21.3: 細胞の化学
細胞は、化学的には水、有機分子、無機イオンで構成されています。
水
水分子は、その極性に起因した水素結合により、生命活動のプロセスと密接に関係しています。生命はもともと水のある環境で進化してきたため、生物の細胞化学や代謝の大部分は細胞質内の水の中で行われています。水の特性としては、熱容量や気化熱が大きいこと、極性分子を溶かすことができること、凝集性や接着性があること、pHの基礎となるイオンに解離することなどが挙げられます。このような水の特性を理解することで、生命維持における水の重要性を理解することができます。
水の重要な特性の1つは、水が極性分子であることです。水の分子（H2O）内の水素と酸素は極性共有結合を形成しています。水分子は正味の電荷をもたないが、水の極性によって水素にはわずかに正の電荷、酸素にはわずかに負の電荷が生じています。水の極性は、酸素が水素よりも大きな電気陰性度を持つことに起因しています。共有電子は水素原子核よりも酸素原子核に強く引き付けられ、結果として酸素の原子核が相対的に負電荷を帯びるためです。
水分子は分子内でわずかな正電荷および負電荷（極性）を帯びているため、それぞれの水分子が他の水分子を静電的に引き寄せ、水素結合を形成します。同様に、水は他の極性分子やイオンを引き寄せたり、引き寄せられたりします。水と容易に相互作用したり、水に溶けたりする極性化合物を親水性であるといいます。一方、油や脂肪などの非極性分子は、水との相互作用が弱いです。このような非極性化合物を疎水性であるといいます。
有機分子
タンパク質、炭水化物、核酸、脂質は、生命維持に必要な大きな分子であり、小さな有機分子が集まってできた4大生体高分子です。ポリマーは、科学者がモノマーと呼ぶ単一のユニットが共有結合で結合したものです。このポリマーは、個々の構成分子からなる浸透圧よりもはるかに低い浸透圧をもたらすなど、モノマーの総和とは異なる新たな特性を有しています。これは、細胞の浸透圧を維持する上で重要な利点です。モノマーは、水分子の放出によって別のモノマーと結合し、共有結合を形成します。これを脱水反応または縮合反応と呼びます。ポリマーがより小さな単位（モノマー）に分解されるとき、これらの反応によって生まれた結合ごとに水分子が消費されます。このような反応を加水分解反応といいます。脱水反応と加水分解反応はすべての高分子に共通した反応です。脱水反応は、新たな結合形成のためにエネルギーを投入する必要があります。一方で、加水分解反応は、結合の切断によってエネルギーを放出します。
炭水化物 炭水化物は、細胞の重要なエネルギー源です。植物細胞、菌類、そしてロブスター、カニ、エビ、昆虫、クモなどの節足動物を構造的に支えています。炭水化物は、単糖類、二糖類、多糖類に分類されます。デンプンやグリコーゲンのような高分子の形でブドウ糖を貯蔵すると、代謝にはやや不利になりますが、細胞外に漏れたり、浸透圧が高くなって細胞が過剰に水分を取り込んだりするのを防ぐことができます。
タンパク質 タンパク質は、細胞内でさまざまな機能を果たす高分子の一種です。酵素、キャリアー、ホルモンなどとして代謝を助けたり、物理的な構造を支える働きがあります。タンパク質の構成要素はアミノ酸です。
脂質 脂質は、非極性で疎水性の性質を持つ高分子の一種です。主な種類としては、油脂、ワックス、リン脂質、ステロイドなどがあります。油脂はエネルギーの貯蔵庫であり、トリアシルグリセロールまたはトリグリセリドとも呼ばれます。コレステロールはステロイドの一種であり、細胞膜の重要な構成要素であり、膜の流動性を維持する働きがあります。
Nucleic acids 核酸は、細胞分裂やタンパク質合成などの細胞活動を司るヌクレオチドからなる分子です。核酸には、DNAとRNAの2種類があります。DNAは、細胞の遺伝子の設計図を親から子へと伝えます。RNAは、タンパク質の合成とその制御に関わります。
無機イオン
無機イオンは、細胞の質量の1％にも満たないですが、細胞の機能に重要な役割を果たしています。細胞内には、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、リン酸、塩化物などの無機イオンが存在します。
上記の文章は以下から引用しました。Openstax, Biology 2e, Unit 1: The Chemistry of Life.
