7.6: 自由エネルギー

自由エネルギー、すなわち発見した科学者ギブスにちなみGとも略記されているエネルギーは、仕事をする反応から取り出せる有用なエネルギーの指標です。化学反応のエネルギーのうち、エントロピーを考慮した後の利用可能なエネルギーのことです。エネルギーを取り入れる反応は吸エルゴン反応、エネルギーを放出する反応は発エルゴン反応と呼ばれます。植物は、太陽光と二酸化炭素を取り込み、グルコースと酸素を産生することで、吸エルゴン反応を行います。一方で動物は、酸素を使って植物のグルコースを分解し、二酸化炭素と水を作ります。系が平衡状態にあるとき、自由エネルギーの正味の変化はありません。細胞が代謝を維持して生き続けるためには、反応物と生成物の濃度を常に変化させて平衡状態から外れなければなりません。

自由エネルギー

系を流れるエネルギーの方向は、その反応が発エルゴン反応か吸エルゴン反応かを決めます。自由エネルギーの正味変化がない系は、平衡状態にあると考えられます。たいていの化学反応は可逆的であり、どちらの方向にも進みます。細胞が生き続けるためには、代謝が継続されるように、反応物と生成物の濃度を常に変化させて、平衡状態から外れなければなりません。

吸エルゴン反応と発エルゴン反応

反応を進めるためにエネルギーの投入が必要になる場合、自由エネルギーの変化、すなわち反応のΔGは正であり、その反応が吸エルゴン反応と考えられます。つまり、エネルギーが系に入ります。植物では、太陽光の助けを借りて、二酸化炭素と水からグルコース分子と酸素を産生することは、吸エルゴン反応とみなされます。グルコース分子はエネルギー貯蔵分子とみなされるのです。

反対に、反応でエネルギーが放出される場合、自由エネルギーの変化（ΔG）はマイナスとなり、その反応は発エルゴン反応とみなされます。生成物は反応物よりも小さい自由エネルギーをもち、エネルギーは系外に出たことになります。これは、酸素を使ってグルコースを分解し、二酸化炭素と水を生成する動物で起こります。グルコース分子のエネルギーが放出されたのです。