細胞呼吸：定義、方程式、ステップ

哲学者バートランド・ラッセルは、「すべての生物は一種の帝国主義者であり、可能な限り変革を目指しています。 比喩はさておき、細胞呼吸は生物が最終的に行う正式な方法です。 この。 細胞呼吸は、外部環境（空気および炭素源）から捕獲された物質を取り、 より多くの細胞や組織を構築し、生命維持を実行するためにそれらをエネルギーに変換します 活動。 また、廃棄物や水も発生します。 これは、日常的な意味での「呼吸」と混同しないでください。これは通常、「呼吸」と同じ意味です。 呼吸はどのように 生物は酸素を獲得しますが、これは酸素の処理と同じではなく、呼吸は必要な炭素も供給できません。 呼吸; 少なくとも動物では、食事療法がこれを処理します。

細胞呼吸は植物と動物の両方で発生しますが、原核生物（細菌など）では発生しません。 ミトコンドリアや他の細胞小器官は酸素を利用できないため、エネルギーとして解糖に制限されます ソース。 植物はおそらく呼吸よりも光合成に関連していると思われますが、光合成は 植物細胞呼吸のための酸素源、および植物から出る酸素源。 動物。 どちらの場合も、最終的な副産物はATP、つまり生物の主要な化学エネルギー担体であるアデノシン三リン酸です。

細胞呼吸は、しばしば好気性呼吸と呼ばれ、酸素の存在下でグルコース分子が完全に分解されて二酸化炭素と水が生成されます。

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 38 ADP +38 P –> 6CO₂ + 6H₂O + 38 ATP + 420 Kcal

この方程式には酸化成分（C₆H₁₂O₆ –> 6CO₂）、本質的に水素原子の形での電子の除去。 それはまた還元成分、6Oを持っています₂ –> 6H₂O、これは水素の形での電子の追加です。

方程式が全体として解釈するのは、反応物の化学結合に保持されているエネルギーは次のとおりです。 アデノシン二リン酸（ADP）を遊離リン原子（P）に接続して、アデノシン三リン酸を生成するために使用されます （ATP）。

全体としてのプロセスには複数のステップが含まれます。解糖は細胞質で起こり、続いてクレブスが起こります。 ミトコンドリアマトリックスとミトコンドリア膜のサイクルと電子伝達系 それぞれ。

植物と動物の両方でブドウ糖を分解する最初のステップは、解糖として知られる一連の10の反応です。 ブドウ糖は、ブドウ糖分子に分解される食物を介して、外部から動物細胞に入ります。 血液中を循環し、エネルギーが最も必要とされる組織に取り込まれます（ 脳）。 対照的に、植物は外部から二酸化炭素を取り込み、光合成を使用してCOを変換することでグルコースを合成します

解糖の初期には、6炭素のグルコース分子がリン酸化されて細胞内にトラップされます。 リン酸塩は負に帯電しているため、無極性の非荷電分子のように細胞膜をドリフトすることはできません。 2番目のリン酸分子が追加され、分子が不安定になり、すぐに2つの同一でない3炭素化合物に切断されます。 これらはすぐに来た化学形態を想定し、一連のステップで再配置されて、最終的に2つの分子を生成します。 ピルビン酸. 途中で、ATPの2つの分子が消費されます（それらは早い段階でブドウ糖に加えられた2つのリン酸塩を供給します） そして、4つが生成されます。2つは各3炭素プロセスによって生成され、1分子あたり2つのATP分子のネットを生成します。 グルコース。

バクテリアでは、解糖だけで細胞の、したがって生物全体のエネルギー需要に十分です。 しかし、植物や動物ではそうではなく、ピルビン酸では、ブドウ糖の最終的な運命はほとんど始まっていません。 解糖自体は酸素を必要としませんが、酸素は一般的に含まれていることに注意してください 合成する必要があるため、好気性呼吸、したがって細胞呼吸についての議論 ピルビン酸。

生物学愛好家の間でよくある誤解は、葉緑体はミトコンドリアが動物で行うのと同じ機能を植物で果たし、各タイプの生物はどちらか一方しか持っていないというものです。 これはそうではありません。 植物には葉緑体とミトコンドリアの両方がありますが、動物にはミトコンドリアしかありません。 植物は葉緑体を発電機として使用します–それらは小さな炭素源（CO₂）より大きなもの（ブドウ糖）を構築します。 動物細胞は、炭水化物、タンパク質、脂肪などの高分子を分解することでブドウ​​糖を取得するため、内部からブドウ糖を生成する必要はありません。 これは植物の場合は奇妙で非効率に見えるかもしれませんが、植物は動物にはない1つの機能を進化させました。それは、代謝機能で直接使用するために太陽光を利用する能力です。 これは植物が文字通り彼ら自身の食物を作ることを可能にします。

ミトコンドリアは、何億年も前に一種の独立したバクテリアであったと信じられており、その理論は彼らによって支持されています バクテリアと同様にそれらの代謝機構と呼ばれるそれら自身のDNAとオルガネラの存在との顕著な構造的類似性 リボソーム。 真核生物は、1つの細胞が別の細胞を飲み込むことができた10億年以上前に最初に誕生しました（内生生物の仮説）。 エネルギー生成が拡大したため、この配置で飲み込む人にとって非常に有益な配置につながりました 機能。 ミトコンドリアは、細胞自体のように、二重の原形質膜で構成されています。 内膜にはクリステと呼ばれるひだが含まれています。 ミトコンドリアの内部はマトリックスとして知られており、細胞全体の細胞質に類似しています。

