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呼吸を、生化学的に簡単に説明するとどうかと、 動的手衡とはどういう意味か教えてください。 後、食塩水、砂糖水、蒸留水、卵白の溶けた液、 でん粉の溶けた溶液（すべて無色透明） の水溶液の見分け方を簡単に説明してください。 |
3つの質問，
(1) 呼吸とは？
(2) 動的手衡(動的平衡のことですね)とは？
(3) 食塩水，砂糖水，蒸留水，卵白の溶けた液，でん粉の溶けた溶液の見分け方
それぞれ内容が違うので，別々に説明しましょう．
(1) 呼吸とは？
[呼吸の定義] 呼吸とは息をする，つまり酸素を吸って二酸化炭素を吐き出すことですが，生化学では《酸素を消費して燃料分子を酸化し二酸化炭素を発生すること》と定義します．だから，ヒトが息をするのはもちろん，培養中の酵母や大腸菌が，息しているように見えなくても，酸素を消費し二酸化炭素を発生すれば呼吸です．それだけでなく，肝臓切片とか，細胞から取り出したミトコンドリアなどが酸素を消費して二酸化炭素を発生しても呼吸です．生きもの全体でなく，組織切片とか，細胞より小さいオルガネラのレベルでも呼吸といいます．
[呼吸の目的] ここで燃料分子とは，普通は食べた栄養素を消化，吸収し細胞に取込んだ有機物のことで，グルコース(ぶどう糖)や脂肪酸，アミノ酸などです．燃料分子の種類により酸化の仕方は多種多様ですが，最後は，ミトコンドリアで，クエン酸サイクル(TCAサイクル)と酸化的リン酸化により完全燃焼します．普通の燃焼のように熱も発生しますが，発生するエネルギーの一部を熱とせず，ATP分子の合成に利用します．このことを《燃料分子の酸化とATP合成の共役》といいます．生物にとって最重要なエネルギー担体分子のATPをつくることが呼吸の目的です．グルコース1分子を完全燃焼すると，普通の細胞では38分子のATP生産と共役する，とたいていの教科書に出てますが，本当は32分子くらいではないかという説もあります．
[呼吸の種類] 酵母や大腸菌などが《酸素を消費して二酸化炭素を発生していれば呼吸》といいました．呼吸の目的はATPの生産，こうしてつくったATPを使って生育します．この考えを拡張すれば，ATPを生産する目的で酸素以外の無機物を酸化剤に使い燃料分子を酸化するのも《呼吸》と呼べます．この《酸素以外の呼吸》で有名なのは《硝酸呼吸》と《硫酸呼吸》，どちらも微生物だけです．大腸菌，枯草菌などは酸素がない状態(嫌気条件)でも，硝酸イオン(NO3−)があれば，その酸素原子を使って燃料分子を酸化し二酸化炭素を発生して生育します．これが硝酸呼吸です．硫酸還元菌は硫酸イオン(SO42−)の酸素原子を使って燃料分子を酸化する硫酸呼吸を行いながら生育します．硫酸イオンから酸素が取れた残りは硫化物イオン(S2−)，これがまわりの水素イオン(H+)を2個結合して硫化水素(H2S)を発生するのが，どぶやよどんだ沼などの悪臭の一因です．このように，普通の《酸素呼吸》のほかにも，いろいろな呼吸があります．
(2) 動的平衡とは？
《見た目には変化がないが，実際は絶えず物質変化を行っている状態》を動的平衡といいます．要するに普通の化学平衡にある系はすべて動的平衡にあります．具体例で説明しましょう．
純粋な酢酸とエタノールを1 molずつ混ぜて，このままでは反応が遅すぎるので，触媒としてほんのわずか(たとえば1滴)の濃硫酸を加え，密閉容器に何ヶ月も放置しておくと，約2/3が反応して酢酸エチルと水という生成物になり，残りの1/3は酢酸とエタノールのままです．
| CH3COOH | ＋ | HOCH2CH3 | → ← |
CH3COOCH2CH3 | ＋ | H2O |
| 酢 酸 | エタノール | 酢酸エチル | 水 |
上の例では濃硫酸を触媒にしましたが，反応の触媒が酵素でも同じこと，例えばグルコース6-リン酸の溶液に酵素グルコース-6-リン酸イソメラーゼを加えて(この反応は速いので)数時間も置けば平衡混合物になります．
| グルコース6-リン酸 | → ← |
フルクトース6-リン酸 |
平衡になればグルコース6-リン酸が95%，フルクトース6-リン酸が5%，これ以上は変わりませんが，反応が止まったように見えた後も，絶えず上の反応を往復しています．ただ，正反応と逆反応の速度が等しいので，変化してないように見えるだけです．
