高校生物基礎 代謝とATP—同化と異化をエネルギーの受け渡しで結び付ける｜武蔵野個別指導塾

合成と分解の見分け方やATPの受け渡しを、資料の矢印から考える題材は代謝とATPです。

定期テスト前に、ATPを「エネルギーそのもの」と言い換えてしまう場面があります。細胞の中でエネルギーを受け渡す役割をもつことは確かですが、ATPは物質の名前です。何が物質で、どの向きにエネルギーが移るのかを分けて読むと、同化と異化を別々の暗記事項にせずに結び付けられます。合成と分解の方向を確かめ、ATPが変化する場面まで追ってみましょう。

どの矢印を問われているか

代謝の問題には、物質の変化から同化か異化かを選ぶ型があります。小さな物質から大きな物質をつくるのか、大きな物質を分解するのかを見て判断します。「エネルギーを使う」という言葉だけを見て、どんな反応か決めないことが出発点です。

もう1つは、模式図の空欄にATPやADPを入れる型です。ATPが分解されてADPとリン酸が生じる向きと、ADPとリン酸からATPがつくられる向きを区別します。物質の矢印とエネルギーの受け渡しを示す矢印は、同じ意味ではありません。図に説明があれば、矢印ごとに何を示すかを確認します。

理由を短く書く型では、異化で取り出されたエネルギーがATPの合成に使われ、ATPの分解に伴うエネルギーが同化などに利用されるというつながりを問われます。名前だけを並べるより、「どこからどこへ」を文に入れると向きの誤りに気づけます。

物質の変化とエネルギーの橋渡し

生物の細胞内で起こる化学反応全体を代謝といいます。代謝は、物質を合成する同化と、物質を分解する異化に大きく分けられます。同化の例には、光合成で二酸化炭素などから有機物をつくることがあります。異化の例には、有機物を分解してエネルギーを取り出す呼吸があります。植物も呼吸を行います。

ATPはアデノシン三リン酸という物質です。ATPが分解されてADPとリン酸になるときに放出されるエネルギーは、細胞内のさまざまな活動に利用されます。逆に、ADPとリン酸からATPを合成するにはエネルギーが必要です。ATPはエネルギーという性質そのものではなく、エネルギーの受け渡しに関わる物質です。

図1のように、異化で取り出されたエネルギーの一部がATPの合成に使われ、ATPの分解に伴うエネルギーが同化などに使われます。これはエネルギーの受け渡しを簡略化した模式図で、矢印はエネルギーの移る向きを示します。上段のADPとリン酸から下段のATPをつくる際に、異化が供給するエネルギーを使います。下段のATPが上段のADPとリン酸に戻る分解では、放出されるエネルギーを同化などに渡します。上下の物質変化に対応する線は図で省略されています。実際には熱として失われる分もあり、エネルギーがそのまま循環するという意味ではありません。

光合成では光エネルギーを利用して有機物を合成します。同化のエネルギー源をいつも異化だけに限定することはできません。ここでは代謝回路の細かい段階ではなく、合成と分解、ATPを介した受け渡しの関係を扱います。

基本例題：カードの向きを読む

次は学習用に自作した模式資料です。細胞内の変化をカードA、Bと、ATPの変化P、Qに分けました。Aは有機物を分解してエネルギーを取り出す変化、Bは小さな物質から有機物を合成する変化です。PはADPとリン酸からATPがつくられる変化、QはATPが分解されてADPとリン酸が生じる変化です。

問1：AとBをそれぞれ同化、異化のどちらに分類しますか。問2：Aで取り出されたエネルギーを利用するATPの変化と、Bに利用されるエネルギーを放出するATPの変化を、それぞれP、Qから選びます。問3：AからBまでのエネルギーの受け渡しを、ATPという語を使って1文で説明します。いずれもこの資料の範囲で答えてください。