ミトコンドリアのような葉緑体は、外膜と内膜、そしてそれら自身のDNAを持っています。 内膜で囲まれた空間の中には、チラコイドと呼ばれる、相互接続され、層状になり、液体で満たされた膜状のポーチがあります。 チラコイドの各「スタック」は、グラナム（複数形：グラナ）を形成します。 グラナを取り巻く内膜内の液体はストロマと呼ばれます。

葉緑体にはクロロフィルと呼ばれる色素が含まれており、植物に緑色を与え、光合成のための太陽光のコレクターとして機能します。 光合成の方程式は、細胞呼吸の方程式とは正反対ですが、そこから得られる個々のステップは 二酸化炭素からブドウ糖への変換は、電子伝達系、クレブス回路、および 解糖。

このプロセスでは、トリカルボン酸（TCA）回路またはクエン酸回路とも呼ばれ、ピルビン酸分子は最初にアセチル補酵素A（アセチルCoA）と呼ばれる2つの炭素分子に変換されます。 これはCOの分子を放出します₂. 次に、アセチルCoA分子はミトコンドリアマトリックスに入り、そこでそれぞれがオキサロ酢酸の4炭素分子と結合してクエン酸を形成します。 したがって、注意深く計算している場合、1分子のブドウ糖はクレブス回路の開始時に2分子のクエン酸になります。

6炭素分子であるクエン酸はイソクエン酸に再配列され、次に炭素原子が剥ぎ取られて、COとともにケトグルタル酸を形成します。₂ サイクルを終了します。 次にケトグルタル酸は別の炭素原子を取り除き、別のCOを生成します₂ コハク酸とATPの分子を形成します。 そこから、4炭素のコハク酸分子がフマル酸、リンゴ酸、オキサロ酢酸に順次変換されます。 これらの反応では、水素イオンがこれらの分子から除去され、高エネルギー電子キャリアNAD +およびFAD +に付着して、NADHおよびFADHを形成します。₂ それぞれ、これは本質的に、すぐにわかるように、変装したエネルギーの「創造」です。 クレブス回路の終わりに、元のグルコース分子は10個のNADHと2個のFADHを生じました。₂ 分子。

クレブス回路の反応は、元のグルコース分子ごとに、サイクルの「ターン」ごとに1つずつ、2分子のATPのみを生成します。 これは、解糖で生成された2つのATPに加えて、クレブス回路の後、結果は合計4つのATPになることを意味します。 しかし、好気性呼吸の実際の結果は、この段階ではまだ明らかにされていません。

ミトコンドリア内膜のクリステで発生する電子伝達系は、明示的に酸素に依存する細胞呼吸の最初のステップです。 NADHとFADH₂ クレブス回路で生成されたものは、現在、主要な方法でエネルギー放出に貢献する準備ができています。

これが起こる方法は、これらの電子キャリア分子に蓄積された水素イオンです（水素イオンは、 現在の目的は、呼吸のこの部分への寄与という観点から電子対と見なされます）は、 作成する 化学浸透勾配. 分子が高濃度の領域から 砂糖の立方体が水に溶けて砂糖の粒子が分散するなど、濃度の低い領域 全体を通して。 ただし、化学浸透勾配では、NADHおよびFADHからの電子₂ 膜に埋め込まれたタンパク質が通過し、電子伝達システムとして機能するようになります。 このプロセスで放出されたエネルギーは、膜全体に水素イオンを送り込み、膜全体に濃度勾配を作成するために使用されます。 これにより、一方向に水素原子の正味の流れが生じます。この流れは、ATP合成酵素と呼ばれる酵素に電力を供給するために使用されます。ATP合成酵素は、ADPとPからATPを生成します。 電子伝達系は、水車の後ろに大量の水を置き、その後の回転が物を作るために使用されるものと考えてください。

これは、偶然ではありませんが、グルコース合成を促進するために葉緑体で使用されるのと同じプロセスです。 葉緑体膜を横切る勾配を作成するためのエネルギー源は、この場合、NADHおよびFADHではありません。₂、しかし日光。 その後の水素イオンのより低いH +イオン濃度の方向への流れは、COから始めて、より小さな炭素分子からより大きな炭素分子の合成を促進するために使用されます。₂ Cで終わる₆H₁₂O₆.

化学浸透勾配から流れるエネルギーは、ATP生成だけでなく、タンパク質合成などの他の重要な細胞プロセスに電力を供給するために使用されます。 電子伝達系が中断された場合（長時間の酸素欠乏の場合のように）、このプロトン勾配を維持することはできず、 周囲の水に圧力が流れなくなったときに水車の流れが止まるのと同じように、細胞のエネルギー生産が停止します 勾配。

各NADH分子は、ATPと各FADHの約3分子を生成することが実験的に示されているためです。₂ ATPの2つの分子を生成し、電子伝達系反応によって放出される総エネルギーは（前のセクションを参照）10 x 3（NADHの場合）+ 2 x 2（FADHの場合）です。₂）合計34ATP。 これを解糖系からの2ATPとクレブス回路からの2ATPに追加すると、好気性呼吸の方程式の38ATPの数値が得られます。