1.生命界　エネルギー流概観2.水と生体分子3.細胞　生命の基本単位4.生体エネルギーと酵素5.蛋白質と生体膜（１）6.蛋白質と生体膜（２）7.定期試験（６月７日）

Ⅰ熱力学の第二法則　　①熱力学の第二法則　　②自由エネルギーと熱　　③化学平衡　　④活性化エネルギーと酵素　　⑤反応の共役、生体秩序の形成、酵素Ⅱ酵素の分子活性と代謝テンポ

Ⅲ代謝パターンの調節　　①代謝マップ（代謝網、代謝ネットワーク）　　②律速段階　　③代謝パターンの調節

生体エネルギーと酵素

目的：秩序崩壊の自然な流れと、生命における秩序形成の基本原理について学ぶ

Ⅰ熱力学の第二法則　　①熱力学の第二法則　　②自由エネルギーと熱　　③化学平衡　　④活性化エネルギーと酵素　　⑤反応の共役、生体秩序の形成、酵素Ⅱ酵素の分子活性と代謝テンポ

Ⅲ代謝パターンの調節　　①代謝マップ（代謝網、代謝ネットワーク）　　②律速段階　　③代謝パターンの調節

生体エネルギーと酵素

熱力学の第一法則：宇宙のエネルギーは不変熱力学の第二法則：宇宙のエントロピーは増大

省エネとは？エントロピー：　　乱雑度負のエントロピー：秩序の度合

第二法則を理解しないものは生命を理解できない　なぜなら、　生命が根源的に随う法則は第二法則だから

生命は、第二法則に則って生命固有の秩序を作る　秩序崩壊（乱雑度増加）の自然傾向に対抗して　秩序を保つメカニズムを働かせている限りで　生命は生命たりうる

①熱力学の第二法則

ECBより

熱力学の第二法則：宇宙のエントロピーは増大

ECBより

『高校生物Ⅰ B』にみる熱力学の第二法則

溶質は高濃度⇒低濃度へ拡散

啓林館『生物Ⅰ B』より

水は低浸透圧⇒高浸透圧へ浸透

『光環境と生物の進化』 (共立、 2000）より

太陽系における熱力学の第二法則 太陽の光エネルギーは

地球で熱エネルギーに劣化して失われ

る

Ⅰ熱力学の第二法則　　①熱力学の第二法則　　②自由エネルギーと熱　　③化学平衡　　④活性化エネルギーと酵素　　⑤反応の共役、生体秩序の形成、酵素Ⅱ酵素の分子活性と代謝テンポ

Ⅲ代謝パターンの調節　　①代謝マップ（代謝網、代謝ネットワーク）　　②律速段階　　③代謝パターンの調節

生体エネルギーと酵素

ECBより

秩序（＝自由エネルギー）は減少するのが自然秩序の減少＝自由エネルギーの一部が熱に変換　　　　　　　生命の秩序形成←太陽の秩序崩壊

②自由エネルギーと熱

紙＋ O2

煙＋灰＋ CO2＋ H2O

熱

自由エネルギーのレベル（準

位）

自由エネルギーが減少する方向にのみ反応が可能

エネルギーの内仕事に転換しうる部分の最大値

G １

G ２

G（反応の自由エネルギー変化） = G2-G1 < 0

問題１：　ヒトは一日に約 2000kcalを消費する。このうち約80％が熱となる。この熱がすべて体内に蓄積すると、体温は一日に何度上がるか？体重を 50kg、人体の比熱を 1とする。

解答：　 1kcalは、比熱 1の物質 1kgを 1℃上昇させる熱量である。したがって、一日の体温上昇＝ 2000×0.8÷50＝ 32度

問題２：　同様に、熱がすべて体外に放散されるとし、５ m四方、高さ２ mの部屋に閉じ込められた場合の、一日あたりの気温上昇はいくらか？空気の比熱を０ .２４、空気１m3あたりの質量を1.2kgとし、部屋は完全に断熱されているとする。

解答：　この部屋の空気の質量＝ (5×5×2)×1.2＝ 60kg。空気 60kgを 1℃上げるための熱量＝ 60×0.24＝ 14.4kcalしたがって、一日の気温上昇＝ 2000×0.8÷14.4＝ 111度

