細胞呼吸：プロセス、種類、機能 - 生物学 - 2025

細胞呼吸は、エネルギーを生成する処理であるATP（アデノシン三リン酸）の形態。その後、このエネルギーは他の細胞プロセスに向けられます。この現象の間、分子は酸化を受け、電子の最終的な受容体は、ほとんどの場合、無機分子です。

最終的な電子受容体の性質は、研究対象の生物の呼吸の種類によって異なります。ホモサピエンスのような好気性菌では、最終的な電子受容体は酸素です。対照的に、嫌気性呼吸器の場合、酸素は有毒である可能性があります。後者の場合、最終アクセプターは酸素以外の無機分子です。

出典：Wikimedia CommonsのDarekk2による

有酸素呼吸は生化学者によって広く研究されており、クレブス回路と電子伝達鎖の2つの段階で構成されています。

真核生物では、呼吸が行われるために必要なすべての機構は、ミトコンドリア内と、このオルガネラの膜系の両方にあります。

機械は、プロセスの反応を触媒する酵素で構成されています。原核生物の系統はオルガネラの欠如によって特徴付けられます。このため、ミトコンドリアと非常によく似た環境をシミュレートする原形質膜の特定の領域で呼吸が発生します。

用語

生理学の分野では、「呼吸」という用語には、肺呼吸と細胞呼吸という2つの定義があります。日常生活でブレスという言葉を使用する場合、最初のタイプを指します。

肺の呼吸は、息を吸ったり吐いたりする動作で構成されます。このプロセスにより、酸素と二酸化炭素のガスが交換されます。この現象の正しい用語は「換気」です。

対照的に、細胞呼吸は、その名前が示すように、細胞の内部で発生し、電子輸送チェーンを通じてエネルギーを生成するプロセスです。この最後のプロセスは、この記事で説明するプロセスです。

細胞呼吸はどこで起こりますか？

真核生物の呼吸の場所

ミトコンドリア

細胞呼吸はミトコンドリアと呼ばれる複雑な細胞小器官で起こります。構造的に、ミトコンドリアは幅1.5ミクロン、長さ2〜8ミクロンです。それらは、それら自身の遺伝物質を有すること、および二元分裂によって分割することによって特徴付けられます-それらの内部共生起源の痕跡的な特徴。

彼らは2つの膜、滑らかなものと隆起を形成する折り目と内部の膜があります。ミトコンドリアがより活発になるほど、それはより多くの尾根を持ちます。

ミトコンドリアの内部はミトコンドリアマトリックスと呼ばれています。この区画には、呼吸反応に必要な酵素、補酵素、水、リン酸塩があります。

外膜はほとんどの小分子の通過を可能にします。ただし、非常に特定のトランスポーターの通過を実際に制限するのは内膜です。この構造の透過性は、ATPの生産において基本的な役割を果たします。

ミトコンドリアの数

細胞呼吸に必要な酵素やその他の成分は、膜に固定されており、ミトコンドリア基質には遊離しています。

したがって、エネルギー要件が低い細胞とは対照的に、大量のエネルギーを必要とする細胞は、ミトコンドリアの数が多いことを特徴としています。

たとえば、肝細胞は平均で2,500個のミトコンドリアを持っていますが、筋肉細胞（非常に代謝的に活発）にははるかに多くの数が含まれており、この細胞タイプのミトコンドリアはより大きくなっています。

さらに、これらは、精子のべん毛の周囲など、エネルギーが必要な特定の領域にあります。

原核生物の呼吸の場所

論理的には、原核生物は呼吸する必要があり、ミトコンドリアも、真核生物に特徴的な複雑なオルガネラもありません。このため、呼吸過程は、ミトコンドリアでの発生と同様に、原形質膜の小さな陥入で起こります。

タイプ

電子の最終的な受容体として機能した分子に応じて、呼吸には2つの基本的なタイプがあります。好気性呼吸では受容体は酸素ですが、嫌気性では無機分子です-いくつかの特定のケースでは受容体は有機分子です。以下でそれぞれについて詳しく説明します。

