好気性呼吸の機能は何ですか？

好気性呼吸は、「細胞呼吸」と同じ意味で使用されることが多い用語であり、生物が 酸素の存在下で炭素化合物の化学結合に蓄積されたエネルギーを抽出し、この抽出されたエネルギーを代謝に使用する プロセス。 真核生物（すなわち、動物、植物、真菌）はすべて、主にミトコンドリアと呼ばれる細胞小器官の存在のおかげで、好気性呼吸を利用しています。 いくつかの原核生物（すなわち、細菌）は、より基本的な好気性呼吸経路を利用します。 しかし、一般的に、「好気性呼吸」を見るときは、「多細胞真核生物」と考える必要があります。 生命体。"

しかし、それだけが頭に浮かぶわけではありません。 以下は、好気性呼吸の基本的な化学的経路について知る必要があるすべてのことを示しています。 そのような本質的な一連の反応、そしてそれが生物学的および地質学的な過程でどのように始まったか 歴史。

すべての細胞栄養素代謝は、ブドウ糖の分子から始まります。 この6炭素糖は、グルコース自体は単純な炭水化物ですが、3つの主要栄養素クラス（炭水化物、タンパク質、脂肪）すべての食品に由来する可能性があります。 酸素の存在下で、ブドウ糖は変換され、約20の反応の連鎖で分解され、二酸化炭素、水、熱、 アデノシン三リン酸（ATP）の36または38分子、すべての生物の細胞が直接の供給源として最も頻繁に使用する分子 燃料。 好気性呼吸によって生成されるATPの量の変化は、植物細胞が細胞であるという事実を反映しています 動物細胞がグルコースあたり36ATPを生成する一方で、1つのグルコース分子から38ATPを搾り出すことがあります。 分子。 このATPは、遊離リン酸分子（P）とアデノシン二リン酸（ADP）を、ほとんどすべての これは、電子伝達の反応における好気性呼吸の非常に遅い段階で発生します 鎖。

好気性呼吸を説明する完全な化学反応は次のとおりです。

C₆H₁₂O₆ + 36（または38）ADP + 36（または38）P + 6O₂ →6CO₂ + 6H₂O + 420 kcal + 36（または38）ATP。

反応自体はこの形式では十分に単純に見えますが、それはから得るために必要な多数のステップを信じています 方程式の左辺（反応物）から右辺（生成物、解放された420キロカロリーを含む） 熱）。 慣例により、反応のコレクション全体は、それぞれが発生する場所に基づいて3つの部分に分けられます。 解糖（細胞質）、クレブス回路（ミトコンドリアマトリックス）および電子伝達系（ミトコンドリア内膜） 膜）。 ただし、これらのプロセスを詳細に調べる前に、地球上で好気性呼吸がどのように始まったかを確認する必要があります。

好気性呼吸の機能は、細胞や組織の修復、成長、維持のための燃料を供給することです。 これは、好気性呼吸が真核生物を生かし続けることを示す、いくぶん形式的な方法です。 ほとんどの場合、食べ物なしで何日も、水なしで少なくとも数日行くことができますが、酸素なしでほんの数分です。

酸素（O）は、通常の空気中に二原子の形で見られます。₂. この元素は、ある意味で、空気に元素が含まれていることが科学者に明らかになった1600年代に発見されました。 動物の生存に不可欠なもので、閉じた環境で炎によって、または長期的には 呼吸。

酸素は、呼吸するガスの混合物の約5分の1を構成します。 しかし、それは地球の45億年の歴史の中で常にこのようであったわけではなく、 時間の経過とともに地球の大気中の酸素の量は、生物学に予想通り深刻な影響を及ぼしてきました 進化。 惑星の現在の寿命の前半には、 番号 空気中の酸素。 17億年前までに、大気は4％の酸素で構成され、単細胞生物が出現していました。 7億年前までに、O₂ 空気の10〜20％を占め、より大きな多細胞生物が出現しました。 3億年前の時点で、酸素含有量は空気の35％に上昇しており、それに応じて、恐竜やその他の非常に大きな動物が標準でした。 その後、Oが保有する空気のシェア₂ 再び今日の場所に上昇するまで、15％に低下しました。

このパターンだけを追跡することで、酸素の究極の機能は動物を大きく成長させることである可能性が非常に科学的に高いように思われることは明らかです。

解糖の10の反応は、それ自体が進行するのに酸素を必要とせず、解糖は、原核生物と真核生物の両方のすべての生物である程度発生します。 しかし、解糖は細胞呼吸の特定の好気性反応に必要な前駆体であり、通常はこれらとともに説明されます。

六角形の環構造を持つ6炭素分子であるグルコースが細胞の細胞質に入ると、すぐにリン酸化されます。つまり、炭素の1つにリン酸基が結合しています。 これは、正味の負電荷を与えることにより、細胞内のグルコース分子を効果的にトラップします。 次に、分子は、さらに別のリン酸塩が分子に追加される前に、原子の損失または増加なしに、リン酸化されたフルクトースに再配列されます。 これにより分子が不安定になり、分子は断片化して1対の3炭素化合物になり、それぞれに独自のリン酸塩が結合します。 これらの一方が他方に変換され、一連のステップで、2つの3炭素分子がリン酸をADP（アデノシン二リン酸）の分子に譲り、2つのATPを生成します。 元の6炭素グルコース分子はピルビン酸と呼ばれる3炭素分子の2分子として巻き上げられ、さらに2分子のNADH（後で詳しく説明します）が生成されます。