自由エネルギーのレベル（準

位）生命の秩序：不安定な平衡点

雪の結晶：安定な平衡点

生命の秩序を形成するためには？　　外から自由エネルギーを注入する必要がある　　・外部自由エネルギーを注入する装置　　・外部自由エネルギーを内部秩序に変換する装置

Ⅰ熱力学の第二法則　　①熱力学の第二法則　　②自由エネルギーと熱　　③化学平衡　　④活性化エネルギーと酵素　　⑤反応の共役、生体秩序の形成、酵素Ⅱ酵素の分子活性と代謝テンポ

Ⅲ代謝パターンの調節　　①代謝マップ（代謝網、代謝ネットワーク）　　②律速段階　　③代謝パターンの調節

生体エネルギーと酵素

k1Ａ Ｂk-1

右向きの反応速度＝ k1(A)

左向きの反応速度＝ k-1(B)

平衡状態において両反応速度は等しい。k1 (A)0=k-1(B)0 　但し、 (A)0、 (B)0 は平衡状態における濃度。　　

平衡定数 Keq は、 Keq=(B)0/(A)0 　で定義される。　

)()(

0

0

AB

)()(ABの比率

平衡点から離れるほど、平衡点に向かう傾向 (自由エネルギーの減少 )は強まる。平衡点からの乖離度（離れ具合）は、(B)0/(A)0に対する (B)/(A)の割合で表現される。つまり、 (B)/(A) ÷(B)0/(A)0

これは、次式と等価である。

0

0

)()(

log)()(

logAB

AB

③化学平衡

平衡からの乖離度＝

平衡からの乖離度が大きいほど、平衡に向かう反応の自由エネルギー減少は大きい。気体定数 R(1.987×10-3 kcal/mol/deg)と絶対温度 Tを用いると、この関係は次式のようになる。また、 T=298 (摂氏 25度）のときの値を示す。　

364.1303.2)()(

log)()(

log0

0 GRTG

AB

AB

A と Bが等濃度で存在し、かつ pH＝７のときの自由エネルギー変化を特に標準自由エネルギー変化と呼び、 G ０と表す。log(B)/(A)=0, Keq=(B)0/(A)0 であるから、T=298 のとき、 G0

= -1.364logKeq T=310 のとき、 G0 = -1.419logKeq

以上より、 T=298 のとき次式を得る。

)()(

log364.10

AB

GG

標準自由エネルギー変化 G0と自由エネルギー変化 G

)()(

log364.10

AB

GG

標準自由エネルギー変化は、 その反応の固有な特性（つまり、平衡定数）を表し、濃度に依存しない。但し、温度とともに上昇する。T=298のとき、 G0

= -1.364logKeq T=310のとき、 G0 = -1.419logKeq

C D

B

FE

A 反応Ⅰ　 Keq=(B)0/(A)0=106 ⇒ G0 = -8.2 kcal/molG0<0 の反応は、正反応が起こりやすいこと（ Bを生成しやすいこと）を示す反応Ⅱ　 Keq=(D)0/(C)0=1.0 ⇒ G0 = 0 kcal/molG ０ =0 の反応は Cと Dが等濃度であることが最大に安定であることを示す

反応Ⅲ　 Keq=(F)0/(E)0=10-6 ⇒ G0 = +8.2 kcal/molG ０ >0 の反応は逆反応が起こりやすいこと（ E濃度が F濃度より高いことが安定であること）を示す

三つの反応における平衡状態の濃度バランス

標準自由エネルギー変化 G0の意味

G0 は反応物と生成物が等濃度（標準状態）で存在するときの Gであり、

その条件（標準状態）で、反応が正逆どの向きに起こりやすいかを表現する。等濃度から出発したとき、反応Ⅰでは (B)が (A)の百万倍になるまで反応が進行するのに対し、反応Ⅲでは (F)が (E)の百万分の一になるまで反応が進行する。

log(B)/(A)