好気呼吸

好気性呼吸生物では、電子の最終受容体は酸素です。発生するステップは、クレブス回路と電子輸送チェーンに分かれています。

これらの生化学的経路で起こる反応の詳細な説明は、次のセクションで作成されます。

嫌気性呼吸

最終的なアクセプターは、酸素以外の分子で構成されています。嫌気性呼吸によって生成されるATPの量は、調査中の微生物や使用される経路など、いくつかの要因によって異なります。

ただし、クレブス回路は部分的にしか機能せず、チェーン内のすべてのトランスポーター分子が呼吸に関与するわけではないため、好気性呼吸では常にエネルギー生産が高くなります。

このため、嫌気性個体の成長と発達は、好気性個体よりも大幅に少なくなります。

嫌気性菌の例

一部の生物では酸素は有毒であり、それらは厳密な嫌気性菌と呼ばれます。最もよく知られている例は、破傷風とボツリヌス中毒を引き起こす細菌、クロストリジウムです。

さらに、通性嫌気性菌と呼ばれる、好気性呼吸と嫌気性呼吸を交互に繰り返すことができる他の生物があります。言い換えれば、彼らは彼らに合ったときに酸素を使用し、それがない場合、彼らは嫌気性呼吸に頼ります。たとえば、よく知られた細菌である大腸菌はこの代謝を持っています。

ある種の細菌は、硝酸イオン（NO使用できる₃ ^-そのようなシュードモナス属およびバチルスとして、最終的な電子受容体として）。前記イオンは、亜硝酸イオン、亜酸化窒素または窒素ガスに還元することができる。

他の場合では、最終的な受容体は、硫化水素を発生させ、炭酸塩を使用してメタンを形成する硫酸イオン（SO ₄ ^2-）で構成されます。細菌のDesulfovibrio属は、このタイプのアクセプターの例です。

硝酸塩と硫酸塩の分子でのこの電子の受け取りは、これらの化合物（窒素と硫黄）の生物地球化学的循環において重要です。

処理する

解糖は、細胞呼吸の前の経路です。それはグルコース分子から始まり、最終生成物はピルビン酸、3炭素分子です。解糖は細胞の細胞質で起こります。この分子は、その分解を続けるためにミトコンドリアに入ることができなければなりません。

ピルビン酸は、濃度勾配を介して細胞膜に浸透し、膜の細孔を通過します。最終的な目的地はミトコンドリアのマトリックスになります。

細胞呼吸の最初のステップに入る前に、ピルビン酸分子は特定の修飾を受けます。

まず、それはコエンザイムAと呼ばれる分子と反応します。各ピルビン酸塩は二酸化炭素とコエンザイムAに結合するアセチル基に開裂し、アセチルコエンザイムA複合体を生じます。

この反応では、2つの電子と1つの水素イオンがNADP ⁺に移動し、NADHが生成され、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ酵素複合体によって触媒されます。反応には一連の補因子が必要です。

この変更後、呼吸内の2つの段階、クレブス回路と電子伝達鎖が始まります。

クレブスサイクル

クレブス回路は、生化学において最も重要な循環反応の1つです。文献では、クエン酸回路またはトリカルボン酸回路（TCA）としても知られています。

それはその発見者にちなんで名付けられました：ドイツの生化学者ハンス・クレブス。1953年、クレブスは、生化学の分野を特徴付けるこの発見によりノーベル賞を受賞しました。

サイクルの目的は、アセチルコエンザイムAに含まれるエネルギーを徐々に放出することです。これは、エネルギーをさまざまな分子、主にNAD ^+に伝達する一連の酸化および還元反応で構成されています。

サイクルに入る2分子のアセチルコエンザイムAごとに、4分子の二酸化炭素が放出され、6分子のNADHと2分子のFADH ₂が生成されます。CO ₂は、プロセスからの廃棄物として大気中に放出されます。GTPも生成されます。

