同化 (生物学)
同化（どうかい、英：anabolism）とは、生物の体内で行われる代謝活動の一つで、比較的単純な分子を組み合わせて、より複雑な高分子を合成する一連の化学反応を指します。同化作用とも呼ばれます。これは代謝における「構築」の側面であり、エネルギーを消費する吸エルゴン過程です。この点において、大きな分子を分解してエネルギーを取り出す「異化（異化作用）」とは対照的な役割を果たします。同化作用はしばしば「生合成」と同義で用いられます。
タンパク質、核酸、多糖類といった重要な生体高分子を合成する同化経路では、モノマー（単量体）を連結させることでポリマー（重合体）が構築されます。この連結は、一般的に縮合反応という形で進行します。これらの合成プロセスには、様々な酵素やその働きを助ける補因子が不可欠です。
同化反応に必要なエネルギーは、主に異化作用によって供給されます。細胞が大きな分子を分解してエネルギーを放出する異化活動は、同化活動を駆動するための燃料となります。多くの同化プロセスは、細胞の主要なエネルギー通貨であるアデノシン三リン酸（ATP）が分解される際に放出されるエネルギーを利用して進行します。また、補因子であるNAD+、NADP+、FADが還元される際に生み出される化学エネルギーや、その他の有利な副反応もエネルギー源となり得ます。同化作用は分子の秩序を高め、エントロピーを減少させる傾向があるため、エネルギーの供給なしには自発的に進行しにくい性質があります。ただし、細胞膜を構成するリン脂質二重層の形成のように、分子間の疎水性相互作用が駆動力となり、エネルギー投入なしで結合が促進される特殊なケースも存在します。
同化経路では、電子伝達体として働くNADH、NADPH、FADH2といった還元剤や、酵素の活性部位で基質を安定化させる金属イオンなどが補因子として重要な役割を果たします。
同化反応の出発点となる前駆体分子の多くは、細胞が十分にエネルギーを蓄えている期間に、異化経路の途中で生み出される中間体から供給されます。
同化作用は、生体の成長、維持、修復といった「組み立て」のプロセスを担います。細胞は同化によって増殖・分化し、複雑な分子構造を構築することで、組織や器官を形成し、個体全体が大きくなります。例えば、骨組織の成長や石灰化、筋肉量の増加などは、代表的な同化の例です。
内分泌学の分野では、ホルモンが生体代謝に与える影響に基づいて、同化ホルモンと異化ホルモンに分類することがあります。古典的な同化ホルモンとしては、筋肉の発達を促すタンパク同化ステロイドや、糖質・脂質・タンパク質の代謝全般に関わるインスリンが挙げられます。
具体的な同化の例は多岐にわたります。
光合成による糖合成: 植物や一部の細菌は、光エネルギーを利用して二酸化炭素からグルコースをはじめとする糖質や、セルロース、デンプンなどを合成します。これは光合成の光反応で得られたエネルギーを使って、カルビン回路（光合成炭素還元サイクル）を通じて炭素を固定し、これらの高分子の基となる前駆体を生成する同化過程です。
アミノ酸生合成: 生体に必要なアミノ酸は、解糖系、クエン酸回路、ペントースリン酸経路といった異化経路の中間代謝産物を出発点として合成されます。これらの経路から分岐して、各アミノ酸固有の合成経路を経て目的のアミノ酸が作られます。
グリコーゲン貯蔵: 食後などで血糖値が高い状態では、細胞は余剰のグルコースをグリコーゲンとして貯蔵します。これは、グルコース-6-リン酸からいくつかの段階を経てUDP-グルコースとなり、グリコーゲン合成酵素によってグリコーゲン鎖に組み込まれる同化プロセスです。
糖新生: 飢餓時などに、肝臓や腎臓でピルビン酸など（グルコース、乳酸、アミノ酸、グリセロールなどの分解産物）からグルコースを合成する過程も同化に含まれます。この過程は、通常異化ホルモンとされるグルカゴンによって促進されます。糖新生経路は解糖経路と多くの酵素を共有しますが、不可逆的な反応を含むため、解糖とは逆方向の一方通行で進行します。
同化経路は、異化経路とは異なる酵素を用いることが多く、経路中に不可逆的なステップを含みます。これにより、細胞は合成速度をきめ細かく制御することができ、異化と同化が同時に進行してエネルギーが無駄に消費される「無益サイクル」を防ぐことが可能となります。
同化と異化のバランスは、細胞内のATPとADPの比率、すなわち細胞のエネルギー状態に強く影響されます。ATPが多い（エネルギーが豊富な）状態では同化経路が活性化され、異化活動は抑制されます。逆にADPが多い（エネルギーが不足している）状態では、異化が促進されて同化は抑えられます。また、多くの代謝経路と同様に、同化活動も生体の概日リズム（日内変動）によって時間的に調節されています。
