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細胞呼吸は、酸素などの無機電子受容体を用いて生物学的燃料を酸化し、化学エネルギーを生物学的に利用可能な形で貯蔵するアデノシン三リン酸（ATP）を生成するプロセスです。細胞呼吸は、栄養素からATPへの化学エネルギーの伝達、電子受容体への電子の流れ、そして老廃物の放出を行うために細胞内で起こる一連の代謝反応とプロセスとして説明できます。[ 1 ]
電子受容体が酸素の場合、このプロセスはより具体的には好気性細胞呼吸として知られています。電子受容体が酸素以外の分子の場合、これは嫌気性細胞呼吸です。発酵も嫌気性プロセスですが、外部の電子受容体が関与しないため呼吸ではありません。[ 2 ]
呼吸に関わる反応は異化反応であり、大きな分子を小さな分子に分解してATPを生成します。呼吸は、細胞が化学エネルギーを放出して細胞活動のエネルギー源とする主要な方法の一つです。全体の反応は一連の生化学的段階を経て起こり、その中には酸化還元反応も含まれます。細胞呼吸は厳密には燃焼反応ですが、一連の反応からエネルギーがゆっくりと制御された形で放出されるため、特異な反応と言えます。
動物細胞や植物細胞が呼吸に一般的に利用する栄養素には、糖、アミノ酸、脂肪酸などがあり、最も一般的な酸化剤は分子状酸素（O₂ ）です。ATPに蓄えられた化学エネルギー（ATPの3番目のリン酸基と分子の残りの部分との結合が切断され、より安定した生成物が形成され、それによって細胞が利用できるエネルギーが放出される）は、生合成、運動、細胞膜を介した分子の輸送など、エネルギーを必要とするプロセスを駆動するために使用できます。
好気呼吸では、 ATP を生成するために酸素(O 2 )が必要です。炭水化物、脂肪、タンパク質は反応物として消費されますが、好気呼吸は解糖系におけるピルビン酸生成の優先的な方法であり、クエン酸回路で酸化されるためにピルビン酸がミトコンドリアによって輸送される必要があります。このプロセスの生成物は二酸化炭素と水であり、伝達されたエネルギーは、基質レベルリン酸化、NADH、FADH 2によって、ADP と 3 番目のリン酸基との間に結合を作り、ATP (アデノシン三リン酸)を形成するために使用されます。
負のΔGは、反応が発熱反応（発エルゴン反応）であり、自発的に起こり得ることを示している。[ 3 ]
NADHとFADH2のポテンシャルは、酸素とプロトン（水素イオン）を「最終電子受容体」とする電子伝達系を介して、より多くのATPに変換されます。好気性細胞呼吸によって生成されるATPの大部分は、酸化的リン酸化によって作られます。放出されたエネルギーは、膜を介してプロトンをポンプすることで化学浸透圧ポテンシャルを生成するために使用されます。このポテンシャルは、 ATPシンターゼを駆動し、 ADPとリン酸基からATPを生成するために使用されます。生物学の教科書では、細胞呼吸中に酸化されたグルコース分子1つあたり38個のATP分子が作られる可能性があるとよく記載されています（解糖系から2個、クレブス回路から2個、電子伝達系から約34個）。[ 4 ]しかし、膜の漏れによる損失や、ピルビン酸とADPをミトコンドリアマトリックスに移動させるコストのため、この最大収量に完全に達することはなく、現在の推定ではグルコース1つあたり約29～30個のATPとなっています。[ 4 ]
好気性代謝は嫌気性代謝（グルコース1分子あたりATP2分子を生成する）よりも最大15倍効率的です。しかし、メタン生成菌などの一部の嫌気性生物は、酸素以外の無機分子を電子伝達系の最終電子受容体として使用することで、嫌気性呼吸を継続し、より多くのATPを生成することができます。これらは解糖系の初期経路を共有していますが、好気性代謝はクレブス回路と酸化的リン酸化へと続きます。解糖後の反応は、真核細胞ではミトコンドリアで、原核細胞では細胞質で行われます。[ 5 ]
植物は光合成によって二酸化炭素を正味消費し、酸素を生成するが、植物の呼吸は陸上生態系で年間生成されるCO₂の約半分を占める。[ 6 ] [ 7 ]： 87
解糖は、すべての生物の細胞の細胞質で行われる代謝経路です。解糖は文字通り「糖の分解」と訳すことができ、 [ 8 ]酸素の有無に関わらず起こります。このプロセスでは、1 分子のグルコースが2 分子のピルビン酸に変換され、正味 2 分子のATPの形でエネルギーが生成されます。実際には、グルコース 1 分子あたり 4 分子の ATP が生成されますが、準備段階で 2 分子が消費されます。グルコースの最初のリン酸化は、アルドラーゼ酵素によって分子が 2 分子のピルビン酸に切断されるように、反応性を高める (安定性を低下させる) ために必要です。解糖のペイオフ段階では、基質レベルリン酸化によって 4 個の ADP に 4 個のリン酸基が転移され、4 個の ATP が生成され、ペイオフ段階で 2 個の NADH も生成されます。全体の反応は次のように表すことができます。[ 9 ]
