【テクノロジー解説】細胞のエネルギー通貨「ATP」をつくる回転モーター:水素イオンの流れで軸がまわり、1回転でATPを3個。大人は安静でも1日に体重の約半分、激しく動くと1トン近くのATPをつくっては使う(1997年ノーベル化学賞)

プレ男筋トレのエネルギーって、体の中でどうやってつくってるの?

メル美「ATP」っていうエネルギーのお金を、回転するモーターでつくってるんだって。

こんにちは、Dr. Taro です。 「テクノロジー解説」、今回はATP合成酵素です。1997年のノーベル化学賞の発表をもとにまとめました。

細胞のエネルギー通貨「ATP」

• ATP(アデノシン三リン酸)は、細菌やカビから、植物、動物、人まで、すべての生き物でエネルギーを運ぶ分子です
• 栄養を燃やして出たエネルギーをATPにたくわえ、細胞の部品づくり、筋肉の収縮、神経の信号など、エネルギーが必要な反応にわたします。「細胞のエネルギー通貨」とよばれます
• ATPのいちばん外側のリン酸がはずれるとADPになり、エネルギーが出ます。逆に、エネルギーを使ってADPにリン酸をつけると、ATPにもどります
• 大人は安静にしていても、1日に体重の約半分にあたるATPをつくっては使っています。激しい作業をすると、その量は1トン近くにもなります

プレ男1日に体重の半分も!?ぜんぶ使い回してるのか。

ATPをつくる回転モーター

• ATPのほとんどは、細胞の中のミトコンドリア(植物では葉緑体)にある、ATP合成酵素がつくっています
• ATP合成酵素は、膜の中の部分(Fo)と、膜の外に出ている部分(F1)からできています
  • 膜の内と外の水素イオンの濃さのちがいから、水素イオンがFoを通って流れると、Foの円盤がまわります
  • 円盤にくっついた軸(γ)もいっしょにまわります
  • 軸のまわりの6つの部品(α3つ、β3つ)はまわらずに固定されていて、ゆがんだ軸がまわるたびに、βの形が変わります
  • βは「開いた形」「ゆるい形」「しまった形」を順番にとり、ADPとリン酸をとりこみ、ATPをつくり、放すのです
• ポール・ボイヤー博士は、エネルギーが必要なのはATPをつくる反応そのものではなく、材料をとりこみ、できたATPを放すときだという、ほかの多くの酵素とはちがうしくみを提案しました
• ジョン・ウォーカー博士は、牛のATP合成酵素の立体構造を明らかにし、ボイヤー博士のしくみが正しいことを確かめました

水車でコインをつくる

• ボイヤー博士は、ATP合成酵素を「分子の機械」とよびました
• たとえるなら、水車で動くコインづくりのハンマー。Foが水車、水素イオンの流れが滝、F1の形の変化で、水車1回転ごとに、ATPというコインが3枚つくられます

もう1つの受賞:ナトリウム・カリウムのポンプ

• 賞の残り半分は、イェンス・スコウ博士に贈られました。細胞の中のナトリウムとカリウムのバランスを保つ酵素(Na⁺,K⁺-ATPアーゼ)をはじめて発見しました
• この酵素は、安静時につくられるATPの約3分の1を使っています

ATP合成酵素は、水素イオンの流れで軸がまわる分子の回転モーターで、1回転ごとにATPを3つつくります。大人は安静時でも1日に体重の約半分のATPをつくって使っています。

つながるテクノロジー

• 人工の分子の機械:分子マシン
• 水やイオンが膜を通る門:細胞の「水だけ通す門」アクアポリン
• 細胞と酸素:細胞はどうやって「酸素が足りない」と気づく?

プレ男スクワットしてるとき、体の中で分子のモーターがまわってATPをつくってるんだね。

メル美水車でコインをつくるたとえ、わかりやすいね。

まとめ

• ATPは細胞のエネルギー通貨。安静でも1日に体重の約半分、激しく働くと1トン近くつくって使う
• ATP合成酵素は、水素イオンの流れで軸がまわる回転モーター
• まわる軸がβの形を変え、1回転でATPを3つつくる(ボイヤー博士のしくみ、ウォーカー博士の立体構造)
• ナトリウムとカリウムのバランスを保つ酵素も発見(スコウ博士)
• 1997年ノーベル化学賞

参考文献

1. The Royal Swedish Academy of Sciences. Press release: The Nobel Prize in Chemistry 1997. NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1997/press-release/ (閲覧日:2026年10月10日)

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