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燃料電池なんて玩具…?

2009 - 06/24 [Wed] - 20:47

”削除”されちゃうと困るので、ときたまgooブログの方も覗きます。
【離れ】のアクセスも結構あるようで、ありがたいことです。 感謝、感謝
もちろん【母屋】にお越しくださる方も増えており、
ホンとありがたいことです

気づいてみたら、ブログも通算一周年を過ぎておりました。
まだ1年、でも長かったな~(+_+)
よくネタが尽きなかったもんだと自分でも感心します。
二周年が迎えられるように頑張りますんで、
今後もご愛読を賜りますようお願いいたしますね
今後も”まにあっく”に精進いたします。

というわけで、
久しぶりに”まにあっく”な雑学のお話。
といっても、昨日紹介した燃料電池につながる話題です。
燃料電池なんて聞くと「ハイテクーーー(゜o゜)」って感動するでしょうが、
なんのことはない、まにあっくにいわせればただのぱくりです。
でも”特許侵害”で訴えられる心配はない。
だって、自然を真似したからです。

生命は呼吸をします。
ただし「呼吸」には外呼吸内呼吸があります。
一般には息を吸ったり吐いたりする外呼吸をイメージするでしょうが、
生命にとって本質的に重要なのは内呼吸です。
内呼吸は「細胞呼吸」とも呼ばれ、
【呼吸鎖】と呼ばれる化学サイクルによって……

エネルギーが加工される

生命活動が維持されるのは内呼吸のおかげなんですよ!

内呼吸が行われる舞台は、
細胞の中の小器官であるミトコンドリアです。
名前は聞いたことがあるでしょ?
1つの細胞に1ヶとは限らず、
多い場合には数千ヶものミトコンドリアがひしめくそうです。 ヒトの肝細胞には5000ヶ
誰が数えたんだか知らないけど、
人間の全身の細胞の数は60兆個もあるらしい。
そうなると、ミトコンドリアってどれくらいあるの?
1つの細胞に平均100ヶとすれば6000兆!
さらに多いとしたら――、って「兆」の上の単位って何(?_?) 京「けい」だそうです

ミトコンドリア内では様々な化学反応が起こっていますが、
中でも最も重要なものの一つが呼吸鎖(respiratory chain)です。
その流れを説明するのに、
有名な分子生物学の入門書『The Cell』のイラストを利用させていただきましょう。
【イラスト】の左側から酸素(O2)が入り、
右側から二酸化炭素(CO2)が出て行ってるでしょ?
これが「内呼吸」です。

図をクリックすると拡大します
呼吸鎖

【解糖系】で1ヶのグルコースは2ヶのピルビン酸まで分解されます。
ここで2分子のNADHが生じます。
その後、ピルビン酸はミトコンドリア内に運ばれます。
ミトコンドリアは「外膜」と「内膜」という二重の膜で包まれており、
「内膜」に囲まれた内部がマトリックス(matrix)です。

マトリックスは「子宮」を意味するラテン語【mate-rix】に由来するそうで、
何かを”生み出す機能”や”生み出す場所”を指します。
ミトコンドリアの”マトリックス”でも、
生命活動の根源であるエネルギーが生み出されるんですね。

ピルビン酸はアセチルCoAに変換された後、
生化学反応の”交差点”である【クエン酸回路】に入ります。
ここで1ヶのピルビン酸から4ヶのNADHが生じますから、
グルコースからは合計10ヶのNADHが作られることになります

ところで、先ほどから出てくる【NADH】って何? 「などえっち」と読みます
呼吸鎖-NADH
【NADH】の酸化型がNAD+ですが、
その正式名称は「ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド」といいます。
この中で重要なのは、
ナイアシン(ビタミンB3)に由来するニコチンアミド。
【NAD+】は生体化学反応の水素の授受に関わる補酵素(コエンザイム)で、
2つの水素を受けとって【NADH】とH+が生じます。 「還元」されるってこと
ちなみに、【NADH】とH+をひとまとめにしてNADH2+って表記されることもございます。

ここで燃料電池を思い出してくださいね。
その”燃料”は何でしたか?
水素(実際にはH+ と e-)だったでしょ?
【NADH】も全く同じこと!
グルコースの持つエネルギーを、
水素という形に”転換”してるってことなんです。
ということは……

自然は何十億年も前から水素社会――なんですね。

燃料電池は水素のエネルギーを電気や熱に変えますが、
生命はATPという”エネルギー通貨”に交換します。
この作業を行うのが【呼吸鎖】であり、
その第1ステップ電子伝達系です。

ここで【NADH】は【NAD+】に戻され、
放出されるエネルギーを利用してプロトン(H+)を膜間スペースに押し出します。
電子(e-)は最終的に酸素の酸化に消費されるので、
その反応式はこうなる……

  NADH + H+ + 1/2O2 → NAD+ + H2O

ここから”運び屋”である【NADH】と【NAD+】を消去すると……

  2H+ + 2e- + 1/2O2 → H2O

ほらね、燃料電池の反応式と同じでしょ? 
ただ一度にこの化学反応を行うと、
大量のエネルギーが一気に放出されます。
燃料電池であるエネファームはこの排熱でお湯を沸かすわけですが、
身体の中でお湯を沸かしたってしょうがない(=_=)

そこで【電子伝達系】では、
「複合体Ⅰ」「複合体Ⅲ」「複合体Ⅳ」の3段階でエネルギーを取り出します。
「複合体」っていうのは機能タンパク質の集合体だと思ってください。
反応を小分けにすることで、
無駄のないように少しずつエネルギーを取り出すわけです。

