高校生物 乳酸発酵の反応—補酵素の再生とATP供給が続く理由を説明する｜武蔵野個別指導塾

ピルビン酸とNADHの行き先を追い、炭素とATPの収支から乳酸発酵を読み解きます。

乳酸への変化はNAD⁺を再生し、解糖系がATPを供給し続けることにつながります。よくあるのは、乳酸への変化そのものが大量のATPを作ると考える場面です。ATPが生じる段階と、その段階を続けるために補酵素が戻る段階を分けて追うと、説明が整理できます。

何を求める問題か

出方の1つは、グルコースから乳酸までの物質量や炭素数を求める問題です。グルコース1分子の炭素は6個、ピルビン酸と乳酸はそれぞれ3個です。分子当たりの炭素数と分子の数を別に記録します。ここで扱う経路ではピルビン酸から乳酸への変化でCO₂は生じません。

もう1つは、ATPと補酵素の収支を説明する問題です。解糖系ではATPを使う段階と作る段階があり、その差が正味量です。NAD⁺は解糖系で還元され、乳酸ができる反応で再生されます。どの反応でATPが作られるか、どの反応でNAD⁺が戻るかを問われています。

実験資料では、乳酸の増加と糖の減少を時間に沿って比較し、仮定した経路と整合するかを判断します。測った値が比に合うことと、他の経路が絶対に存在しないことは別です。試料の条件や測定誤差を確認して、言える範囲を限定します。

炭素の道と補酵素の戻り道

図1のように、細胞質基質で進む解糖系では、グルコースから2分子のピルビン酸が生じます。解糖系には複数の反応があり、その途中でNAD⁺が電子を受け取ってNADHになります。続く乳酸への還元では、NADHが電子を渡してNAD⁺に戻ります。図中の矢印は物質の変化と補酵素の受け渡しを示し、ATPの矢印は解糖系での正味生成を示します。

ピルビン酸は電子を受け取るので還元され、NADHは電子を渡すので酸化されます。受け手と渡し手を逆にしないよう、NADHがNAD⁺に戻る向きを指でたどってください。乳酸への反応は、解糖系で消費されたNAD⁺を補うため、糖の分解が継続する条件の一部を整えます。再生されたNAD⁺は次の解糖系で再び利用できます。

ただし、NAD⁺が戻れば無条件に反応が永遠に続くわけではありません。糖などの基質、ADPやリン酸なども必要で、生成物の蓄積や環境の変化も反応に影響します。酸素を直接使わない経路であっても、細胞のすべての条件が一定とは限りません。酸素の不足だけを手掛かりに、測定していない反応量まで決めることはできません。

解糖系ではグルコース1分子当たりATPを2分子使い、4分子作るので、正味2分子が得られます。これは基質からADPへリン酸基を移してATPを作る基質レベルのリン酸化によります。乳酸への還元自体には、このモデルではATPの直接生成を数えません。乳酸発酵全体に結び付いたATPの正味量と、乳酸生成反応の直接の生成量を区別します。

炭素についても別の帳簿を作ります。解糖系の前後では6個の炭素を持つグルコース1分子から、3個ずつの炭素を持つピルビン酸2分子になります。それぞれが乳酸1分子になるので、乳酸側にも計6個の炭素があります。この経路の収支では炭素がCO₂として抜ける段階はありません。なお、細胞全体でCO₂が検出されても、他の反応が同時に進む可能性があり、この反応から出たとは直ちに言えません。

基本例題：量をそろえて帳簿を作る

自作のモデルで、0.30 molのグルコースがすべて解糖系を通り、生じたピルビン酸がすべて乳酸に変わります。他の経路や途中の蓄積はないものとします。グルコース1 molにつき解糖系はATPを2 mol消費し4 mol生成し、NADHを2 mol生じます。ピルビン酸1 molから乳酸1 molが生じるとき、NADH 1 molからNAD⁺ 1 molが再生されます。乳酸、再生NAD⁺、正味ATPをそれぞれ有効数字2桁のmolで求め、この経路で生じるCO₂も答えてください。

図2のように、まず炭素骨格の数を追い、続いて補酵素とATPを別々に計算します。0.30 molは分子1個ではなく分子の集まりの量ですが、反応の分子数の比はmolの比にも使えます。

ピルビン酸 = 0.30 mol・2 = 0.60 mol
乳酸 = 0.60 mol・1 = 0.60 mol
再生NAD⁺ = 0.60 mol・1 = 0.60 mol
ATP消費 = 0.30 mol・2 = 0.60 mol
ATP生成 = 0.30 mol・4 = 1.2 mol
正味ATP = 1.2 mol - 0.60 mol = 0.60 mol