図2のように、まずAとBの物質の変化を別々に読みます。Aでは有機物が分解されるため異化です。Bでは小さな物質から有機物が合成されるため同化です。エネルギーの出入りを確認する前に、合成か分解かという分類の根拠を確定します。

次にPとQを見ます。PはADPとリン酸を材料にATPを合成する変化です。合成にはエネルギーが必要なので、Aで取り出されたエネルギーを利用する側に置きます。QはATPの分解であり、このとき放出されるエネルギーがBに利用されます。したがって問2は順にP、Qです。

問3の解答例は「Aで取り出されたエネルギーの一部はATPの合成に使われ、ATPの分解に伴って放出されるエネルギーがBに利用されます」です。解答を資料に戻すと、Aは分解、Bは合成、PはATPの合成、QはATPの分解という条件にそれぞれ合います。ATPがAからBへエネルギーを受け渡す役割を果たすことを、物質の変化と混同せずに表せています。

「AがATPを分解してBを合成する」とまとめると、どの物質が分解され、どのエネルギーが使われたかが曖昧です。AとQは別の変化として読み、Aで得たエネルギーとQで放出されるエネルギーを区別します。図の矢印を逆に追っても、BにはQ、PにはAが対応することを確認できます。

少し難しい例題：光が入る場合

自作の模式資料で、変化Cは光エネルギーを利用し、二酸化炭素などから有機物を合成します。変化Dは有機物を分解してエネルギーを取り出します。ある生物の細胞ではCとDの両方が起こるとします。CとDを同化、異化に分類し、「同化に必要なエネルギーは必ず同じ細胞の異化から得られる」という文がこの資料から成り立つか、理由を添えて答えてください。答えは分類と、成り立つかどうかを含む文で書きます。

Cは物質の合成なので同化、Dは分解なので異化です。資料にはCが光エネルギーを利用すると明記されています。そのため、提示された文は成り立ちません。Cは同化ですが、そのエネルギー源として光が挙げられているからです。同じ細胞でDが起きるという条件は、Cのエネルギー源が必ずDであることを意味しません。

判断の分かれ目は、変化の分類とエネルギー源を別々に読むことです。Cを同化と判断する根拠は有機物の合成であり、光を使うという条件はエネルギー源についての情報です。解答を条件に戻すと、Cの合成と光の利用、Dの分解のいずれにも矛盾しません。異化がATP合成に役立つという基本の関係を、そのままあらゆる同化の唯一の説明に広げないようにします。

誤答を直すための3つの問い

誤答の例は「ATPはエネルギーなので、ATPがADPになるとエネルギーが物質に変わる」です。原因は、物質の名前と、その変化に伴って移るエネルギーを同じものとして扱うことです。ATPもADPも物質で、ATPの分解に伴って放出されるエネルギーが利用されます。修正すると「ATPの分解でADPとリン酸が生じ、その際に放出されるエネルギーが利用されます」と書けます。

図3のように、物質の変化を示す矢印と、エネルギーが利用される向きを示す矢印を分けて見ます。図は模式図であり、下向きの矢印は分解に伴うエネルギーの利用を示しています。ATPそのものがエネルギーという意味ではありません。

別の誤答は「ATPからADPができるときに、異化のエネルギーを蓄えてATPが増える」です。ATPを合成する向きと分解する向きが逆になっています。ADPとリン酸からATPを合成する際にエネルギーが使われる、と直します。さらに「合成は異化」と書いた場合は、エネルギーの出入りではなく、対象の物質がつくられるか分解されるかに戻って分類し直します。

資料を読むときの確認

資料に「エネルギーが必要」と書かれていても、それだけで反応の名前を選ばず、何が変化するかを先に探します。例えば合成の材料と生成物が示されていれば、両者を矢印で結び、その上に「合成」と書きます。反対に分解の資料では、分解される物質と、その結果できる物質を分けて記します。名前を答える問題でも、矢印の両端を確かめると判断の理由を説明できます。