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

G

-20

-15

-10

-5

0

5

G0=-7.3kcal/mol

これに対し、自由エネルギー変化は、反応の瞬間における濃度の比に応じて変化する。(B)/(A)=1では G=G0であるが、(B)/(A)が 1より大きくなる程、 Gはプラス側にシフトし、正反応（ A⇒B)はより起こりにくくなる。逆に、 (B)/(A)が 1より小さくなる程、 Gはマイナス側にシフトし、正反応（ A⇒B)がより起こりやすくなる。

自由エネルギー変化 Gの意味

)()(

log364.10

AB

GG 問題　平衡状態で（ B）は（ A)の約何倍か？

解答　⊿ G=0 より、⊿G0 = -1.364log(B)/(A)log(B)/(A)=5.35 より、(B)/(A)≒2.2x105

問題１： A⇒B反応の G0は +13.64 kcal/molである。この正反応は起こりえないか？また、起こり得るとしたら、どのようなときか。解答：　反応の可能性を決めるのは G であって G0 ではないから、この反応も起りうる。起りうる条件は G≦ ０で与えられる。したがって、 13.64+1.364log(B)/(A) ≦0 より、 log(B)/(A) ≦-10つまり、（ A)が（ B)より 100 億倍以上高いときである。

)()(

log364.10

AB

GG

問題１： 6CO2+6H20⇒C6H12O6の G0は +686 kcal/molである。平衡定数を求めよ。また、この逆反応の平衡定数はいくらか？

解答：　 Keq=(C6H12O6)/[(CO2)6×(H2O)6]686 = -1.364logKeq より Keq=10-503

逆反応の場合は逆数をとって、 Keq*=10503

さて、 Keq=(C6H12O6)/[(CO2)6×(H2O)6] より(CO2)(H2O)=10503/6×(C6H12O6) =1084×(C6H12O6)

生体秩序の最小レベルは生体分子にある

Ｃ

Ｙ

ＸG1

Ⅰ熱力学の第二法則　　①熱力学の第二法則　　②自由エネルギーと熱　　③化学平衡　　④活性化エネルギーと酵素　　⑤反応の共役、生体秩序の形成、酵素Ⅱ酵素の分子活性と代謝テンポ

Ⅲ代謝パターンの調節　　①代謝マップ（代謝網、代謝ネットワーク）　　②律速段階　　③代謝パターンの調節

生体エネルギーと酵素

ECBより

⊿G

④活性化エネルギーの障壁　負の⊿ Gの反応が現実に起こるためには？

触媒は活性化エネルギーを下げて反応速度を上げる・高温は、反応分子の熱運動を高め（＝活性化エネルギーを与え）　反応速度を上げる・触媒 (酵素 )による速度増加は反応特異的であるが、　高温の場合は無差別である

ECBより代謝パターン調節へ（本講）

Ⅰ熱力学の第二法則　　①熱力学の第二法則　　②自由エネルギーと熱　　③化学平衡　　④活性化エネルギーと酵素　　⑤反応の共役、生体秩序の形成、酵素Ⅱ酵素の分子活性と代謝テンポ

Ⅲ代謝パターンの調節　　①代謝マップ（代謝網、代謝ネットワーク）　　②律速段階　　③代謝パターンの調節

生体エネルギーと酵素

Ｙ

Ｘ

Ｃ

Ｄ

自由エネルギーのレベル（準

位）

反応の共

役

G1

G2

G1＋ G2=G<0

ECBより

⑤反応の共役、生体秩序の形成、酵素

ΔG

ECBより

Ⅰ熱力学の第二法則　　①熱力学の第二法則　　②自由エネルギーと熱　　③化学平衡　　④活性化エネルギーと酵素　　⑤反応の共役、生体秩序の形成、酵素Ⅱ酵素の分子活性と代謝テンポ　　補足Ⅲ代謝パターンの調節　　①代謝マップ（代謝網、代謝ネットワーク）　　②律速段階　　③代謝パターンの調節

生体エネルギーと酵素

酵素の分子活性（ターンオーバー数 )　酵素一分子の最高の処理能力を表す　酵素一分子が一秒間に変化させる基質の分子数の最大　ある酵素の現実の活性（速度）は次の因子によって決まる。　①酵素分子の数②酵素の修飾の度合（燐酸化・脱燐酸化など）　③エフェクターや pH・温度などの環境因子④基質濃度

