細胞呼吸式 栄養素に由来する生化学的エネルギーをアデノシン三リン酸 (ATP) と呼ばれる分子に変換するさまざまなプロセスの総称であり、細胞プロセスを駆動するために必要な使用可能な化学エネルギーの形態です。
このプロセスでは、6 分子の酸素が取り込まれ、アデノシン三リン酸または ATP に加えて、水と二酸化炭素が生成されます。このプロセスは、次の化学 式 で表すことができます :
C6H12O6 + 6O2 –> 6CO2 + 6H2O + 36 または 38 ATP
細胞呼吸の産物
細胞呼吸の式は次のように読むこともできます:
グルコース + 酸素 –> 水 + 二酸化炭素 + エネルギー
基本的に、人体の細胞や他の従属栄養生物の細胞は、グルコースと酸素を利用してエネルギーを生成し、この反応の副産物として二酸化炭素と水が生成されます。息を吸うと、酸素が取り込まれ、体は摂取したブドウ糖とともにこの酸素を使用して、細胞の活動を促進するために必要なエネルギーを生成します。
肺に取り込まれた酸素は、あなたが食べる食物から引き出された糖を分解または分解するために使用されます.この酸素と糖の相互作用は、丸太を燃やしてエネルギーを放出するのと同じように、熱エネルギーを放出します。細胞呼吸の過程で、糖のエネルギーが放出され、酸素が糖を分解した後、副産物として二酸化炭素が生成されます。糖に由来するエネルギーは、後で使用するために体の細胞に蓄えられます。
説明されてきたのは、好気性呼吸のプロセスであり、好気性という用語は、エネルギーを得るために酸素を触媒として使用するという事実に由来しています.酸素を使わずに行う嫌気呼吸もあります。 (ただし、嫌気呼吸は、好気呼吸よりもエネルギーを生成する効率がはるかに低く、好気呼吸よりもはるかに少ない ATP を生成します。) 好気呼吸のプロセスは通常、4 つの別個のプロセスに分けられます。細胞が必要とする ATP の一部は、グルコースを変換する反応の直接的な結果です。しかし、細胞呼吸によって生成される ATP のほとんどは、酸化的リン酸化として知られるプロセス/段階から生じます。これは、プロセスの最終段階と考えることもできます。
細胞呼吸の段階
細胞呼吸プロセスの 4 つの異なる段階は、解糖、ピルビン酸の酸化、クエン酸回路またはクレブス回路、および酸化的リン酸化です。
解糖は、細胞呼吸プロセスの最初のステップであり、解糖中、グルコースの分子は、さまざまな化学プロセスと変換によって他の分子に変換されます。解糖は基本的に、プロセスの他の 3 つの段階を設定して ATP を生成し、この段階で少量の ATP 自体を生成します。解糖は、細胞のサイトゾルまたは細胞質で起こり、酸素の有無にかかわらず行うことができます。好気呼吸中、グルコース (6 つの炭素を持つ糖分子) は、物質ピルビン酸の 2 つの分子に変換されます。ピルビン酸の酸化により、2 分子の NADH が生成されます。これらの NADH 分子は、他の反応への電子の輸送を担っています。この段階では、2 分子の ATP も生成されます。
細胞呼吸プロセスの次の段階は、ピルビン酸の酸化です。ピルビン酸の酸化は、解糖中に生成されたピルビン酸分子が、ミトコンドリアの最も内側の部分であるミトコンドリア マトリックス (エネルギーの生成を担う細胞小器官) に入った後に発生します。ピルビン酸がミトコンドリアのマトリックスに入った後、コエンザイム A と融合し、この融合によりアセチル CoA と呼ばれる新しい分子が作成されます。アセチル CoA は、ピルビン酸とは異なり、2 つの炭素分子です。ピルビン酸をアセチル CoA に変換するプロセスでは、より多くの NADH 分子が生成され、副産物として二酸化炭素が生成されます。
細胞呼吸プロセスの第 3 段階はクエン酸回路で、クレブス回路やトリカルボン酸回路などと呼ばれています。この段階では、ピルビン酸の酸化段階で生成されたアセチル CoA が変換され、オキサロ酢酸分子と融合します。この融合によりクエン酸が生成され、クエン酸はさまざまな複雑な反応を起こします。この段階はクエン酸サイクルと呼ばれます。これは、このプロセスの最終段階でより多くのオキサロ酢酸が生成され、最初からやり直すことができるようにサイクルが設定されるためです。クエン酸回路では二酸化炭素が放出され、ATPが生成されます。 ATP とともに、FADH2 と NADH の分子が生成されます。