《動的平衡》と似ているようで，実は全く違う現象に《定常状態》があります．比較のため説明しておきましょう．具体例ではなく，物質A，B，C，…とします．
物質Aがある反応でBに変化します．この変化は生体内の酵素反応でもいいし，実験室の人為的な反応でも構いません．生成物BはさらにCに変化，CはDへとつぎつぎに変化していきます．
A → B → C → D → …
反応が始まった瞬間，まだBはできていないからB以下の物質は全部濃度0です．
反応が始まるとBの濃度はだんだんと増えますが，それと同時にBがCに変わる速度も増えるから，あるところでBの濃度はそれ以上増えなくなります．しかしAからは絶えずBが供給されるので減りもしません．つまりBは増えも減りもせず一定濃度を保ちます．Cも同じこと，だんだん増加し，あるところで増減のない一定濃度に落ち着きます．これが《定常状態》で，AからBが供給される限り続きます．
AからBのできる反応が速すぎて，あっという間にAがなくなっては定常状態は成り立ちません．出発反応A → Bが遅いこと，これが《定常状態》成立の一つの条件です．
生細胞が行う代謝では，《平衡》状態はあまりありません．《定常状態》が普通です．定常状態を破ってある反応だけが暴走すると危険です．病気くらいじゃすまないかも！
(3) 食塩水，砂糖水，蒸留水，卵白の溶けた液，でん粉の溶けた溶液の見分け方
舐めてみるのが一番簡単ですが，五感にたよらず，実験で見分ける方法に限りましょう．また，これ以外の無色水溶液の可能性はないと仮定します．
◎学校の理科実験室を使わせてもらえる場合[実験後の廃液処理は先生の指図をまもること]
操作1： それぞれの溶液を少しずつ試験管にとります．ほんの1 mLもあれば十分です．
その各々に硝酸銀溶液を1滴ずつ加えます．
白い，ちょっとゴツゴツした感じの沈殿ができるのは食塩水だけです．
時間をおくと黒くなる溶液があるかも知れません．
あとで何が黒くなったか記録できるようにしておきましょう．
操作2： 残り四つの溶液を試験管にとり，それぞれにヨウ素･ヨウ化カリウム溶液を加えます．
きれいな青〜紫に呈色するのはデンプンの溶けた溶液だけです．
操作3： 残り三つの溶液を試験管にとり，それぞれに水酸化ナトリウム溶液と酢酸鉛溶液を
加えて加熱します(溶液が突沸して目に入らないように)．
黒くなるのは卵白の溶けた溶液だけです．
操作4： あと残りは二つ．砂糖水を調べる試薬もありますが，別々に蒸発皿にとって
静かに加熱しましょう．沸騰して，きれいになくなるのは蒸留水，濃縮され泡だち，
こげ茶色になるのが砂糖水です．
必要な試薬が理科室になければ次のように調製します(つくり過ぎないように)．
すべて危険な試薬で，目に入ると失明の恐れもあります．実験室ではゴグルを着用しましょう．
・硝酸銀(AgNO3)溶液 ： 濃度は0.1 mol/L (1.7%程度)
・ヨウ素･ヨウ化カリウム液 ： ヨウ化カリウム(KI) 2 gを蒸留水100 mLに溶解し，
これにヨウ素(I2) 1.3 gを溶かした後，蒸留水で100倍に薄める．
先にKI溶液を薄めるとI2が溶けないから注意
(使うのは1滴，1/100のスケールでも余ります)．
・水酸化ナトリウム(NaOH)溶液： 濃度は約6 mol/L (20%程度)．
・酢酸鉛(Pb(CH3CO2)2)溶液 ： 濃度は0.05 mol/L (3%程度)
◎学校の理科実験室が使えない場合でも，試験管と蒸発皿は用意しましょう．
操作1： それぞれの溶液を少しずつ試験管にとり，注意しながら加熱します．
白く濁ってくるのは卵白の溶けた液，他の4本は透明なままです．
操作2： 残り四つの溶液を少しずつ蒸発皿にとって静かに加熱しましょう．
(a) 跡形なく蒸発してしまうのは蒸留水．
(b) 真っ白い結晶が残るのは食塩水です．水が蒸発してなくなる頃には
食塩の結晶がはねて飛び散ります．無毒ですが熱いし勢いがよいので
注意しましょう．
(c) 濃縮されて泡だち，こげ茶色になるのが砂糖水です．
(d) デンプン溶液も乾いて焦げてきますが砂糖水とは区別できます．
別にデンプン水と砂糖水で，どの程度焦げ方が違うか比較実験しておけば，
かなりはっきり違いが分かります．
こんな具合に，理科室を使わなくても見分けはできますが，やはり理科室で試薬を使った実験の方が結果の信頼性が高いでしょう．
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