答えは乳酸0.60 mol、再生NAD⁺ 0.60 mol、正味ATP 0.60 mol、CO₂は0 molです。ATP生成の1.2 molをそのまま答えると、前半で消費した0.60 molを忘れます。乳酸への還元にさらにATPを足す必要もありません。

逆向きに確認すると、乳酸0.60 molの炭素は3・0.60 = 1.8 molで、グルコース0.30 molの炭素6・0.30 = 1.8 molに一致します。乳酸0.60 molの生成はNADH 0.60 molの消費に対応し、解糖系で生じたNADHの量とも一致します。消費と生成を元の条件に戻すと、収支の両方を点検できます。

標準例題：正味と再生を区別する

ある自作モデルでは、グルコース0.45 molがすべて乳酸に変わります。解糖系のATP消費はグルコース1 mol当たり2 mol、生成は4 molです。解糖系が作るNADHと乳酸生成に使うNADHはともにグルコース1 mol当たり2 molとします。ATPの総生成量と消費量、正味量、および再生NAD⁺量を有効数字2桁のmolで求め、解糖系と乳酸生成の役割を説明してください。

ATP総生成量 = 0.45・4 = 1.8 mol
ATP消費量 = 0.45・2 = 0.90 mol
ATP正味量 = 1.8 - 0.90 = 0.90 mol
再生NAD⁺ = 0.45・2 = 0.90 mol

解糖系が正味のATPを供給し、乳酸生成がNADHを酸化してNAD⁺を再生します。答えを条件に戻すと、0.90 molのNAD⁺再生は0.90 molのNADH消費に相当し、解糖系の生成量と一致します。乳酸も0.90 molなので炭素は2.7 molで、元のグルコースの炭素2.7 molと一致します。

別解として、先にグルコース1 mol当たりの正味ATPを4 − 2 = 2 molと求め、0.45 molに掛けても0.90 molです。ただし総生成量を問われているので、正味量だけでは答えが不足します。差を先に計算する方法と、それぞれ積を求めてから引く方法を照合すると、消費の引き忘れを見つけやすくなります。

発展例題：時間の資料と実験の限界

次は実測値ではなく、資料の読み方のために作った値です。同じ体積の細胞懸濁液を用い、酸素が供給されない条件で乳酸の増加量を調べたところ、開始から10分までに0.40 mmol、20分までに0.80 mmolでした。横軸を開始からの時間、単位を分、縦軸を開始時からの乳酸の増加量、単位をmmolとするグラフを考えます。各時間帯の平均増加速度を有効数字2桁のmmol/分で求め、直線で結んだ図から言えることを述べてください。

0〜10分の平均速度 = 0.40/10 = 0.040 mmol/分
10〜20分の平均速度 = (0.80 - 0.40)/10 = 0.040 mmol/分

どちらの区間も平均は0.040 mmol/分です。確認すると、それぞれ10分間で0.040・10 = 0.40 mmol増え、20分までの累積は0.80 mmolです。グラフ上の点を直線で結べば傾きは等しくなりますが、途中を測定していなければ各瞬間の速度が一定だったとは断定できません。縦軸は乳酸の増加量という測定量であり、ATPの生成量そのものではありません。

仮説を「糖の減少と乳酸の増加が、示した収支に近い比で対応する」とします。比較には、糖を加えた試料と加えない対照を用意し、試料量、温度、測定時間、酸素の供給条件をそろえます。変える条件は糖の添加の有無です。開始時と終了時の糖と乳酸を測り、対照の変化も確認します。学校の指導の下で扱い、具体的な操作は設備と安全条件に従います。

糖を加えない対照でも乳酸が増える場合、試料にもともとあった基質などが関係する可能性があります。糖を加えた試料の乳酸増加だけをすべて添加糖に由来すると決めず、対照を手掛かりに考えます。ただし単純な差は、添加によって他の反応が変化しないという仮定を含みます。測定器の誤差、採取時刻のずれ、試料の均一性、乳酸の消費も結果をずらし得ます。

仮に糖の減少が0.50 mmol、乳酸の増加が0.80 mmolだったとします。糖がすべてこのモデルの経路に入れば乳酸は1.0 mmolのはずなので、観測値との差は0.20 mmolです。この差は他の経路、途中の蓄積、測定誤差など複数の可能性と整合します。差だけから原因を1つに決めることはできません。糖や乳酸の初めと終わりの量、複数回の測定、他の生成物の測定が判断を深めます。

誤答を反応の場所に戻す

図3のように、「乳酸になるときにATPが大量に作られる」という答えには、ATPの収支を確認してから修正します。図の左は誤った結び付け、右は解糖系でATPが正味生成し、乳酸生成でNAD⁺が再生するという対応です。

