読む

次は説明のために作成した資料で、実測値ではありません。同じ量の葉緑体を含む2つの系A、Bについて、NADPH量を測ったとします。横軸を開始からの時間 min、縦軸を各系のNADPH量 μmolとする折れ線グラフを考えます。葉緑体量は両系で同じです。時刻0、1、2、3 minの値は、Aが順に1.0、2.0、3.0、3.0、Bが1.0、2.0、2.5、2.0です。Aは全期間明所、Bは2 minで暗所に切り替えました。それ以外の条件は同じです。2分から3分の変化量を有効数字2桁で求め、切替後のBについて言えることと言えないことを述べてください。

Aの正味変化量は0 μmolです。Bの変化量は2.0 − 2.5 = -0.50 μmolで、1分間の平均正味変化率は-0.50 μmol/minです。Bの値は指定に合わせて有効数字2桁で示しています。グラフでは2分と3分の点の高さの差を時間差1 minで割ります。横軸を秒に変えれば数値も変わるので、時間の基準を付けます。葉の面積当たりの値ではなく、同量の葉緑体を含む1系当たりの量です。

暗所への切替後にBのNADPHが減ったことは資料から読めます。光を利用する供給が低下し、消費が供給を上回ったという説明は整合します。しかし、正味の減少だけから供給が完全にゼロになったことや、消費した経路の内訳は決まりません。Aの一定値も、生成と消費が共にゼロである証拠にはならず、両者がつり合っている可能性があります。

仮説をさらに調べるには、明所を保つAを対照にして、Bの光条件を変えます。両系の葉緑体量、温度、測定時刻、初期条件をそろえ、NADP⁺も測って総量の変化を確認します。読み取り誤差、試料の差、暗所への切替に要する時間が結果に影響し得ます。Bの減少が測定誤差の範囲内なら、この差だけから明暗による効果を主張できません。時刻2分より前から両系の値が違う点にも注意し、切替後の差を切替だけの効果と決めるには、繰り返しや切替前の差の検討が必要です。

誤答を電子の矢印から直す

誤答「NADHがNAD⁺になるのは、相手から電子を受け取る還元です」。原因は、相手が還元されたという説明を、NADH自身の変化に移してしまうことです。図3のように、電子の矢印をNADHから相手へ描けば、NADHは電子を失う酸化、相手は電子を受け取る還元と直せます。

もう1つの誤答は、基本例題で最後のNADHが初めより2.0 μmol増えたことを根拠に、酸化量を0とすることです。還元6.0 μmolと酸化4.0 μmolの差が増加分です。両方が同時期に進むこともあるため、正味量だけでは個々の反応量を決められません。

光合成の資料でも、NADPH量が一定なら反応が停止したと考える誤りがあります。入る量と出る量が等しくても残量は一定です。どちらの説明が正しいかを確かめるには、残量の時系列だけでなく、生成や消費に関する別の測定が必要です。

練習：電子と運搬体の出入り

次の5問は独立した自作の条件です。物質量は指定した桁で答えてください。

1. NAD⁺が電子を受け取ってNADHになり、物質Xが電子を渡しました。NAD⁺とXのそれぞれについて、酸化と還元のどちらかを答えてください。
2. NAD⁺ 7.0 μmolとNADH 3.0 μmolの系で、還元が4.0 μmol、酸化が1.0 μmol起きました。合成・分解・出入りがないとき、最後の両者の量を有効数字2桁で求めてください。
3. ある系でNADH 2.5 μmolが酸化されます。1分子につき電子2個を渡すとき、電子の物質量を有効数字2桁で求めてください。
4. NADP⁺とNADPHの総量が12 μmolで一定の系で、NADPHが初め4.0 μmol、終わり7.0 μmolでした。期間中のNADPH生成量が5.0 μmolのとき、消費量と最後のNADP⁺量を有効数字2桁で求めてください。
5. 同じ条件の2系で、1系当たりのNADPH量が0分と2分にそれぞれCは6.0、6.0 μmol、Dは6.0、4.0 μmolでした。Cは明所、Dは開始時に暗所へ移しました。各系の2分間の平均正味変化率をμmol/minで有効数字2桁で求め、Cの一定値から生成も消費も停止したと断定できるか答えてください。

答えと考え方

1. NAD⁺は還元、Xは酸化です。NAD⁺が受け取った電子をXが失っており、2つの変化が対応します。逆に読んでいないか、電子の矢印をXからNAD⁺に戻して確かめます。
2. 最後のNADHは3.0 + 4.0 − 1.0 = 6.0 μmolです。NAD⁺は7.0 − 4.0 + 1.0 = 4.0 μmolです。合計は10.0 μmolで初めと同じです。2つの量が負にならないことも確かめます。
3. 2.5・2 = 5.0 μmolです。電子2個を1組にすると2.5 μmolの組となり、酸化されたNADHの量に戻ります。電子の量をNADHの量と同じ数にしないことが必要です。
4. 消費量を y μmolとすると、4.0 + 5.0 − y = 7.0なので、y = 2.0です。NADP⁺は12 − 7.0 = 5.0 μmolです。初めのNADP⁺は8.0 μmolで、8.0 − 5.0 + 2.0 = 5.0 μmolと戻しても一致します。
5. Cは(6.0 − 6.0)/2 = 0.0 μmol/min、Dは(4.0 − 6.0)/2 = -1.0 μmol/minです。Dでは2分間で2.0 μmol減り、元の6.0 μmolから4.0 μmolに戻せます。Cは生成と消費が等しく進んでも一定なので、停止したとは断定できません。

要点を残す

電子を失う側が酸化、受け取る側が還元です。 NAD⁺とNADH、NADP⁺とNADPHは別々の組です。 還元型が電子を渡すと酸化型が再生されます。 残量の差は生成量と消費量の差です。

どこで向きが入れ替わったか

答えが逆になったときは、まず各物質の前後を線で結び、電子の矢印を1本描けるか確かめます。次に「誰が失ったか」を声に出してから酸化と書くと、相手の変化との取り違えを見つけやすくなります。収支で迷う場合は、初めの量、生成量、消費量、最後の量を別々に置きます。

個別指導では、NADHからNAD⁺への変化を説明してもらい、同じ矢印を相手側からも読み直します。さらに、残量が一定でも生成と消費があり得る具体例を作れるかを確かめます。電子の出発点と到着点が見えれば、補酵素の再生も反応の流れに戻せます。