クエン酸回路の最終段階は酸化的リン酸化です。サイクルの前のステップで生成された NADH と FADH2 の分子は、一緒に運んでいた電子を放出します。電子は電子伝達系に放出されます。電子の負荷がなくなった結果、NADH と FADH2 は、より単純な形の NAD+ と FAD に蒸留されます。これらの分子が放出した電子は、電子輸送チェーンを通って移動し、このプロセスがエネルギーを放出します。
輸送鎖を介した電子の移動の結果として、陽子はミトコンドリアマトリックスから押し出されます。プロトンがミトコンドリア マトリックスを離れると、勾配が形成されます。プロトンが最終的にマトリックスに戻ると、ATP シンターゼと呼ばれる酵素のおかげで、ATP が生成されます。酸素の分子が電子を受け取った後、プロトンと結合して水を生成すると、電子伝達チェーンが終了します。
プロセスが終了すると、32 ～ 34 単位の ATP が生成されます。ほとんどの ATP は、ミトコンドリア マトリックスでプロトン勾配が作成されるときに生成されます。酸化的リン酸化は、このようにして 26 ～ 28 単位の ATP を生成します。基質のリン酸化によって、さらに 4 ～ 6 単位の ATP が生成されます。ただし、解糖のセットアップでは少しの ATP が使用されるため、このプロセスの実際の収量は約 30 ATP 単位です。
細胞呼吸と光合成
光合成は、植物が自らエネルギーを作り出すために使用するものです。これを行うために、植物は特定の波長の光を閉じ込める細胞内の色素を使用し、光エネルギーは植物の細胞内のオルガネラによって炭水化物に変換されます.一方、細胞呼吸は、酸素を使用してグルコースを ATP に変換します。
細胞呼吸のプロセスと光合成のプロセスは、互いに特別な関係にあります。 2 つのプロセスは互いに反対であり、処理のために他のプロセスのそれぞれの出力を取り込みます。これは、光合成と細胞呼吸の方程式を並べて比較するとわかります。
細胞呼吸の方程式は次のとおりです。
C6H12O6 + 6O2 –> 6CO2 + 6H2O + 36 または 38 ATP
光合成の方程式は次のとおりです。
6H2O + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2
光合成の方程式は、細胞呼吸の方程式の逆です。植物は水と二酸化炭素を利用して太陽からのエネルギーを使用可能なエネルギーに変換し、このプロセスの結果として酸素とブドウ糖を放出します。対照的に、動物細胞は酸素と水素を組み合わせてエネルギーを生成し、副産物として二酸化炭素と水を放出します。動物と植物の間のこの関係は、炭素循環と呼ばれ、動物から植物へ、大気へと移動し、再び戻って、炭素が生物圏全体をどのように循環するかを示しています。
嫌気呼吸
前述の細胞呼吸のタイプは、酸素の存在下で行われるため、好気呼吸と呼ばれます。しかし、好気呼吸を行うのに十分な酸素がない場合でも、特定の細胞は嫌気呼吸を実行してエネルギーを生成できます。嫌気呼吸は、通常必要とされる酸素なしで ATP を作ることができます。ただし、ATP の生成量に関しては、好気呼吸よりもはるかに効率が悪く、好気呼吸が生成する ATP の量の約 18 分の 1 (1/18) になります。
嫌気呼吸の一種に発酵があります。発酵は、ATP を生成する複数のステップがある好気呼吸とは異なり、解糖経路が ATP を抽出する唯一のものであるため、エネルギーを生成する他の方法とは異なります。解糖は発酵でピルビン酸を生成しますが、ピルビン酸は残りの経路を通らず、クエン酸回路や電子伝達系などの好気呼吸に関連する他のフェーズをスキップします。
電子輸送チェーンは発酵プロセス中にスキップされるため、NADH はその電子を維持します。存在しない酸化、クレブス サイクル、電子伝達系フェーズを補うために、NADH から NAD+ を生成できる発酵反応がいくつかあります。これは、NADH の分子がピルビン酸のような分子を取得し、そこから電子を盗むことによって達成されます。これを行うことで、NAD+ を確実に生成し、解糖プロセスを最初からやり直すことができます。
