細胞呼吸

細胞呼吸は、酸素などの無機電子受容体の存在下で生物学的燃料が酸化され、エネルギーを含むアデノシン三リン酸（ATP）の大量生産を促進するプロセスです。細胞呼吸は、栄養素からの化学エネルギーをATPに変換し、その後老廃物を放出するために生物の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]

細胞呼吸は、すべての[[植物と一部の細菌]]の細胞で起こる重要なプロセスです。^{[2] [より良い情報源が必要]}呼吸は、酸素を必要とする好気性呼吸と嫌気性呼吸のいずれかであり、一部の生物は好気性呼吸と嫌気性呼吸を切り替えることができます。^{[3] [より良い情報源が必要]}

呼吸に関与す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大量のエネルギー (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燃料とする主要な方法の 1 つです。全体的な反応は一連の生化学的段階で発生し、その一部は酸化還元反応です。細胞呼吸は技術的には燃焼反応ですが、一連の反応からゆっくりと制御されたエネルギー放出が行われるため、珍しい反応です。

動物や植物の細胞が呼吸でよく使う栄養素には、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（O ₂）です。ATP に蓄えられた化学エネルギー（分子の 3 番目のリン酸基と残りの部分の結合が切断され、より安定した生成物が形成され、細胞が使用できるエネルギーが放出されます）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促進するために使用されます。

好気呼吸では、 ATP を生成するために酸素(O ₂ )が必要である。炭水化物、脂肪、タンパク質が反応物として消費されるが、好気呼吸は解糖系におけるピルビン酸生成の好ましい方法であり、クエン酸回路によって酸化されるためにミトコンドリアにピルビン酸が必要である。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、基質レベルのリン酸化、NADHおよびFADH ₂によって ADP と 3 番目のリン酸基との結合を形成し、ATP (アデノシン三リン酸)を形成するために使用される。^{[出典が必要]}

ΔGが負であることは、反応が発熱反応（エクセルギー反応）であり、自発的に起こり得ることを示している。^[4]

NADH と FADH ₂の電位は、酸素とプロトン (水素イオン) を「末端電子受容体」とする電子伝達系を通じて、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 のほとんどは、酸化的リン酸化によって生成されます。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電位を生成するために使用されます。次に、この電位を使用してATP 合成酵素が駆動され、 ADPとリン酸基から ATP が生成されます。生物学の教科書には、細胞呼吸中に酸化されたグルコース分子 1 個あたり 38 個の ATP 分子が生成されると記載されていることがよくあります (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)。^[5]ただし、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、この最大収量には決して達しません。現在の推定では、グルコース 1 個あたり 29 ～ 30 個の ATP です。^[5]

好気性代謝は嫌気性代謝（グルコース 1 分子あたり ATP 2 分子を生成）より最大 15 倍効率的です。ただし、メタン生成菌などの一部の嫌気性生物は嫌気呼吸を継続することができ、電子伝達系の最終電子受容体として酸素以外の無機分子を使用することで、より多くの ATP を生成します。これらの生物は解糖の初期経路を共有しますが、好気性代謝はクレブス回路と酸化的リン酸化によって継続します。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起こります。^[要出典]

植物は光合成によって二酸化炭素を消費し、酸素を生産しますが、植物の呼吸は陸上生態系によって毎年生成される_CO2の約半分を占めています。^{[6] [7] ：87}

解糖は、すべての生物の細胞の細胞質で起こる代謝経路です。解糖は文字通り「糖の分解」と翻訳でき、 ^[8]酸素の有無に関係なく発生します。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(ピルビン酸)に変換され、2 分子のATPという形でエネルギーが生成されます。グルコース 1 個あたり 4 分子の ATP が実際に生成されますが、2 分子は準備段階の一部として消費されます。グルコースの最初のリン酸化は、分子が酵素アルドラーゼによって 2 つのピルビン酸分子に分解されるように、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、基質レベルのリン酸化によって 4 つのリン酸基が 4 つの ADP に転移され、4 つの ATP が生成され、ペイオフ段階で 2 つの NADH も生成されます。全体的な反応は次のように表すことができます。^[要出典]

グルコース + 2 NAD ⁺ 2 P _i + 2 ADP → 2ピルビン酸+ 2 NADH + 2 ATP + 2 H ⁺ + 2 H ₂ O + エネルギー

グルコースから始めて、1 ATP を使用してグルコースにリン酸を供与し、グルコース 6-リン酸を生成します。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-リン酸に変換できます。エネルギー代謝中に、グルコース 6-リン酸はフルクトース 6-リン酸になります。追加の ATP は、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-リン酸をフルクトース 1,6-ビスリン酸にリン酸化するために使われます。その後、フルクトース 1,6-ビスリン酸は 3 つの炭素鎖を持つ 2 つのリン酸化分子に分割され、後にピルビン酸に分解されます。^{[7] : 88–90}