「anabolism」という言葉は、新ラテン語に由来し、さらに遡るとギリシャ語の「ἁνά」（上向きに）と「βάλλειν」（投げる）が語源となっています。これは、小さなものから積み上げて大きなものを作り出すイメージを表していると考えられます。
同化のプロセスとエネルギー
タンパク質、核酸、多糖類といった重要な生体高分子を合成する同化経路では、モノマー（単量体）を連結させることでポリマー（重合体）が構築されます。この連結は、一般的に縮合反応という形で進行します。これらの合成プロセスには、様々な酵素やその働きを助ける補因子が不可欠です。
同化反応に必要なエネルギーは、主に異化作用によって供給されます。細胞が大きな分子を分解してエネルギーを放出する異化活動は、同化活動を駆動するための燃料となります。多くの同化プロセスは、細胞の主要なエネルギー通貨であるアデノシン三リン酸（ATP）が分解される際に放出されるエネルギーを利用して進行します。また、補因子であるNAD+、NADP+、FADが還元される際に生み出される化学エネルギーや、その他の有利な副反応もエネルギー源となり得ます。同化作用は分子の秩序を高め、エントロピーを減少させる傾向があるため、エネルギーの供給なしには自発的に進行しにくい性質があります。ただし、細胞膜を構成するリン脂質二重層の形成のように、分子間の疎水性相互作用が駆動力となり、エネルギー投入なしで結合が促進される特殊なケースも存在します。
補因子と基質
同化経路では、電子伝達体として働くNADH、NADPH、FADH2といった還元剤や、酵素の活性部位で基質を安定化させる金属イオンなどが補因子として重要な役割を果たします。
同化反応の出発点となる前駆体分子の多くは、細胞が十分にエネルギーを蓄えている期間に、異化経路の途中で生み出される中間体から供給されます。
生体における機能と具体例
同化作用は、生体の成長、維持、修復といった「組み立て」のプロセスを担います。細胞は同化によって増殖・分化し、複雑な分子構造を構築することで、組織や器官を形成し、個体全体が大きくなります。例えば、骨組織の成長や石灰化、筋肉量の増加などは、代表的な同化の例です。
内分泌学の分野では、ホルモンが生体代謝に与える影響に基づいて、同化ホルモンと異化ホルモンに分類することがあります。古典的な同化ホルモンとしては、筋肉の発達を促すタンパク同化ステロイドや、糖質・脂質・タンパク質の代謝全般に関わるインスリンが挙げられます。
具体的な同化の例は多岐にわたります。
光合成による糖合成: 植物や一部の細菌は、光エネルギーを利用して二酸化炭素からグルコースをはじめとする糖質や、セルロース、デンプンなどを合成します。これは光合成の光反応で得られたエネルギーを使って、カルビン回路（光合成炭素還元サイクル）を通じて炭素を固定し、これらの高分子の基となる前駆体を生成する同化過程です。
アミノ酸生合成: 生体に必要なアミノ酸は、解糖系、クエン酸回路、ペントースリン酸経路といった異化経路の中間代謝産物を出発点として合成されます。これらの経路から分岐して、各アミノ酸固有の合成経路を経て目的のアミノ酸が作られます。
グリコーゲン貯蔵: 食後などで血糖値が高い状態では、細胞は余剰のグルコースをグリコーゲンとして貯蔵します。これは、グルコース-6-リン酸からいくつかの段階を経てUDP-グルコースとなり、グリコーゲン合成酵素によってグリコーゲン鎖に組み込まれる同化プロセスです。
糖新生: 飢餓時などに、肝臓や腎臓でピルビン酸など（グルコース、乳酸、アミノ酸、グリセロールなどの分解産物）からグルコースを合成する過程も同化に含まれます。この過程は、通常異化ホルモンとされるグルカゴンによって促進されます。糖新生経路は解糖経路と多くの酵素を共有しますが、不可逆的な反応を含むため、解糖とは逆方向の一方通行で進行します。
同化の調節
同化経路は、異化経路とは異なる酵素を用いることが多く、経路中に不可逆的なステップを含みます。これにより、細胞は合成速度をきめ細かく制御することができ、異化と同化が同時に進行してエネルギーが無駄に消費される「無益サイクル」を防ぐことが可能となります。
同化と異化のバランスは、細胞内のATPとADPの比率、すなわち細胞のエネルギー状態に強く影響されます。ATPが多い（エネルギーが豊富な）状態では同化経路が活性化され、異化活動は抑制されます。逆にADPが多い（エネルギーが不足している）状態では、異化が促進されて同化は抑えられます。また、多くの代謝経路と同様に、同化活動も生体の概日リズム（日内変動）によって時間的に調節されています。
語源
「anabolism」という言葉は、新ラテン語に由来し、さらに遡るとギリシャ語の「ἁνά」（上向きに）と「βάλλειν」（投げる）が語源となっています。これは、小さなものから積み上げて大きなものを作り出すイメージを表していると考えられます。
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