定義上、細胞呼吸は、私たちが消費する栄養素を使用可能な形の化学エネルギー (ATP) に分解する一連の異化経路です。細胞呼吸は、酸素の存在の有無にかかわらず発生する可能性があり、これら 2 つの主な形態は、それぞれ好気性呼吸と嫌気性呼吸と呼ばれます。
巨視的なスケールでは、食べ物が私たちの主なエネルギー源であることは誰もが知っています。あなたはタンパク質、脂肪、炭水化物を一定のバランスで食べており、あなたの体はこれらの重要な成分を体の無数の代謝ニーズに使用しています.しかし、顕微鏡レベルや細胞レベルになると、事態はもう少し複雑になります。私たちが消費する栄養素の分解と化学エネルギーへの変換は、私たちが生き残るために必要な重要な代謝経路の 1 つである細胞呼吸と呼ばれるプロセスで発生します!
細胞呼吸とは?
定義上、細胞呼吸は、私たちが消費する栄養素を使用可能な形の化学エネルギー (ATP) に分解する一連の異化経路です。細胞呼吸は、酸素の存在の有無にかかわらず発生する可能性があり、これら 2 つの主な形態は、それぞれ好気性呼吸と嫌気性呼吸と呼ばれます。この 2 つの間には多くの重要な違いがあります。主に、好気呼吸ははるかに進化したプロセスであり、ATP の収率が大幅に高いということです。
好気呼吸
好気性呼吸には、解糖、クレブス回路、電子伝達系の 3 つの主な段階があります。それぞれの段階は、それだけで記事全体に値しますが、細胞呼吸の全体的なプロセスを見るときは、これらの段階だけを見ていきます。やや基本的なレベルで、各段階のすべての化学反応の特定の詳細を省略します.
解糖
好気呼吸のプロセスにおけるこの最初のステップは、細胞のサイトゾルで発生し、残りのプロセスの重要な出発点です。解糖では、1 分子のグルコースが 2 分子のピルビン酸に変換され、各段階で異なる酵素が関与する 10 段階の反応が行われます。さらに、解糖には、2 分子のニコチンアミド アデニン ジヌクレオチド (NAD+)、2 分子の無機リン、および 2 分子の ADP (アデニン二リン酸) が必要です。反応からの追加の生成物には、ATP の 2 分子、NADH の 2 分子 (還元型ニコチンアミド アデニン ジヌクレオチド)、2 つの水分子、2 つの水素分子、および熱が含まれます!
(写真提供:YassineMrabet/ウィキメディア・コモンズ)
熱と水は老廃物と見なされ、ATP はすぐに使用できる細胞エネルギーの形態であり、NADH は後の好気呼吸プロセスで使用でき、ピルビン酸はプロセスの次のステップで主要な基質として機能します。
クレブス回路 (クエン酸回路)
解糖のプロセスと同様に、クレブス回路には多くの個々のステップがあり、その詳細はこの記事の範囲を超えています.基本的に、クレブス回路は酸素の存在下でミトコンドリアで起こる細胞呼吸の段階であり、サイトゾルで発生し、酸素が存在しなくても発生する可能性がある解糖とは異なります.