この経路は同化（分子合成）と異化（分子分解）の両方のプロセスに関与するため、「両親媒性」と呼ばれます。

クレブス回路反応

サイクルは、アセチル補酵素A分子とオキサロ酢酸分子の融合から始まります。この結合により、シトレートという6炭素分子が生成されます。このようにしてコエンザイムAが放出され、実際には何度も再利用されます。セル内のATPが多すぎる場合、このステップは抑制されます。

上記の反応はエネルギーを必要とし、アセチル基とコエンザイムAの間の高エネルギー結合を破壊することからそれを得ます。

クエン酸塩はシスアコニット酸塩に変換され、酵素アコニターゼによってイソクエン酸塩に変換されます。次のステップは、脱クエン酸イソクエン酸塩によるイソクエン酸塩のアルファケトグルタル酸塩への変換です。この段階は、NADHの削減につながり、二酸化炭素を放出するため、適切です。

アルファケトグルタル酸は、ピルビン酸キナーゼと同じ補因子を使用するアルファケトグルタル酸デヒドロゲナーゼによってスクシニル補酵素Aに変換されます。NADHもこのステップで生成され、最初のステップとして、過剰なATPによって阻害されます。

次の製品はコハク酸塩です。その生産では、GTPの形成が発生します。コハク酸塩がフマル酸塩に変わります。この反応により、FADHが生成されます。次に、フマル酸塩がリンゴ酸塩になり、最後にオキサロ酢酸になります。

電子輸送チェーン

電子輸送チェーンの目的は、NADHやFADH ₂などの高エネルギーレベルにある前のステップで生成された化合物から電子を取り出し、それらを低エネルギーレベルに駆動することです。

このエネルギーの減少は段階的に行われます。つまり、急激に発生することはありません。これは、レドックス反応が発生する一連のステップで構成されています。

鎖の主な構成要素は、シトクロムに結合したタンパク質と酵素によって形成された複合体である、ヘム型メタロポルフィリンです。

チトクロームは、その構造の点で非常に似ていますが、それぞれが鎖内で特定の機能を実行して、異なるエネルギーレベルで電子を歌うことを可能にする特殊性を持っています。

電子が呼吸鎖を介して低レベルに移動すると、エネルギーが放出されます。このエネルギーをミトコンドリアで使用して、酸化的リン酸化と呼ばれるプロセスでATPを合成できます。

化学浸透圧カップリング

長い間、生化学者のピーター・ミッチェルが化学結合を提案するまで、鎖におけるATP形成のメカニズムは謎でした。

この現象では、プロトン勾配がミトコンドリア内膜全体に確立されます。このシステムに含まれるエネルギーが放出され、ATPの合成に使用されます。

形成されたATPの量

見てきたように、ATPはクレブス回路で直接形成されているのではなく、電子輸送チェーンで形成されています。NADHから酸素に移動する2つの電子ごとに、3つのATP分子の合成が行われます。この見積もりは、参考文献によって多少異なる場合があります。

同様に、FADH ₂から通過する2つの電子ごとに、2つのATP分子が形成されます。

特徴

細胞呼吸の主な機能は、それを細胞の機能に向けることができるATPの形のエネルギーの生成です。

動物と植物の両方が、食品に使用する有機分子に含まれる化学エネルギーを抽出する必要があります。野菜の場合、これらの分子は植物自体が有名な光合成プロセスで太陽エネルギーを使用して合成する糖です。

一方、動物は自分の食べ物を合成することができません。したがって、従属栄養生物は、たとえば私たちのように、食事で食物を消費します。酸化プロセスは、食品からエネルギーを抽出する役割を果たします。

光合成の機能と呼吸の機能を混同しないでください。動物のような植物も呼吸します。どちらのプロセスも補完的であり、生きている世界のダイナミクスを維持します。

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