酵素は反応速度を 50万倍～ 14京倍高める

生体活動のタイムスケール

哺乳類の代謝テンポの四分の一乗則

・呼吸周期　ＢＴ (h/cycle) ≒ 3.3 × 10-4 × Ｍ 0.28 ≒ 1.22 Ｍ 0.28(s/cycle) ・心拍周期　ＨＴ (h/cycle) ≒ 8.3 × 10-5 × Ｍ 0.27 ≒ 0.30 Ｍ 0.27(s/cycle)・ｇ体重当たりの酸素消費速度（代謝の比活性）の逆数　　　　　　ＭＴ (g ・ h/μL) ≒ 1.6 × 10-3 × Ｍ 0.26 注意１　哺乳類各種の成体の平均的体重を用いた。ただし、体重は、１ kgに対する相対体重（つまり比率；無次元量）を用いる（ Mで表記）。注意２　こうした関係を一般に種間アロメトリという。種内個体どうしは種間アロメトリには随わず、全く別の種内アロメトリ（があるとすれば）に随う注意３　この代謝テンポの表現法では、生理現象１サイクルに要する時間、つまり周期が表されている。本来の代謝テンポは周期の逆数（つまり、テンポ＝速度）として表される。注意４　指数が四分の一に極めて近いので四分の一乗則と名づけられている。相対体重が１６倍になる毎に周期は２倍に延びる（テンポは２倍遅くなる）詳しくは⇒異説『ゾウの時間ネズミの時間』

哺乳類は、どの種も呼吸一回あたり心臓は四拍⇒異なる代謝・器官同士の間の関係はどの種も同じ

哺乳類の代謝テンポの四分の一乗則（２）

・固有仕事率（固有代謝率） specific power (specific metabolic rate)　　　　　　　Ｐ *≒　 70 Ｍ -0.25 (kcal/day/kg) 　　　　　　　　　　 Ｐ *≒　 3.4 Ｍ -0.25 (W/kg) Ｐ *≒　 0.17 Ｍ -0.25 (ml O2/s/kg)

注意１　いずれも速度（テンポ）そのものを表す。注意２　からだ丸ごとのテンポではなく、からだ１ kg当たりに『正規化』してある。これは、例えば酵素そのものの能力を表すのに、分子活性や比活性を用いるのと同様の理屈である。単位質量あたりの酵素活性を specific activity （比活性）と言う。注意３　相対体重が１６倍増える毎に固有仕事率（代謝テンポ）は半分になる

詳しくは⇒異説『ゾウの時間ネズミの時間』

1 kcal/day = 0.0484 W （ワット＝J/s)酸素消費　 1 ml = エネルギー消費　 20.1 J (1 J = 0.0498 ml O2)

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シュミット＝ニールセン　動物の生理学（岩波書店、原著１９７０年）より　戻る

哺乳類の代謝率＝仕事率　四分の三乗則・からだ丸ごとの仕事率＝代謝率　　　 P＝ P*×M＝ 3.4M-0.25×M=3.4M0.75 (W) 注意１　相対体重が１６倍増える毎に仕事率（代謝率）は８倍増える。　　　　体重１ kgの哺乳類を８匹育てられる餌で　　　　体重 16kgの哺乳類を１匹育てられる。（テンポが遅れる分だけ、この場合、 2倍得）問題　相対体重が一万倍増えると、代謝テンポや必要餌量はどうなるか解答　代謝テンポ（固有仕事率）は１０分の１に落ちる。　　　代謝率は千倍しか増えないから、餌も千倍（千匹分）で済む。 0.1kgの哺乳類千匹（総計 100kg）を養う餌で、その一万倍の体重 1000kgの哺乳類を一匹養える。　　　テンポは 10分の 1に落ちるから（ 10倍遅くなるから）、 10倍得。問題　人体を 6４ kgとして、その仕事率と代謝テンポ（固有仕事率）を求めなさい。解答　 P=3.4×6４ 0.75＝ 3.4×(26)3/4=3.4×24.5=3.4×16×20.5=76 (W)　　　 P*=P/64=1.2 (W/kg)詳しくは⇒異説『ゾウの時間ネズミの時間』