ピルビン酸は、酸素の存在下で、細胞小器官のマトリックス（「中間」と考えてください）に移動します ミトコンドリアと呼ばれ、アセチル補酵素A（アセチル CoA）。 その過程で、二酸化炭素の分子（CO₂). その過程で、NADの分子⁺ （いわゆる高エネルギー電子キャリア）はNADHに変換されます。

クエン酸回路またはトリカルボン酸回路とも呼ばれるクレブス回路は、反応ではなくサイクルと呼ばれます その製品の1つである4炭素分子のオキサロ酢酸は、次の分子と結合することによってサイクルの開始に再び入ります。 アセチルCoA。 これにより、クエン酸塩と呼ばれる6つの炭素分子が生成されます。 この分子は、一連の酵素によって操作されて、α-ケトグルタル酸と呼ばれる5つの炭素化合物になり、次に別の炭素を失ってコハク酸を生成します。 炭素が失われるたびに、それはCOの形になります₂、そしてこれらの反応はエネルギー的に有利であるため、二酸化炭素の損失はそれぞれ別のNADの変換を伴います⁺ NADへ。 コハク酸の形成はまたATPの分子を作成します。

コハク酸はフマル酸に変換され、1分子のFADHを生成します₂ 流行から²⁺ （NADに似た電子キャリア⁺ 機能中）。 これはリンゴ酸に変換され、別のNADHを生成し、次にオキサロ酢酸に変換されます。

スコアを維持している場合は、3 NADH、1FADHを数えることができます₂ クレブス回路のターンごとに1ATP。 ただし、各グルコース分子はサイクルに入るために2分子のアセチルCoAを供給するため、合成されるこれらの分子の総数は6 NADH、2FADHであることに注意してください。₂ および2ATP。 したがって、クレブス回路は直接多くのエネルギーを生成せず、上流に供給されるグルコース1分子あたり2 ATPしか生成せず、酸素も必要ありません。 しかし、NADHとFADH₂ に重要です 酸化的リン酸化 電子伝達系と総称される次の一連の反応のステップ。

NADHとFADHのさまざまな分子₂ 細胞呼吸の前のステップで作成されたものは、クリステと呼ばれるミトコンドリア内膜のひだで発生する電子伝達系で使用する準備ができています。 簡単に言えば、NADに付着した高エネルギー電子⁺ とFAD²⁺ 膜を横切るプロトン勾配を作成するために使用されます。 これは、陽子の濃度が高いことを意味します（H⁺ イオン）を膜の反対側よりも片側に配置し、これらのイオンがプロトン濃度の高い領域からプロトン濃度の低い領域に流れるように推進します。 このように、陽子は、たとえば、標高の高い領域から低い領域に移動したい水とは少し異なります。 濃度–ここでは、電子伝達で観察されるいわゆる化学浸透勾配ではなく、重力の影響下にあります 鎖。

流れる水のエネルギーを利用して他の場所で仕事をする（その場合は電気を生成する）水力発電所のタービンのように、陽子によって確立されたエネルギーの一部 膜を横切る勾配が捕捉され、遊離リン酸基（P）がADP分子に結合して、リン酸化（この場合は酸化的）と呼ばれるプロセスであるATPが生成されます。 リン酸化）。 実際、これは、NADHとFADHのすべてが発生するまで、電子伝達系で何度も発生します。₂ 解糖系とクレブス回路（前者の約10個と後者の2個）から利用されます。 これにより、グルコース分子あたり約34分子のATPが生成されます。 解糖系とクレブス回路はそれぞれグルコース分子あたり2ATPを生成するため、少なくとも理想的な条件下でエネルギーが放出された場合の総量は、合計で34 + 2 + 2 = 38ATPになります。

電子伝達系には、プロトンがミトコンドリア内膜を通過してこの間の空間に入ることができる3つの異なる点があります。 その後、ミトコンドリア外膜、およびの物理的アンカーポイントを形成する4つの異なる分子複合体（番号I、II、III、およびIV） 鎖。

電子伝達系はOのために酸素を必要とします₂ チェーンの最後の電子対アクセプターとして機能します。 酸素が存在しない場合、電子の「下流」の流れが停止するため、チェーン内の反応はすぐに停止します。 彼らは行くところがありません。 電子伝達系を麻痺させる可能性のある物質の中にはシアン化物（CN^-). これが、殺人番組やスパイ映画で致命的な毒としてシアン化物が使用されているのを見たことがあるかもしれない理由です。 それが十分な用量で投与されると、レシピエント内の好気性呼吸が停止し、それとともに生命そのものが停止します。

植物は光合成を受けて二酸化炭素から酸素を生成すると考えられがちですが、動物は 酸素から二酸化炭素を生成するための呼吸、それによって生態系全体のきれいな補完を維持するのに役立ちます 残高。 これは表面的には真実ですが、植物は光合成と好気性呼吸の両方を利用しているため、誤解を招く恐れがあります。

植物は食べることができないので、食物を摂取するのではなく、作る必要があります。 これが、葉緑体と呼ばれる細胞小器官の動物に欠けている一連の反応である光合成の目的です。 太陽光、COを搭載₂ 植物細胞の内部は、ミトコンドリアの電子伝達系に似た一連のステップで、葉緑体の内部でグルコースに組み立てられます。 その後、ブドウ糖は葉緑体から放出されます。 ほとんどの場合、それが植物の構造部分になりますが、解糖を経て、植物細胞ミトコンドリアに入った後、残りの好気性呼吸を経て進行するものもあります。