プリンキピア

第6章代謝

Section Summaryこの節のまとめ

Energy comes in many different forms. Objects in motion do physical work, and kinetic energy is the energy of objects in motion. Objects that are not in motion may have the potential to do work, and thus, have potential energy. Molecules also have potential energy because breaking molecular bonds has the potential to release energy. Living cells depend on harvesting potential energy from molecular bonds to perform work. Free energy is a measure of energy that is available to do work. A system's free energy changes during energy transfers such as chemical reactions, and scientists refer to this change as ∆G.
エネルギーにはさまざまな形がある。運動する物体は物理的な仕事をし、運動する物体がもつエネルギーを運動エネルギーという。運動していない物体にも仕事をする可能性があり、その場合、位置エネルギーをもっている。分子も、分子の結合が切れるとエネルギーを放出する可能性があるため、位置エネルギーをもつ。生きた細胞は、分子の結合から位置エネルギーを取り出して仕事を行う。自由エネルギーは、仕事に利用できるエネルギーの量である。系の自由エネルギーは、化学反応のようなエネルギーの移動によって変化し、この変化を ∆G と表す。
A reaction's ∆G can be negative or positive, meaning that the reaction releases energy or consumes energy, respectively. A reaction with a negative ∆G that gives off energy is an exergonic reaction. One with a positive ∆G that requires energy input is an endergonic reaction. Exergonic reactions are spontaneous because their products have less energy than their reactants. Endergonic reactions' products have a higher energy state than the reactants, and so these are nonspontaneous reactions. However, all reactions (including spontaneous -∆G reactions) require an initial energy input in order to reach the transition state, at which they will proceed. This initial input of energy is the activation energy.
反応の ∆G は負にも正にもなり、それぞれ、反応がエネルギーを放出することと消費することを意味する。∆G が負でエネルギーを放出する反応は発エルゴン反応である。∆G が正で、エネルギー投入を必要とする反応は吸エルゴン反応である。発エルゴン反応は、生成物のエネルギーが反応物より低いため自発的である。吸エルゴン反応では生成物が反応物より高いエネルギー状態にあるので、非自発的である。しかし、自発的な ∆G が負の反応も含め、すべての反応は、そこから反応が進む遷移状態に達するため、最初のエネルギー投入を必要とする。この最初に投入するエネルギーが活性化エネルギーである。

Visual Connection Questions図を使った問題

Exercises 5–6練習問題 5–6
Exercise 5問題 5
Figure 6.8 Look at each of the processes, and decide if it is endergonic or exergonic. In each case, does enthalpy increase or decrease, and does entropy increase or decrease?
図6.8 各過程を見て、吸エルゴン過程か発エルゴン過程かを判断せよ。それぞれでエンタルピーは増加するか、減少するか。エントロピーは増加するか、減少するか。
Solution解き方
Figure 6.8 A compost pile decomposing is an exergonic process; enthalpy decreases (energy is released) and entropy increases (large molecules are broken down into smaller ones). A baby developing from a fertilized egg is an endergonic process; enthalpy increases (energy is absorbed) and entropy decreases. Sand art being destroyed is an exergonic process; there is no change in enthalpy, but entropy increases. A ball rolling downhill is an exergonic process; enthalpy decreases (energy is released), but there is no change in entropy.
図6.8 堆肥の山の分解は発エルゴン過程である。エンタルピーは減少し（エネルギーが放出され）、エントロピーは増加する（大きな分子が小さな分子へ分解される）。受精卵から赤ちゃんが発生するのは吸エルゴン過程で、エンタルピーが増加し（エネルギーが吸収され）、エントロピーは減少する。砂の造形物が壊れるのは発エルゴン過程で、エンタルピーは変化しないが、エントロピーは増加する。球が坂を転がり下りるのは発エルゴン過程で、エンタルピーは減少する（エネルギーが放出される）が、エントロピーは変化しない。
Exercise 6問題 6
Figure 6.10 If no activation energy were required to break down sucrose (table sugar), would you be able to store it in a sugar bowl?
図6.10 スクロース（砂糖）の分解に活性化エネルギーがまったく必要なかったら、砂糖を砂糖入れに保存できるだろうか。
Solution解き方
Figure 6.10 No. We can store chemical energy because of the need to overcome the barrier to its breakdown.
図6.10 できない。分解の障壁を乗り越える必要があるからこそ、化学エネルギーを保存できる。