グルコースを出発点として、1 ATPがグルコースにリン酸基を供与してグルコース6-リン酸を生成するために使用される。グリコーゲンもグリコーゲンホスホリラーゼの助けを借りてグルコース6-リン酸に変換することができる。エネルギー代謝の過程で、グルコース6-リン酸はフルクトース6-リン酸になる。さらに1 ATPが使用され、ホスホフルクトキナーゼの助けを借りてフルクトース6-リン酸がフルクトース1,6-ビスリン酸にリン酸化される。フルクトース1,6-ビスリン酸はその後、3つの炭素鎖を持つ2つのリン酸化分子に分解され、後にピルビン酸に分解される。[ 7 ]： 88-90
ピルビン酸は、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体（PDC）によってアセチルCoAとCO2に酸化されます。PDCは3つの酵素の複数のコピーを含み、真核細胞のミトコンドリアと原核生物の細胞質に存在します。ピルビン酸からアセチルCoAへの変換では、1分子のNADHと1分子のCO2が生成されます。[ 10 ]
クエン酸回路はクレブス回路またはトリカルボン酸回路とも呼ばれます。酸素が存在する場合、解糖によって生成されたピルビン酸分子からアセチルCoAが生成されます。アセチルCoAが生成されると、好気呼吸または嫌気呼吸が起こります。酸素が存在する場合、ミトコンドリアは好気呼吸を行い、クレブス回路につながります。しかし、酸素が存在しない場合は、ピルビン酸分子の発酵が起こります。酸素が存在する場合、アセチルCoAが生成されると、その分子はミトコンドリアマトリックス内のクエン酸回路（クレブス回路）に入り、CO2に酸化されると同時にNADがNADHに還元されます。NADHは、電子伝達系によって酸化的リン酸化の一部としてさらにATPを生成するために使用できます。1分子のグルコースに相当するものを完全に酸化するには、2分子のアセチルCoAがクレブス回路によって代謝される必要があります。このサイクルでは、H₂OとCO₂という2つの低エネルギー廃棄物が生成されます。 [ 11 ] [ 12 ]
クエン酸回路は、18種類の酵素と補酵素が関与する8段階のプロセスです。このサイクルでは、アセチルCoA（炭素2個）とオキサロ酢酸（炭素4個）からクエン酸（炭素6個）が生成され、これがイソクエン酸（炭素6個）と呼ばれるより反応性の高い形態に再配列されます。イソクエン酸は、 α-ケトグルタル酸（炭素5個）、スクシニルCoA、コハク酸、フマル酸、リンゴ酸、そして最終的にオキサロ酢酸へと変化します。[ 13 ]
1サイクルで得られる正味の利益は、水素（プロトンと電子）を運ぶ化合物として3分子のNADHと1分子のFADH₂ 、そして高エネルギーGTP 1分子であり、これらは後にATPの生成に利用される。したがって、1分子のグルコース（2分子のピルビン酸）からの総収量は、6分子のNADH、2分子のFADH₂ 、および2分子のATPである。[ 11 ] [ 12 ] [ 7 ]： 90-91
真核生物では、酸化的リン酸化はミトコンドリアのクリステで起こります。これは、クレブス回路で生成されたNADHを酸化することによって内膜の境界を横切るプロトン勾配（化学浸透電位）を確立する電子伝達系から構成されます。化学浸透勾配がADPのリン酸化を促進するために利用されると、ATP合成酵素によってATPが合成されます。電子は最終的に外因性酸素に伝達され、2つのプロトンが加わって水が生成されます。[ 14 ]
下の表は、1分子のグルコースが完全に酸化されて二酸化炭素になる際に起こる反応を示しています。還元された補酵素はすべて電子伝達系によって酸化され、酸化的リン酸化に利用されると仮定しています。
細胞呼吸ではグルコース1分子あたり理論上38分子のATPが生成される可能性があるが、解糖系由来のピルビン酸、リン酸、ADP（ATP合成の基質）をミトコンドリアへ輸送する際のコストなどによる損失があるため、通常はこのような条件は実現しない。これらの物質はすべて、プロトン電気化学勾配に蓄えられたエネルギーを利用する輸送体によって能動的に輸送される。
プロトン電気化学勾配を利用したこれらの輸送プロセスの結果として、1 ATP を作るのに3 個以上の H +が必要になります。明らかに、これはプロセス全体の理論的な効率を低下させ、おそらく最大で 28 ～ 30 個の ATP 分子に近いものになります。 [ 4 ]実際には、ミトコンドリアの内膜はプロトンに対してわずかに漏れやすいため、効率はさらに低くなる可能性があります。[ 15 ]他の要因もプロトン勾配を散逸させ、見かけ上漏れやすいミトコンドリアを作り出す可能性があります。サーモジェニンとして知られる脱共役タンパク質は、一部の細胞型で発現しており、プロトンを輸送できるチャネルです。このタンパク質が内膜で活性化すると、電子伝達系とATP 合成の間のカップリングが短絡されます。プロトン勾配からのポテンシャルエネルギーは ATP を作るために使用されず、熱が発生します。これは、新生児や冬眠中の哺乳類の褐色脂肪の熱産生において特に重要です。