Ⅰ熱力学の第二法則Ⅱ酵素の分子活性と代謝テンポ　・典型的な酵素の分子活性は 1000（速度は１㍉秒）　・人間の生命テンポは 1秒（心拍周期・精神作用 )　・人体の代謝率＝仕事率は約 100㍗　・哺乳類の代謝テンポは相対体重の四分の一乗に　　比例して遅くなるⅢ代謝パターンの調節　　①代謝マップ（代謝網、代謝ネットワーク）　　②律速段階　　③代謝パターンの調節

生体エネルギーと酵素

ECBより

①代謝マップ　異化と同化

エネルギー代謝 脂質の代謝代謝総論 ● 脂肪酸の分解 (b酸酸)

●クエン酸(ＴＣＡ)回路

● 脂肪酸の生合成

●グリオキシル酸回路

●コレステロールの生合成

● 呼吸鎖( 電子伝達系と酸化的リン酸

化 )

● ケトン体の合成

● 光合成 ●トリグリセリドとリン脂質の合成

糖質の代謝 アミノ酸の代謝● 解糖 ● アミノ酸の分解

● 糖新生 ● アミノ酸の合成

●ホスホグルコン酸回路(HMS)

● 尿素回路

●グリコーゲンの合成 ヌクレオチドの代謝

●ヌクレオチドの合成

へ ●ヌクレオチドの分解

へ ● 補酵素一覧

代謝マップ（福岡大学　機能生物化学研究室）より　　　　　　　代謝パターン調節へ（本講）

②代謝経路と律速段階　Ⅰ基本概念①代謝経路（または回路）の速度は律速段階の速度で決まる。　律速段階：一つの反応系列の中で最も遅い反応段階

Ａ Ｃ Ｄ ＥＢ

②律速段階の調節（＝ B流速の高低）により、初発反応物の消費速度や終産物の生産速度が調節される。

②解糖系の律速段階は F6P⇒FDP、律速酵素は PFK

②代謝経路と律速段階　Ⅱパスツール効果①無気条件⇒通気の切替によるグルコース消費速度の低下をパスツール効果という。

③通気による酸素呼吸により ATP生産が上昇⇒ATPによる PFK活性の抑制

F6P+Pi

FDP

ATP+H2O

ADP+Pi

PFK

②代謝経路と律速段階　Ⅲフィードバック調節①負のフィードバック　終産物による初発反応の抑制　　例 1　パスツール効果　　例 2　（アミノ酸や核酸塩基などの）生合成経路　ホメオスタシス（恒常性維持）の基本　　暴走の回避②正のフィードバック　終産物による初発反応の促進　　例 1　解糖系の振動　　例 2　ニューロンの自発放電（心電図、筋電図）　自己増幅（自己触媒）や自律振動の基本　⇒細胞内シグナルとしての機能

調節される反応は律速段階『初発』反応はその代謝経路の一番最初の反応とは限らない

③代謝パターンの調節代謝経路と代謝網（代謝ネットワーク）　Ⅰ基本概念

①代謝経路どうしは共通の中間体（基質）を介して繋がり、代謝網を構成する。②TCA回路は両義的経路であり、その中間体はアミノ酸合成、脂肪酸合成、糖合成の初発物質にもなる。③ 最大反応速度の原理共通（分岐点の）中間体は、関与する代謝経路のうち、最大の反応速度をもつ経路に流れる。より正確に言えば、、、代謝経路間の『速度の比率』に応じたバランスで流れる。④代謝パターンは内外の要因により変動する。

Ⅰ熱力学の第二法則Ⅱ酵素の分子活性と代謝テンポⅢ代謝パターンの調節

本日のまとめ・生命は第二法則にしたがって秩序を形成する・生命は散逸構造である・散逸構造としての生命の基本は共役化学反応の原理に　基づく。その仕組みは酵素にある・すべての代謝は酵素によって触媒される・代謝パターンは律速酵素の調節によって決まる

生体エネルギーと酵素