その際、電子(e-)の受け渡しを行う電子伝達体として活躍するのが、
シトクロムCとユビキノンです。 
【シトクロム】っていうのは中心に鉄(Fe)を有するヘムタンパク質。
機能は違うけど同じ仲間で有名なのが血液のヘモグロビンであり、
化学物質を解毒する必殺兵器、シトクロムP450もヘムタンパク質なんですよ。

もっと有名なのが【ユビキノン】かな?
一般には酸化型のキノン体を【ユビキノン】といい、
還元型のヒドロキノン体は【ユビキノール】と呼ばれます。

図をクリックすると拡大します
呼吸鎖-ユビキノン

”お仕事”をするのはベンゼン環からなるキノン部分で、
テルペノイドである側鎖は細胞膜に引っかかるフックの役割をしています。

人間をはじめとする動物ではイソプレンユニットが10ヶなので、
【ユビキノン】の別名をCoQ10っていいます。
ほ~ら、聞いたことのある名前でしょ?
【Q】は「quinone」の頭文字、【10】はイソプレンユニットの数を表します。
サプリメントとしてあまりにも有名ですが、
基本的に体内合成で十二分に賄うことができます
こんなに重要な化学物質を、
体外からの摂取に依存するわけにいかないですからね!

ところで、燃料電池は発電します。
でもミトコンドリアでは、いったい何が”できる”んでしょう?
別に発電するわけじゃ~ないし……
電子(e-)が「複合体」の間を移動しながら、
実はプロトン(H+)をせっせと汲み出しているんです。
グルコース1ヶのエネルギーで、
100ヶ以上のプロトンがマトリックスから膜間スペースに移動します。

すると内膜を挟んでプロトン濃度に差が出るでしょ?
どこかに”トンネル”があれば、
プロトンは濃度の高い膜間スペースからマトリックスに戻ろうとします。
その”トンネル”がATP合成酵素であり、
これが【呼吸鎖】の第2ステップとなります。

【ATP合成酵素】の中にはいわばミクロのプロペラがあります。
プロトンがマトリックスに戻る力で、これがくるくる回転するんですね。
1秒間に100回転するといわれています。
これって”モーター”と全く同じメカニズム!
この生体モーターを駆動してATPを合成するわけです。
呼吸鎖-ATP
【ATP】の正式名称は「アデノシン三リン酸(Adenosine TriPhosphate)」です。
【tri-】っていうのは「3」を意味する接頭辞ですね。
”三リン酸”というように、【ATP】にはリン酸が3ヶ結合しています。

【ATP合成酵素】は【ADP】にリン酸を結合させて【ATP】を合成します。
これを酸化的リン酸化っていいます。
ところが赤い太線で表したリン酸同士の結合は、
エネルギー的にとても不安定です。
このため、もっと安定的な化学結合に落ち着こうとする性質を持っています。
その際に非常に大きなエネルギーを放出するため、
あたかも【ATP】が生体化学反応の推進力のように振る舞うんです。
そこで……

ATPは生体のエネルギー通貨――って呼ばれます。

水素の持つエネルギーはそのままでは使いづらいので、
人間は燃料電池を使って電気や熱に変換します。
一方体内では最終的にATPに変換し、
化学エネルギーとして利用するんです。
この一連の変換を行うサイクルが呼吸鎖となるわけ。

その流れを解説した動画コンテンツを見つけました。
公開しているのは、
独立行政法人科学技術振興機構が運営する理科ネットワーク。
理科教育用の教材ですが、と~ってもわかりやすいですよ!
ここをクリックして、ぜひ【呼吸鎖】のイメージを掴んでみてください。

  使い方
  1.トップ画面の【コンテンツメニュー】をクリック
  2.menuの中から【4】をクリック
  3.上の方に並んでいる数字の【11】をクリック
  4.電子伝達系の画面をクリック  これで動画が始まります

ミトコンドリアって、”いい仕事”してるでしょ?
しかもその大きさは凡そ0.5μm(0.0005mm)程度しかありません。
馬鹿でかいエネファームとは比べ物にならない超ハイテクです(゜o゜) 
大腸菌程度のこんな小さな小器官で、
生命を”駆動”するエネルギーが生み出されているんですよ
その精密さに比べたら、
最先端技術といっても燃料電池なんか玩具――みたいなもの。
残念ながら、人は自然の足元にも及びません(>_<)

さて、久しぶりに生体化学をまにあっくしたので、
とってもスッキリしました\(^o^)/

燃料電池の”燃料”である水素が二次エネルギーであるように、
動物が活用している水素も”二次エネルギー”といって良いでしょう。
人間の場合も同じです。
”一次エネルギー”は生産できません。
外部からグルコースや脂肪酸、あるいはアミノ酸を補給し、
ここから”二次エネルギー”である水素を【NADH】として取り出します。
それが食事っていうわけですね。

エネルギー資源がなくなれば、社会や経済が麻痺するでしょう。
でもね、それで人間は死なないよ。
ところが食糧が手に入らなくなったらどうする?
身体に”エネルギー”を供給できなくなったら、生命活動が麻痺します。
つまり……

死んじゃう ――ってことです。

あくなき経済成長を追い求めるのもいいけど、
食料調達のめどは立っているんでしょうか?
石油ピークがやってくれば、農業生産も大打撃を蒙りそうです……(*_*)  



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