解糖の最終生成物である 2 分子のピルビン酸は、ミトコンドリアのマトリックスでクレブス回路に入り、最終的に 2 分子の ATP、8 つの NADH および 2 つの FADH2 分子に変換されます。後者の 2 つの分子は高エネルギーの電子伝達体であり、電子伝達系で大量の化学エネルギーを生成することができます。
(写真提供:ウィキメディア・コモンズ)
しかし、クレブス回路の実際の機能では、解糖からのピルビン酸は興味深い旅を続けますが、少し混乱します.ピルビン酸がサイクルに入る前に、酵素によって補酵素に結合した2炭素分子であるアセチル-CoAに変換されます。この最初の反応により、電子と炭素基が除去され、1 つの NADH 分子が生成されます。そのアセチル-CoA はオキサロ酢酸と結合し、炭素数 6 の分子 (クエン酸) を生成し、補酵素を放出します。
サイクルが続くと、追加の二酸化炭素分子がクエン酸から除去され、そのたびに追加の NADH 分子が作成されます。サイクルの中間点あたりで、さらに 2 つの ATP 分子が生成され、サイクルの再生段階が始まります。これらの最終反応では、サイクルを再開し続けるために、4 炭素分子のオキサロ酢酸を再形成する必要があり、その再生プロセスによって 2 つの分子の FADH2 が作成されます。
NADH および FADHs 分子は細胞呼吸の最終段階に移行しますが、ATP は細胞が使用できるようになります。
電子輸送チェーン
これは間違いなく、細胞呼吸の最もクールで最もユニークな段階であり、ミトコンドリアの膜の近くで、ATP ファクトリーとして機能する大きなタンパク質複合体で行われます。ミトコンドリアの膜の主な機能の 1 つは、オルガネラへの陽子の流れを防ぐことです。これにより、この膜の両側に正電荷の強い勾配が確立されます。ご存知の方もいらっしゃると思いますが、電荷勾配がある場合、仕事ができる可能性があります。
電子伝達系の場合、ミトコンドリアの膜を橋渡しする 4 つの主要なプロトン複合体があり、単純に番号 1、2、3、および 4 です。これらのタンパク質複合体はすべて、ミトコンドリア マトリックスからプロトンを直接的または間接的にポンプで送り出します。細胞外液。これらの重要なポンプを動かすのに必要なエネルギーは、化学反応のウォーターフォール シリーズによる電子の移動中に放出されるエネルギーから得られます。
解糖とクレブス回路で生成されたNADHは、これらの電子の主要な供給源になります. NADH 分子は、タンパク質複合体 1 で電子を落とし、補酵素 Q を介してタンパク質複合体 3 に移動します。クレブス回路の FADH2 分子は、タンパク質複合体 2 に電子を置きます。同じ補酵素 Q がそれらの電子をタンパク質複合体に受け取ります。 3. シトクロム C は、各補酵素 Q からタンパク質複合体 4 に 1 つの電子を運び、もう 1 つの電子は再利用できます。電子がタンパク質複合体 4 を離れると、酸素が最終的な電子受容体として機能し、水を生成します。
電子輸送チェーンの最終段階で維持されるプロトン勾配の結果として、より多くのプロトンが継続的に膜に送り込まれなければなりません。これは、呼吸の最終工場である ATP シンターゼを介して行われます。このタンパク質複合体が関与すると、勾配上のプロトンの流れが追加の ATP の生成を誘発します。
電子伝達系 (1 分子のグルコースから) の正味の生成物は、32 分子の ATP と 6 分子の水です。
これを他の呼吸段階の前の生成物と組み合わせると、酸素の存在下で細胞に入るグルコースの単一分子が 36 ATP、6 水分子、および 6 二酸化炭素分子 を生成することがわかります。> !
嫌気呼吸
酸素がない場合、生物が利用できる別の形態の細胞呼吸、つまり嫌気性呼吸があります。マラソンを走っているときや激しい運動をしているときなど、エネルギー需要に十分な酸素が利用できない場合でも、体は電子受容体として酸素がなくても少量のエネルギーを生成できます.
酸素がなければ、嫌気呼吸はグルコースを乳酸に変換し、少量のエネルギー (2 ATP) を放出することができます。好気呼吸の解糖段階を思い出してください。最終生成物がピルビン酸ではなく乳酸であることを除いて、プロセスは嫌気呼吸と同じです。しかし、乳酸は実際には体内で有毒な化合物であり、(嫌気呼吸の結果として) 蓄積しすぎると筋肉機能に悪影響を及ぼします。
乳酸の蓄積は、激しい運動中にけいれんを引き起こすものであり、その不快感は、好気呼吸が開始され、乳酸の二酸化炭素と水への分解を刺激することを可能にする、体に再酸素化することによってのみ軽減できます.これが、あなたの体が全力疾走できる距離に限界がある理由でもあります!
好気呼吸ははるかに効率的で、同じグルコース分子からより多くのエネルギーを生成します。嫌気呼吸では 2 ATP が生成されるのに対し、好気呼吸では 36 ATP が生成されるため、違いは明らかです。
最後の言葉
細胞呼吸の内部の仕組みは少し混乱しているように見えるかもしれませんが、ミクロ宇宙とマクロ宇宙のスケールで物事を理解することは非常に重要です!この記事では、これらの呼吸段階の複雑さを単純化しています。解糖、クレブス回路、電子伝達系に関する詳細な記事は、このサイトの他の場所にあります!
