まめ知識コーナー
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熱力学第二法則に対する生命の対応とはどういうものですか?? |
質問者が
・化学科の学生または卒業生なのか?
・化学以外の理工ないし生物系なのか?
・あるいは文系なのか?
ご質問の文面だけではわからないので,化学以外の理系で,ATPのことは改めて説明しないでもよいと想定して回答しましょう.
熱力学の第一法則は《エネルギーの保存の法則》で,ある系のエネルギーは,この系に外部からエネルギーが入ってくるか,この系からエネルギーが外部に逃げ出さない限り一定不変,つまり永久に変わらないことを述べています.これに対し熱力学の第二法則は《宇宙は無秩序に向かう》と述べています.
秩序とか無秩序とか,日常生活では数値化しません.例えばあなたの部屋と友人の部屋とどちらが散らかっているか比べるのは見た感じだけ,点数では比べません.しかし熱力学では何事もきっちり数値化して比べれるように無秩序さを表す量としてエントロピーを定義します.エントロピーは物理化学的に測定できる量で,小さい方が秩序,大きい方が無秩序です.どんなものでもなるがままにほおって置けばエントロピーは増大する一方,決して減少しないというのが熱力学の第二法則です.
化学科では,エントロピーは物理化学の授業で出てきます.1回でエントロピーが良く分かったなんていう学生さんは滅多にいません.エントロピーの測定法を教わっても,なぜそうすると無秩序さを測定したことになるのかピンとこないんです.だからエントロピーは無秩序さの尺度だということ以上は深入りせずに話を進めましょう.
生きものは命ある限りエントロピーとの戦い,つまりエントロピーを増やさない努力を続けます.この中で,比較的分かりやすい例はイオンポンプでしょう.細胞の内部はK+イオンが濃くてNa+イオンが希薄,しかし細胞外液ではNa+イオンが濃くてK+イオンが希薄です.細胞膜はK+イオンやNa+イオンをあまり通しませんが,いろいろなプロセス,例えば神経が伝達されるときなどに内部のK+イオンが外に出て,外からNa+イオンが入ってきます.そのままほおって置けば内部と外部でK+イオンもNa+イオンも同じ濃度になってしまい,イオン濃度に関して無秩序,エントロピーが大きくなります.そうなると細胞は生きていけないので,Na+/K+イオンポンプでNa+イオンを外に汲み出し,K+イオンを中に汲み入れます.これにはエネルギーが必要です.生体がエネルギーを必要とするときはほとんどの場合ATPを加水分解して必要なエネルギーを調達します.Na+/K+イオンポンプももちろんATPを加水分解しながら働きます.
個々の分子のレベルで考えましょう.例えばタンパク分子一つとっても,20種類のアミノ酸が決まった順序でつながってできていますから,アミノ酸が別々に存在するよりも整然としている,つまりエントロピーの低い状態です.細胞内ではリボソームという小さい粒の中でアミノ酸をつないでタンパクをつくります.このタンパク合成は,まさにエントロピーを小さくする化学反応です.このときもATPや,ATPによく似たGTPの加水分解でエネルギーを供給して反応を進めます.ただしタンパク合成では新しい化学結合をつくるとか,エントロピーだけでは計算できない他の量も関係してくるので,先のイオンポンプよりは話が複雑です.
ほかにもエントロピーを増大させないためにいろいろと作業しますが,必要なエネルギーはたいていはATPの加水分解でまかないます.
熱力学第二法則に対する生命の対応とは《ATPの加水分解によるエネルギーを使ってエントロピーの増大に対抗すること》と言ってもよいでしょう.