Review Questions確認問題

Exercises 7–9練習問題 7–9
Exercise 7問題 7
Consider a pendulum swinging. Which type(s) of energy is/are associated with the pendulum in the following instances: i. the moment at which it completes one cycle, just before it begins to fall back towards the other end, ii. the moment that it is in the middle between the two ends, and iii. just before it reaches the end of one cycle (just before instant i.).
揺れる振り子を考えよ。次の各瞬間の振り子には、どの種類のエネルギーがあるか。i. 一回の往復を終えて、反対側へ戻り始める直前、ii. 両端の中間にある瞬間、iii. 一回の往復の端に到達する直前（iの瞬間の直前）。
  1. i. potential and kinetic, ii. potential and kinetic, iii. kinetic
    i. 位置エネルギーと運動エネルギー、ii. 位置エネルギーと運動エネルギー、iii. 運動エネルギー
  2. i. potential, ii. potential and kinetic, iii. potential and kinetic
    i. 位置エネルギー、ii. 位置エネルギーと運動エネルギー、iii. 位置エネルギーと運動エネルギー
  3. i. potential, ii. kinetic, iii. potential and kinetic
    i. 位置エネルギー、ii. 運動エネルギー、iii. 位置エネルギーと運動エネルギー
  4. i. potential and kinetic, ii. kinetic iii. kinetic
    i. 位置エネルギーと運動エネルギー、ii. 運動エネルギー、iii. 運動エネルギー
Solution解き方
C
C
Exercise 8問題 8
Which of the following comparisons or contrasts between endergonic and exergonic reactions is false?
吸エルゴン反応と発エルゴン反応の比較について、誤っているのはどれか。
  1. Endergonic reactions have a positive ∆G and exergonic reactions have a negative ∆G.
    吸エルゴン反応の ∆G は正で、発エルゴン反応の ∆G は負である。
  2. Endergonic reactions consume energy and exergonic reactions release energy.
    吸エルゴン反応はエネルギーを消費し、発エルゴン反応はエネルギーを放出する。
  3. Both endergonic and exergonic reactions require a small amount of energy to overcome an activation barrier.
    どちらの反応も、活性化の障壁を乗り越えるために少量のエネルギーを必要とする。
  4. Endergonic reactions take place slowly and exergonic reactions take place quickly.
    吸エルゴン反応はゆっくり起こり、発エルゴン反応は速く起こる。
Solution解き方
D
D
Exercise 9問題 9
Which of the following is the best way to judge the relative activation energies between two given chemical reactions?
二つの化学反応の活性化エネルギーの大小を判断するには、どの方法が最適か。
  1. Compare the ∆G values between the two reactions.
    二つの反応の ∆G の値を比較する。
  2. Compare their reaction rates.
    反応速度を比較する。
  3. Compare their ideal environmental conditions.
    反応に最適な環境条件を比較する。
  4. Compare the spontaneity between the two reactions.
    二つの反応の自発性を比較する。
Solution解き方
B
B

Critical Thinking Questions考察問題

Exercises 10–11練習問題 10–11
Exercise 10問題 10
Explain in your own words the difference between a spontaneous reaction and one that occurs instantaneously, and what causes this difference.
自発反応と瞬時に起こる反応の違い、およびその違いが生じる理由を、自分の言葉で説明せよ。
Solution解き方
A spontaneous reaction is one that has a negative ∆G and thus releases energy. However, a spontaneous reaction need not occur quickly or suddenly like an instantaneous reaction. It may occur over long periods due to a large energy of activation, which prevents the reaction from occurring quickly.
自発反応は ∆G が負であり、そのためエネルギーを放出する反応である。しかし、瞬時に起こる反応のように、速く、あるいは突然起こる必要はない。活性化エネルギーが大きいと速やかな反応が妨げられるため、長い時間をかけて起こることもある。
Exercise 11問題 11
Describe the position of the transition state on a vertical energy scale, from low to high, relative to the position of the reactants and products, for both endergonic and exergonic reactions.
エネルギーを低いところから高いところへ縦軸にとったとき、遷移状態が反応物および生成物に対してどの位置にあるか、吸エルゴン反応と発エルゴン反応の両方について説明せよ。
Solution解き方
The transition state is always higher in energy than the reactants and the products of a reaction (therefore, above), regardless of whether the reaction is endergonic or exergonic.
吸エルゴン反応か発エルゴン反応かにかかわらず、遷移状態は常に反応物と生成物よりエネルギーが高くなる（したがって、上に位置する）。
activation energy
活性化エネルギー
energy necessary for reactions to occur
反応を起こすために必要なエネルギー。
chemical energy
化学エネルギー
potential energy in chemical bonds that releases when those bonds are broken
化学結合に蓄えられ、結合が切れると放出される位置エネルギー。
endergonic
吸エルゴン性
describes chemical reactions that require energy input
エネルギーの投入を必要とする化学反応の性質。
enthalpy
エンタルピー
a system's total energy
系の全エネルギー。
exergonic
発エルゴン性
describes chemical reactions that release free energy
自由エネルギーを放出する化学反応の性質。
free energy
自由エネルギー
Gibbs free energy is the usable energy, or energy that is available to do work
ギブズ自由エネルギーは、利用できるエネルギー、すなわち仕事に使えるエネルギーである。
heat energy
熱エネルギー
total bond energy of reactants or products in a chemical reaction
化学反応の反応物または生成物がもつ結合エネルギーの総量。
kinetic energy
運動エネルギー
energy type that takes place with objects or particles in motion
運動する物体や粒子に伴うエネルギー。
potential energy
位置エネルギー
energy type that has the potential to do work; stored energy
仕事をする可能性をもつエネルギー。蓄えられたエネルギー。
transition state
遷移状態
high-energy, unstable state (an intermediate form between the substrate and the product) occurring during a chemical reaction
化学反応中に生じる、高エネルギーで不安定な状態（基質と生成物の間の中間的な形）。