細胞呼吸 は化学エネルギーの変換を担うプロセスであり、反応物/生成物 細胞呼吸に関与しているのは、酸素、グルコース (糖)、二酸化炭素、および水です。細胞呼吸に含まれる正確なステップは種によって異なる場合がありますが、すべての生物は何らかの種類の細胞呼吸を実行します。
細胞呼吸がなければ、生物は必要な化学エネルギーを生成できず、細胞は自分自身を維持するために必要なタスクを実行できません.
細胞呼吸に関与する反応物
細胞呼吸の反応物質を詳しく見てみましょう。
ブドウ糖、または砂糖の化学式は C6H12O6 です。この式は、分子内の原子がどのように配置されているかに応じて、さまざまな異なる分子に適用できる可能性がありますが、この化学式を持つほとんどの分子は、何らかの形の糖です. C6H12O6 の最も顕著な形成はグルコースであり、血糖またはデキストロースと呼ばれることもあります。動物の細胞は、解糖と呼ばれるプロセスを通じて、グルコースをピルビン酸として知られる物質に変換します。解糖プロセスでは、グルコースが取り込まれ、2 分子の ATP またはエネルギーが生成されます。
しばしば単に酸素と呼ばれる二酸素は、2 つの酸素原子で構成され、脊椎動物がかつて呼吸していたものです。酸素は私たちの大気の約 21% を占めており、脊椎動物は酸素を肺に持ち込み、そこで酸素を体の他の部分に輸送する赤血球に吸収されます。 ATP は酸素を使用しなくても生成できますが、酸素を利用すると、体の細胞がより効率的にグルコースを ATP に変換できます。
脊椎動物は、細胞呼吸の副産物として二酸化炭素と水を放出します。二酸化炭素は、細胞呼吸の過程だけでなく、発酵の過程でも多くの異なる微生物によって放出されます。従属栄養生物がグルコースと酸素を使用してエネルギーを生成するように、植物は二酸化炭素を使用して独自のエネルギーを生成します。二酸化炭素は、気孔と呼ばれる葉の小さな穴から植物の細胞に入ります。二酸化炭素が植物の細胞に入った後、細胞内の葉緑体は光合成のプロセスを開始し、結果として炭水化物を生成します.
水は一酸化二水素とも呼ばれ、化学式は H2O です。この分子は地球上のどこにでもあり、ほとんどの生物の細胞内にも見られます。二酸化炭素と太陽光に加えて、植物は光合成によってエネルギーを生成するために水も必要とします。水は、液胞と呼ばれる構造で植物の細胞内に保持されます。
細胞呼吸のバランスの取れた化学式
細胞呼吸の反応物質が何であるかがわかったので、それらが互いにどのように相互作用するかを見てみましょう.
細胞呼吸のバランスの取れた方程式/式に従うもの:
C6 H12 O6 + 6O2 –> 6CO2 + 6H2 O + 38 ATP
平易な英語で、これは次のように読むことができます:
グルコース + 酸素 –> 二酸化炭素 + 水 + エネルギー
これは基本的な細胞呼吸プロセスです。
細胞呼吸の過程で、酸素とブドウ糖が利用されて、二酸化炭素、水、およびエネルギーが生成されます。生物が呼吸する酸素は、食品に含まれる糖を分解するために使用されます。これは、木片を燃やすと熱が放出されるのと同じように、熱エネルギーを生成します。細胞呼吸では、酸素が糖を分解し、そのエネルギーが放出された後、二酸化炭素が副産物として放出されます。糖分子の分解によって放出されたエネルギーは、後で使用するために生物の細胞内に保存されます。
細胞が使用する ATP の一部は、グルコースを変換する反応の結果として生成されます。しかし、ATP の多くは、細胞呼吸の段階である酸化的リン酸化と呼ばれるプロセスの結果として作られます。細胞呼吸、この場合は好気呼吸 (酸素を使用する呼吸) は 4 つの異なるステップに分けることができ、酸化的リン酸化は細胞呼吸プロセスの最終ステップです。
細胞呼吸の段階
細胞呼吸の 4 つの段階は次のとおりです。
- 解糖
- リンク反応（ピルビン酸酸化）
- クレブス回路 (クエン酸回路)
- 電子伝達系
細胞呼吸の最初の段階は解糖と呼ばれ、この段階でグルコースはさまざまな化学変換を受け、さまざまな分子に変換されます。解糖は細胞のサイトゾル/細胞質内で起こり、実際には酸素を必要としません。好気呼吸では、グルコースが 2 つのピルビン酸分子に変換されます。ピルビン酸の 2 つの分子が酸化されると、結果として 2 つの NADH が生成されます。これらの 2 つの NADH 分子は、細胞内の他の反応に電子を運ぶのを助けます。このステップでは、2 分子の ATP も生成されます。