ATPの図では、矢印の始点がADPとリン酸ならATPをつくる向きです。始点がATPなら分解の向きです。エネルギーがどちらの変化で使われ、どちらで放出されるかを、それぞれの矢印のそばに書いてみましょう。矢印の向きだけを覚えるより、合成にはエネルギーが必要で、分解に伴うエネルギーが利用されるという意味と結び付けて確認できます。

説明文を見直すときは「異化が同化になる」と書いていないかにも注意します。異化と同化は別の反応であり、異化で取り出されたエネルギーがATPを介して同化などに利用されます。物質の合成と分解はそれぞれの反応の内容、ATPは受け渡しに関わる物質です。この3つを一文の中で区別すると、因果の向きが読み手にも伝わります。

自分で解く4問

次の問題はすべて学習用の自作資料です。答えは各問の指定に従い、問題を読み終えてから下の解答で確かめてください。

1. 変化Eでは細胞内でアミノ酸からタンパク質が合成されます。Eを同化、異化のどちらに分類するか、理由とともに1文で答えてください。
2. 変化Fでは有機物が分解され、エネルギーが取り出されます。そのエネルギーの一部を使い、ADPとリン酸から何が合成されるか、物質名で答えてください。またFの分類を答えてください。
3. ある模式図では、ATPからADPとリン酸へ向かう矢印と、その変化に伴うエネルギーが細胞の活動へ向かう矢印があります。「ATPそのものがエネルギーである」という説明を、物質とエネルギーの語を使う1文に直してください。
4. 変化Gは光を利用して有機物をつくり、変化Hは有機物を分解します。「GとHはどちらも異化である」という文の正誤を答え、GとHそれぞれの分類の根拠を1文ずつ書いてください。

解答と確かめ方

1. Eはアミノ酸からタンパク質を合成するので同化です。材料から別の物質をつくる向きを読みます。条件へ戻すと、分解ではなく合成という指定に一致します。タンパク質が大きな物質であることだけでなく、何から何ができるかを理由に含めます。

2. 合成される物質はATPで、Fは異化です。有機物の分解は異化であり、そこで取り出されたエネルギーの一部をATP合成に使います。答えを条件に戻すと、ADPとリン酸がATPの材料となり、エネルギーの供給元がFに対応します。ATPが分解される向きを選ぶと、問題の「合成」と合いません。

3. 解答例は「物質であるATPの分解に伴って放出されるエネルギーが細胞の活動に利用されます」です。ATPとADPを物質として扱い、エネルギーの利用を別の関係として書きます。模式図のATPからADPとリン酸への向きと、活動へのエネルギーの向きに戻して確認できます。

4. 文は誤りです。Gは有機物を合成するため同化です。Hは有機物を分解するため異化です。光を利用するという情報はGのエネルギー源を示し、分類の根拠は合成であることです。両方の条件に答えを戻すと、Gは合成、Hは分解にそれぞれ対応します。

手元に残す要点

代謝は細胞内の化学反応全体で、同化は合成、異化は分解です。
ATPは物質であり、エネルギーそのものではありません。
異化で取り出されたエネルギーの一部はATPの合成に使われます。
ATPの分解に伴うエネルギーは同化などに利用されます。
光合成では光エネルギーを利用して有機物を合成します。

つまずきの場所を見つける

同化と異化を逆に選んだときは、問題の動詞に線を引き、どの物質が材料で何が生じるかを口に出してみます。分類は合っていて説明だけが逆になる場合は、ATPとADPのどちらから出発する矢印かを指で追います。図の矢印の意味を言えない場合は、物質の変化とエネルギーの移動を別々の文にしてみます。

個別指導で確かめるなら、まず図1を見ずに異化からATP合成、ATP分解から同化へのつながりを説明し、次に光を使う例でも同じ説明が必ず成り立つかを尋ねます。言い直した文を元の資料の条件に戻せれば、単語の暗記と因果の向きを区別できます。ATPを物質として押さえると、代謝の矢印に意味が生まれます。