のまみさん

みんなのひろば「植物Q&A」へようこそ。質問を歓迎します。
生物界、無生物界を問わず、化学反応の向きを決めているのは、自由エネルギーの大小です。自由エネルギーは、化学的位置エネルギーともいうべきものです。自然科学でこの分野の研究をするのは化学熱力学で、生物学では生体エネルギー論がこの分野の問題を扱います。

物理的位置エネルギーを考えてみましょう。ダムにたまった水（Pとします）は、麓の水（Qとします）に比べて高い位置にあり、位置エネルギーが高いといいます。水は、PからQに向かって流れるのが自然の方向です。水力発電所では、PとQの落差を利用して、位置エネルギーを電気エネルギーに変換することができます。逆に、低い位置にある水を高い位置に送るには、たとえばポンプを利用し、動力として電力や重油などのエネルギーを投入する必要があります。物質としては同じ水ですが、自然界では位置のエネルギー減少の向きにしか自発的運動は起こりません。

生物界で、グルコースの光合成による合成と、細胞呼吸による分解について比較してみましょう；

光合成：6CO₂ + 6H₂O + [投入エネルギー(具体的には、光のエネルギーが酸化還元のエネルギーに変換され、さらに後者の一部はATPのエネルギーに変換される]　→　C₆H₁₂O₆ (グルコース) + 6O₂

呼吸：C₆H₁₂O₆ (グルコース) +6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O +［生物にとって利用可能な形のエネルギー(具体的には、ATPの化学的エネルギー等)］。

原子の収支だけに着目すれば、A［6CO₂+ H₂O］もB［C6H12O6 + 6O₂］も同じ種類と数の原子が関係していますが、化学的エネルギーはBの方がAよりも大きいので、反応をAからBの方向に進めるにはエネルギーの投入が必要です。光合成の炭素同化経路では、CO₂を還元するための還元剤の他に、ATPの化学エネルギーを必要とします。

質問の化学反応についても同様です：A［NH₃＋グルタミン酸］とB［グルタミン＋H₂O］も原子の種類と数は同じですが、化学的位置エネルギー（自由エネルギーといいます）の比較では、後者の方が前者よりも大きいので、A　→　Bの向きの反応は自発的には起きません。しかし、適当な化学的エネルギーを組み入れると、逆向きの反応を起こすことができます；C［ATP ＋ H₂O]　→　D［ADP＋Pi（リン酸）］：この反応ではCの方がDよりも自由エネルギーが大きいので、E［反応AとC］の組み合わせとF［反応BとD］の組み合わせを比較したとき、Eの自由エネルギーがFの自由エネルギーよりも大きくなれば、反応をEからFの方向、すなわちグルタミンの合成方向に進めることができます。（さらに細かく説明すると、グルタミン酸とATPが酵素グルタミンシンターゼの上で、グルタミルリン酸-酵素複合体を形成し（この際にADPができます）、これとNH₃が反応して、グルタミンとリン酸と遊離の酵素となって反応が完結します）

自然界で起こる物質の化学変化は、生物、無生物を問わず、自由エネルギー減少の方向にしか起こりえず、生物は自由エネルギーの落差を利用して生命活動を営んでいるわけです。

なお、質問の消化酵素の場合は、たとえば、G［デンプン＋nH₂O］とH［(n＋1)グルコース］について自由エネルギーを比較すると、Gの方がHよりも自由エネルギーが大きいので、加水分解にATPの消費は必要ありません。