ATP合成酵素は、ミトコンドリア内のプロトン勾配を利用してATPを生成する、細胞呼吸における重要な酵素です。温度が最適範囲から大きく外れると、酵素活性が低下し、ATP産生量が減少します。これにより、筋肉や腺などのエフェクターの機能が制限され、恒常性が脅かされます。
いくつかの新しい情報源によると、好気呼吸中のATP収量は36～38ではなく、グルコース1分子あたり約30～32分子のATPにすぎない[ 16 ]。理由は以下のとおりである。
つまり、グルコース分子1個あたり、
合計すると、グルコース1分子あたり4 + 3 (または5) + 20 + 3 = 30 (または32) ATPとなる。
これらの数値は、新たな構造の詳細が明らかになるにつれて、さらに調整が必要になる可能性があります。上記の合成酵素の 3 H + / ATP という値は、合成酵素が 9 個のプロトンを輸送し、1 回転あたり 3 個の ATP を生成することを前提としています。プロトンの数はFo c リングの c サブユニットの数に依存し、酵母 Fo [ 17 ]では 10 個、脊椎動物では 8 個であることが現在知られています[ 18 ] 。輸送反応に1 個の H +を含めると、これは 1 個の ATP の合成には、酵母では1 + 10/3 = 4.33 個のプロトン、脊椎動物では1 + 8/3 = 3.67 個のプロトンが必要であることを意味します。これは、ヒトミトコンドリアではNADHの酸化による10個のプロトンが2.72 ATP（2.5ではなく）を生成し、コハク酸またはユビキノールの酸化による6個のプロトンが1.64 ATP（1.5ではなく）を生成することを意味する。これは、最近のレビューで説明されている誤差範囲内の実験結果と一致する。[ 19 ]
エタノールまたは乳酸発酵におけるATPの総収量は、解糖系由来のわずか2分子のみである。これは、ピルビン酸がミトコンドリアに運ばれて最終的に二酸化炭素（CO2）に酸化されるのではなく、細胞質でエタノールまたは乳酸に還元されるためである。[ 16 ]
酸素がない場合、ピルビン酸は細胞呼吸によって代謝されず、発酵の過程を経ます。ピルビン酸はミトコンドリアに輸送されず、細胞質に留まり、そこで老廃物に変換されて細胞から除去されます。これは、電子伝達体を酸化して再び解糖を行えるようにし、過剰なピルビン酸を除去する目的を果たします。発酵はNADHをNAD +に酸化して、解糖で再利用できるようにします。酸素がない場合、発酵は細胞質でのNADHの蓄積を防ぎ、解糖にNAD +を供給します。この老廃物は生物によって異なります。骨格筋では、老廃物は乳酸です。このタイプの発酵は乳酸発酵と呼ばれます。激しい運動では、エネルギー需要がエネルギー供給を上回ると、呼吸鎖はNADHに結合したすべての水素原子を処理できません。嫌気性解糖では、水素のペアがピルビン酸と結合して乳酸を形成するときにNAD +が再生されます。乳酸の生成は、可逆反応で乳酸脱水素酵素によって触媒されます。乳酸は、肝グリコーゲンの間接的な前駆体としても使用できます。回復期には、酸素が利用可能になると、NAD +が乳酸由来の水素と結合してATPを形成します。酵母では、老廃物はエタノールと二酸化炭素です。このタイプの発酵は、アルコール発酵またはエタノール発酵として知られています。このプロセスで生成されるATPは、酸素を必要としない基質レベルリン酸化によって作られます。
発酵はグルコースからのエネルギー利用効率が低く、グルコース1分子あたりわずか2 ATPしか生成されないのに対し、好気呼吸では名目上グルコース1分子あたり38 ATPが生成される。しかし、解糖系ATPはより速く生成される。原核生物が好気環境から嫌気環境に移行した際に急速な成長速度を維持するには、解糖反応の速度を上げる必要がある。多細胞生物の場合、短時間の激しい運動中に、筋肉細胞は発酵を利用して、より遅い好気呼吸によるATP生成を補う。そのため、酸素レベルが枯渇する前であっても、細胞は発酵を利用することがある。これは、短距離走のように、選手がペース配分する必要のないスポーツの場合に当てはまる。
嫌気呼吸は、細菌または古細菌の微生物によって行われ、酸素（好気呼吸）もピルビン酸誘導体（発酵）も最終電子受容体ではありません。代わりに、硫酸塩（SO 2− 4）、硝酸塩（NO − 3）、または硫黄（S）などの無機受容体が使用されます。このような生物は、海底の洞窟や熱水噴出孔付近などの珍しい場所、 [ 7 ] : 66–68消化管、湿地生態系の無酸素土壌や堆積物などで見つかる可能性があります。[ 2 ]
2019年7月、カナダのキッド鉱山で行われた科学的調査により、地表から7900フィート（2400メートル）下の場所に生息する硫黄呼吸生物が発見されました。これらの生物は、黄鉄鉱などの鉱物を食料源として摂取するという点でも注目に値します。 [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]