ピルビン酸の酸化は、細胞呼吸の次の段階であり、解糖系で生成されたピルビン酸がミトコンドリアの最奥部であるミトコンドリア マトリックスに入るときに発生します。このマトリックスでは、ピルビン酸はコエンザイム A と呼ばれる物質と結合します。これにより、炭素が 2 つある新しい分子であるアセチル CoA が生成されます。ここでより多くの NADH が生成され、結果として二酸化炭素が放出されます。
トリカルボン酸回路または単にクエン酸回路と呼ばれることもあるクレブス回路では、オキサロ酢酸が最後のステップで生成されたアセチル CoA と結合します。これによりクエン酸が生成され、さまざまな反応が繰り返されます。クエン酸サイクルの最終段階は、より多くのオキサロ酢酸を生成することであり、サイクルが再び開始するように設定されます.クエン酸回路では二酸化炭素が放出され、ここで ATP、FADH2、NADH が生成されます。 FADH2 と NADH 内の電子は、細胞呼吸プロセスの次の部分である電子伝達系に送られます。
以前の細胞呼吸ステップで作成された FADH2 と NADH の分子は、電子輸送チェーンに電子を転送します。この伝達プロセスは、酸化的リン酸化と呼ばれます。これらの分子はもはや電子で重み付けされていないため、FAD と NAD+ という最も単純な形になります。電子伝達系を横切る電子の移動は、エネルギーを放出します。プロトンは、このプロセスによってミトコンドリア マトリックスから押し出され、勾配が生じます。 ATPシンターゼと呼ばれる酵素を使用してATPを作成し、プロトンをマトリックスに戻します.酸素の分子がプロトンと結合して電子を受け取り、水を生成すると、電子伝達チェーンが終了します。
この過程で生成されるATPの量については、約30ユニットのATPが生成される可能性があります.酸化的リン酸化のプロセスでは、26 ～ 28 単位の ATP が生成され、基質のリン酸化では通常、さらに 4 ～ 6 個の ATP 単位が生成され、合計で 30 ～ 34 個になります。実際の収量は数単位低くなります。
嫌気呼吸
前述のプロセスは、好気呼吸が行われるのに十分な酸素がある場合に発生します。十分な酸素が供給されない場合、代わりに嫌気呼吸が行われます。嫌気呼吸は、酸素の供給なしで ATP を生成できますが、好気呼吸よりもはるかに効率が悪く、好気呼吸の約 1/18 のエネルギー量を生成します。
発酵は嫌気呼吸の一形態です。発酵では、解糖経路のみが ATP の抽出に関与するため、発酵は他の形態のエネルギー生産とは異なります。解糖によってピルビン酸が生成されますが、ピルビン酸は残りの経路を通ることはありません。これは、酸化プロセス、クレブス/クエン酸サイクル、および電子伝達系がすべてスキップされることを意味します。発酵中は電子伝達系が機能していないため、NADH は電子を放出しません。
酸化、クエン酸サイクル、および電子伝達系の欠如を補うために、発酵には、NADH から NAD+ を生成するいくつかの余分な反応があります。これは、NADH がピルビン酸などの有機分子を取り込み、それが運ぶ電子を除去できるようにすることで行われます。これにより、NAD+ が確実に生成され、解糖プロセスが継続できるようになります。
細胞呼吸と光合成の関係
細胞呼吸は光合成とどのように関係していますか?これに答えるために、光合成の化学式を見てみましょう。光合成の方程式は次のとおりです。
6CO2 + 6H2O → C6H12O6+ 6O2
この方程式は基本的に細胞呼吸の逆であることに気づいたかもしれません.動物の細胞は、水素と酸素を結合させて、副産物として水と二酸化炭素を生成します。一方、植物は二酸化炭素と水を使用して光合成プロセスに電力を供給し、このシステムの最終生成物としてグルコースと酸素を放出します.
この絡み合った複雑な関係は、炭素循環と呼ばれています。これにより、炭素の分子がリサイクルされ、植物から動物へ、大気へと移動し、植物に戻るという、生物圏全体への働きが可能になります。
光合成は、植物が必要とするエネルギーを作り出すために使用されるプロセスです。光合成生物は、細胞内にプラスチドと呼ばれるオルガネラを持っており、特定の波長の光を閉じ込めることができる色素をその中に持っています。それらが閉じ込める太陽光は、植物細胞によって炭水化物に変換されます。