誤りの原因は、乳酸発酵という一連の過程の結果を、最後の反応だけの結果とみなすことです。解糖系ではATPの生成と消費があり、差が正味量になります。乳酸生成ではNADHが酸化され、再生したNAD⁺が解糖系を続けるために使われます。この2文を矢印に対応させれば、ATP供給と再生の役割を混同しません。

別の誤答は「炭素数が6から3に減ったのでCO₂が3分子出る」です。見落としているのは生成物の分子数です。3炭素の分子が2分子なら炭素の合計は6個で、炭素収支に不足はありません。反応式の右側に係数を書き、各分子の炭素数を掛けてから足します。

また「NAD⁺はATPと同じ意味で消費される」という説明も不十分です。NAD⁺は電子を受け取ってNADHとなり、乳酸生成時に再生されます。ATPの正味生成量を計算する帳簿とは役割が違います。反応の一方向だけを見ず、戻り道を含めて説明します。

練習：5つの条件を読み分ける

以下はすべて自作の条件です。数値を含む答えは、指定がない限り有効数字2桁で示してください。乳酸生成以外の経路、途中の蓄積、乳酸の消費はないものとし、グルコース1 molから乳酸2 molができます。解糖系はグルコース1 mol当たりATPを2 mol消費し4 mol生成、NADHを2 mol生成し、乳酸生成はNADH 1 molにつきNAD⁺ 1 molを再生します。

1. グルコース0.70 molがすべて乳酸になります。乳酸の物質量と、この経路で生じるCO₂の物質量をmolで求めてください。
2. グルコース0.25 molが同じ経路を通ります。ATPの総生成量、消費量、正味量をmolで求めてください。
3. 乳酸が1.6 mmol生成しました。対応するグルコースの消費量と再生NAD⁺の量をmmolで求めてください。
4. 乳酸生成の反応でNAD⁺を再生できず、解糖系に利用できるNAD⁺が不足した場合、2つの反応のつながりをどう説明しますか。基質など他の条件はそろっているものとします。
5. 乳酸増加量が開始から5分で0.15 mmol、15分で0.45 mmolでした。各区間の平均増加速度をmmol/分で求め、途中の瞬間の速度について断定できるか答えてください。

解答と考え方

1. 0.70・2 = 1.4 molです。乳酸は1.4 mol、CO₂は0 molです。乳酸の炭素は1.4・3 = 4.2 molで、元のグルコースの炭素0.70・6 = 4.2 molに戻ります。
2. 総生成は0.25・4 = 1.0 mol、消費は0.25・2 = 0.50 mol、正味は1.0 − 0.50 = 0.50 molです。正味と消費を足すと総生成1.0 molに戻ります。いずれも非負です。
3. グルコースは1.6/2 = 0.80 mmol、再生NAD⁺は1.6 mmolです。0.80 mmolの糖から乳酸1.6 mmol、NADH 1.6 mmolができるので、元の量と対応します。炭素は両側とも4.8 mmolです。
4. 乳酸生成がNADHからNAD⁺を再生できなければ、解糖系に必要なNAD⁺が不足し、解糖系の継続が制限されます。乳酸生成でATPを直接大量に作れなくなるという説明では、必要な補酵素の循環を示せません。
5. 前半は0.15/5 = 0.030 mmol/分、後半は(0.45 − 0.15)/10 = 0.030 mmol/分です。それぞれの速度に区間の時間を掛けると増加量0.15 mmolと0.30 mmolに戻り、合計は0.45 mmolです。平均が等しくても、途中の各瞬間の速度は測定点だけでは決まりません。

手元に残す要点

• 解糖系はグルコースからピルビン酸を作り、ATPを正味生成します。
• ピルビン酸はNADHから電子を受け取り乳酸になります。
• NADHから戻るNAD⁺が解糖系の継続に役立ちます。
• この経路の炭素収支ではCO₂は出ません。
• 測定量と経路を仮定した推定量を分けます。

説明が止まったところを見つける

個別指導では、まず白紙にグルコースから乳酸までの矢印を描き、ATPとNAD⁺を別の色の印として置いてもらいます。ATPを乳酸生成の矢印に置いた場合は、解糖系の生成と消費を数え直します。炭素が足りなくなる場合は、3炭素の分子が何個あるかを確認します。

次に、NADHが乳酸生成に使われた後、何が解糖系へ戻るかを言葉にします。最後に実験資料の軸と単位を読み、平均速度から測定していない瞬間まで言い切っていないかを見ます。炭素、ATP、補酵素の3つの帳簿がつながると、乳酸発酵の説明に筋道が通ります。