吸エルゴン反応

生成するエネルギーよりも開始に必要なエネルギーの方が多い化学反応

吸エルゴン反応（光合成など）は、駆動にエネルギーを必要とする反応です。吸エルゴンとは、「仕事の形でエネルギーを吸収する」という意味です。反応の活性化エネルギーは、通常、発エルゴン反応の総エネルギーよりも大きくなります（1）。吸エルゴン反応は非自発的です。反応の進行は線で示されています。吸エルゴン反応中のギブス自由エネルギーの変化（ΔG ）は、エネルギーが得られるため正の値となります（2）。

化学熱力学において、吸エルゴン反応（ギリシャ語 のἔνδον （エンドン） 「内で」と ἔργον （エルゴン） 「仕事」に由来。吸熱非自発反応または不利反応とも呼ばれる）は、自由エネルギーの標準変化が正の化学反応であり、この反応を実行するには追加の駆動力が必要である。簡単に言えば、有用なエネルギーの総量は負である（反応を開始するために必要なエネルギーが、反応から得られるエネルギーよりも大きい）ため、総エネルギーは正味で負の結果となり、発エルゴン反応では正味で正の結果となる。言い換えれば、反応が起こるためには、有用なエネルギーが周囲から作用可能なシステムに吸収されなければならないということである。^{[1] [2]}

一定温度一定圧力条件下では、標準ギブス自由エネルギーの変化は正となる。

${\displaystyle \Delta G^{\circ }>0}$

標準状態（すなわち、標準圧力（1 bar）、およびすべての試薬の 標準濃度（1モル））での反応の場合。

代謝において、吸エネルギー過程は同化作用があり、これはエネルギーが蓄えられることを意味します。多くのこのような同化作用では、反応をアデノシン三リン酸(ATP) と結合させることでエネルギーが供給され、その結果、高エネルギーで負に帯電した有機リン酸と正に帯電したアデノシン二リン酸が生成されます。

平衡定数

反応の平衡定数はΔG°と次の関係式で結びついています。

${\displaystyle K=e^{-{\frac {\Delta G^{\circ }}{RT}}}}$

ここでTは絶対温度、Rは気体定数である。ΔG °の値が正であれば、

${\displaystyle K<1\,}$

そのため、モル化学量論量から出発すると、そのような反応は平衡に向かって前進するのではなく後退することになる。^[2]

しかしながら、吸エネルギー反応は自然界、特に生化学と生理学において非常に一般的です。細胞における吸エネルギー反応の例としては、タンパク質合成や、神経伝導と筋収縮を駆動するNa ⁺ /K ⁺ポンプなどが挙げられます。

吸エネルギー反応のギブス自由エネルギー

宇宙に存在するすべての物理系および化学系は、熱力学第二法則に従い、下り坂、すなわち発エルゴン的な方向へ進行します。したがって、いかなる物理系または化学系も、放っておくと、熱力学第二法則に従って、系の自由エネルギーを低下させる方向に進行し、ひいては仕事という形でエネルギーを消費することになります。これらの反応は自発的に発生します。

化学反応は、非自発的な場合、吸エネルギー反応と呼ばれます。したがって、この種の反応ではギブスの自由エネルギーが増加します。ギブスの自由エネルギーの変化にはエントロピーが含まれます。これは、エントロピーが考慮されない吸熱反応とは異なります。ギブスの自由エネルギーは、ギブス・ヘルムホルツの式で計算されます。

${\displaystyle \Delta G=\Delta H-T\cdot \Delta S}$

どこ：

⁠ ⁠ = ${\displaystyle T}$ケルビン（K）での温度

⁠ ⁠ ${\displaystyle \Delta G}$ = ギブス自由エネルギーの変化

⁠ ⁠ ${\displaystyle \Delta S}$ = エントロピーの変化（298 K） ${\textstyle \Delta S=\sum S({\text{Product}})-\sum S({\text{Reagent}})}$

⁠ ⁠ ${\displaystyle \Delta H}$ = エンタルピーの変化（298 K） ${\textstyle \Delta H=\sum H({\text{Product}})-\sum H({\text{Reagent}})}$

ギブス自由エネルギーが増加すると、化学反応は非自発的に進行します。この場合、⁠ ⁠ ${\displaystyle \Delta G}$は正です。発エルゴン反応では⁠ ⁠ ${\displaystyle \Delta G}$は負、吸エルゴン反応では⁠ ⁠ ${\displaystyle \Delta G}$は正です。

${\displaystyle \Delta _{\mathrm {R} }G<0}$発エルゴン性

${\displaystyle \Delta _{\mathrm {R} }G>0}$吸虫性

ここで、化学反応が完了した後のギブス自由エネルギーの変化に等しくなります。 ${\displaystyle \Delta _{\mathrm {R} }G}$

吸エネルギー反応を起こす

吸エルゴン反応は、発エルゴン反応（安定性が増大し、自由エネルギーが負に変化する）によって引き寄せられるか、または押し出されることで達成されます。もちろん、いずれの場合も、系全体の反応（対象とする反応と引き寄せる反応または押し出す反応）は発エルゴン反応です。

引く

反応生成物がその後の発エルゴン反応によって速やかに除去される場合、試薬は吸エルゴン反応を通過できます。したがって、吸エルゴン反応の生成物の濃度は常に低く保たれ、反応は進行します。

この典型的な例としては、遷移状態を経て進行する反応の第一段階が挙げられます。活性化エネルギー障壁の頂点から遷移状態へ至る過程は吸エルゴン的です。しかし、遷移状態に達した後、反応は発エルゴン的過程を経てより安定した最終生成物へと急速に進化するため、反応は進行します。

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吸エルゴン反応は、共有中間体を介して、強力に発エルゴン的な別の反応と結合させることによって促進することができます。

生物学的反応はしばしばこのように進行します。例えば、反応自体では

${\displaystyle X+Y\longrightarrow XY}$

おそらく、この反応は吸エルゴン性が高すぎるため、起こりにくい。しかし、 ATPからADPと無機リン酸イオンへの分解（ATP → ADP + P _{i ）}のような、非常によく見られる強力な発エルゴン反応と組み合わせることで、この反応を起こすことは可能かもしれない。

${\displaystyle X+{\mathit {ATP}}\longrightarrow {\mathit {XP}}+{\mathit {ADP}}}$

${\displaystyle {\mathit {XP}}+Y\longrightarrow {\mathit {XY}}+P_{i}}$

ATP の分解によって吸エネルギー反応を起こすために必要な自由エネルギーが供給されるこの種の反応は、細胞生化学では非常に一般的であるため、ATP はすべての生物の「普遍的なエネルギー通貨」と呼ばれることがよくあります。

参照

• 発エルゴン
• 発エルゴン反応
• 発熱
• 吸熱性
• 発熱反応
• 吸熱反応
• 内温動物
• 発熱

参考文献

1. IUPACゴールドブックの定義：吸エネルギー反応（吸エネルギー反応）
2. Wade, Leroy G. (2010).有機化学（第7版）. アッパーサドルリバー, ニュージャージー州: ピアソン・プレンティス・ホール. p. 133. ISBN 978-0-321-59231-6。

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