高1 ／ 生物基礎 ／ bb-02
代謝（酵素・光合成・呼吸）
この単元でできるようになること
- を同化（エネルギーを蓄える合成）と異化（エネルギーを取り出す分解）に分けて説明できる
- 酵素の性質（生体触媒・タンパク質・基質特異性・最適温度と最適 pH・繰り返し使える）を説明できる
- 光合成（葉緑体、CO₂ ＋ H₂O ＋ 光エネルギー → 有機物 ＋ O₂）と呼吸（ミトコンドリア、有機物 ＋ O₂ → CO₂ ＋ H₂O ＋ ATP）を対比できる
- 呼吸と燃焼の違い（段階的・低温・ATP に蓄える）を言える
- 独立栄養生物と従属栄養生物、エネルギーの流れを説明できる
入試での位置づけ
代謝は「酵素の性質」（触媒・基質特異性・温度と pH のグラフ）と「光合成と呼吸の対比」（場所・材料・生成物・エネルギー）が共通テストの定番。カタラーゼの実験（過酸化水素 ＋ 肝臓片・酸化マンガン(Ⅳ)）は繰り返し出ます。細かい化学反応の経路（解糖系など）は「生物」の範囲で、基礎では全体像と ATP の役割が問われます。
1. 代謝 ── 同化と異化
まずここだけ
代謝：生体内での化学反応全体。
| 同化 | 異化 | |
|---|---|---|
| 内容 | 簡単な物質から複雑な物質を合成 | 複雑な物質を簡単な物質に分解 |
| エネルギー | 吸収して蓄える | 放出して ATP をつくる |
| 例 | 光合成、タンパク質の合成 | 呼吸、発酵 |
ATP がエネルギーの仲立ち：異化でつくった ATP を同化や運動に使う。
- 独立栄養生物：無機物から有機物を合成できる（植物・藻類・シアノバクテリア）
- 従属栄養生物：他の生物がつくった有機物を取り入れる（動物・菌類・多くの細菌）
2. 酵素 ── 生体触媒
まずここだけ
- 触媒：反応を速めるが、自分は変化しない → 繰り返し使える
- 酵素はタンパク質でできた生体触媒。細胞内（細胞質基質・ミトコンドリア・葉緑体）でも細胞外（消化酵素）でもはたらく
- 基質特異性：酵素は決まった物質（基質）にしか作用しない（活性部位に基質がぴったり合う：鍵と鍵穴）
- 最適温度（多くは 35〜40 ℃）・最適 pH（ペプシン 2、アミラーゼ 7、トリプシン 8）がある。高温ではタンパク質が変性して失活（低温では活性が下がるだけで失活しない）
| 酵素 | 基質 → 生成物 | 場所 |
|---|---|---|
| カタラーゼ | 過酸化水素 H₂O₂ → 水 ＋ 酸素 | 肝臓・多くの細胞 |
| アミラーゼ | デンプン → 麦芽糖 | だ液・すい液 |
| ペプシン | タンパク質 → ペプチド | 胃液（pH 2） |
| リパーゼ | 脂肪 → 脂肪酸 ＋ モノグリセリド | すい液 |
カタラーゼの実験：過酸化水素水に肝臓片を入れると酸素が発生（線香が炎を上げる）。煮た肝臓片では発生しない（酵素が変性）。酸化マンガン(Ⅳ)（無機触媒）でも発生し、こちらは煮ても発生する。
3. 光合成 ── 光エネルギーを有機物に
まずここだけ
場所：葉緑体（クロロフィルが光を吸収） 反応：二酸化炭素 ＋ 水 ＋ 光エネルギー → 有機物（グルコースなど）＋ 酸素 6CO₂ ＋ 12H₂O → C₆H₁₂O₆ ＋ 6O₂ ＋ 6H₂O
- 光エネルギーでまず ATP をつくり、その ATP を使って CO₂ から有機物を合成する（同化）
- 発生する酸素は水に由来
- 葉緑体をもたないシアノバクテリアも光合成をする
- 光合成でつくった有機物はデンプンとして蓄えられたり、呼吸に使われたりする
4. 呼吸 ── 有機物からエネルギーを取り出す
まずここだけ
場所：主にミトコンドリア（一部は細胞質基質） 反応：有機物（グルコース）＋ 酸素 → 二酸化炭素 ＋ 水 ＋ エネルギー（ATP） C₆H₁₂O₆ ＋ 6O₂ ＋ 6H₂O → 6CO₂ ＋ 12H₂O
| 呼吸 | 燃焼 | |
|---|---|---|
| 反応 | 有機物 ＋ O₂ → CO₂ ＋ H₂O | 同じ |
| 温度 | 体温程度 | 高温 |
| 進み方 | 酵素で段階的 | 一気に |
| エネルギー | ATP に蓄える | 熱・光として放出 |
発酵：酸素を使わずに有機物を分解（アルコール発酵：酵母がグルコース → エタノール ＋ CO₂、乳酸発酵：乳酸菌）。得られる ATP は呼吸よりずっと少ない。
5. 光合成と呼吸の対比
| 光合成 | 呼吸 | |
|---|---|---|
| 場所 | 葉緑体 | ミトコンドリア |
| 材料 | CO₂・H₂O | 有機物・O₂ |
| 生成物 | 有機物・O₂ | CO₂・H₂O |
| エネルギー | 光 → 有機物に蓄える（同化） | 有機物 → ATP に取り出す（異化） |
| 行う生物 | 植物・藻類・シアノバクテリア | ほぼすべての生物（植物も！） |
植物も呼吸をしている。昼は光合成 ＞ 呼吸で見かけ上 O₂ を出し、夜は呼吸だけ。
6. よくある間違い
- 「植物は呼吸をしない」（昼も夜も呼吸している）
- 酵素を「使うとなくなる」と思う（繰り返し使える）
- 低温で酵素が「失活」すると書く（活性が下がるだけ。失活は高温・pH の変化）
- 光合成の O₂ が CO₂ 由来だと思う（水由来）
- 呼吸を「息をすること」（ガス交換）と混同する（細胞内の化学反応）
- カタラーゼの実験で酸化マンガン(Ⅳ)を煮ると発生しなくなると書く（無機触媒は熱に強い）
7. 自己チェック
- 同化（合成・吸収）と異化（分解・放出）を例つきで言えるか
- 酵素の 4 つの性質（触媒・タンパク質・基質特異性・最適条件）を言えるか
- 光合成と呼吸の反応式（言葉）と場所を言えるか
- 呼吸と燃焼の違いを 2 つ言えるか
- 植物も呼吸する、と言えるか
8. 小テストへ
→ 小テスト（bb-02）
関連する単元
- 前提：bb-01 細胞と ATP、s2-08 植物のはたらき（中学）、s2-09 消化と酵素（中学）
- 次に進む：bb-03 DNA、bb-09 生態系（炭素の循環）
- ここで使う考え方が出てくる：cb-09 酸化還元（呼吸は有機物の酸化）
参考資料
- 文部科学省『高等学校学習指導要領（平成30年告示）解説 理科編 理数編』── 「生物基礎」(1) イ 生物とエネルギー
受験のしらべ ／ https://juken-shirabe.com/daigaku/science/bb-02/ ／ 更新 2026-09-12