ピルビン酸はピルビン酸脱水素酵素複合体(PDC)によってアセチル CoAと CO ₂に酸化されます。PDC には 3 つの酵素の複数のコピーが含まれており、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。ピルビン酸がアセチル CoA に変換されると、1 分子の NADH と 1 分子の CO ₂が生成されます。^{[引用が必要]}

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、解糖で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が形成されると、好気呼吸または嫌気呼吸が可能になります。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。酸素の存在下でアセチルCoAが生成されると、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、CO ₂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されます。1つのグルコース分子に相当するものを完全に酸化するには、2つのアセチルCoAがクレブス回路によって代謝されなければなりません。このサイクルの間に、 H ₂ OとCO _2という2つの低エネルギー廃棄物が生成されます。^{[9] [10]}

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。回路中、アセチル CoA (炭素数 2) +オキサロ酢酸(炭素数 4)からクエン酸(炭素数 6) が生成され、これがイソクエン酸 (炭素数 6)と呼ばれるより反応性の高い形態に再配置されます。イソクエン酸は、 α-ケトグルタル酸(炭素数 5)、スクシニル CoA、コハク酸、フマル酸、リンゴ酸へと変化し、最終的にオキサロ酢酸になります。^{[出典が必要]}

1サイクルで得られる純利益は、水素（プロトンプラス電子）を運ぶ化合物としてのNADH 3個とFADH _{2 1個、およびその後ATPを生成するために使用される高エネルギー}GTP 1個です。したがって、1つのグルコース分子（2つのピルビン酸分子）から得られる総収量は、NADH 6個、FADH _{2 2}個、ATP 2個です。 ^{[9] [10] [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る。これは、クレブス回路で生成された NADH を酸化することで、内膜の境界を越えたプロトン勾配(化学浸透圧ポテンシャル) を確立する電子伝達系から構成される。化学浸透圧勾配が ADP のリン酸化を促進するために使用されると、ATP 合成酵素によって ATP が合成される。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形成される。^{[引用が必要]}

下の表は、1 つのグルコース分子が完全に酸化されて二酸化炭素になるとき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、酸化的リン酸化に使用されると想定されています。

細胞呼吸中にグルコース 1 個あたり 38 個の ATP 分子が理論的に生成されますが、ピルビン酸 (解糖から)、リン酸、ADP (ATP 合成の基質) をミトコンドリアに移動するコストなどの損失のため、このような条件は通常実現されません。これらはすべて、プロトン電気化学勾配に蓄積されたエネルギーを利用するキャリアを使用して能動的に輸送されます。

• ピルビン酸は、特定の低K _mトランスポーターによって取り込まれ、ミトコンドリアマトリックスに運ばれ、ピルビン酸脱水素酵素複合体によって酸化されます。
• リン酸キャリア（PiC）は、リン酸（H ₂ PO−4; P _i ) は OH ⁻またはリン酸とプロトン (H ^{+ ) の内膜を介し}た共輸送に使用され、リン酸イオンをミトコンドリア内に移動させる駆動力はプロトン駆動力です。
• ATP -ADPトランスロカーゼ（アデニンヌクレオチドトランスロカーゼ、ANTとも呼ばれる）は、アンチポーターであり、内膜を介してADPとATPを交換します。駆動力は、ATP（−4）がADP（−3）よりも負に帯電しているため、プロトン電気化学勾配の電気成分の一部を消散させるためです。

プロトン電気化学的勾配を用いたこれらの輸送プロセスの結果、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、これによってプロセス全体の理論上の効率が低下し、おそらく最大値は 28～30 個の ATP 分子近くになります。 [5]}実際には、ミトコンドリアの内膜はわずかにプロトンが漏れやすいため、効率はさらに低くなる可能性があります。^[11]他の要因によってもプロトン勾配が消散し、明らかに漏れやすいミトコンドリアが形成される可能性があります。サーモゲニンと呼ば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 合成の間の結合が短絡します。プロトン勾配から得られる位置エネルギーは ATP を作るのには使用されず、熱を生成します。これは、新生児および冬眠中の哺乳類の 褐色脂肪による熱産生において特に重要です。

いくつかの新しい情報源によると、好気呼吸中のATP収量はグルコース1分子あたり36～38ではなく、約30～32ATP分子に過ぎない^[12]。その理由は以下の通りである。

• 酸化的リン酸化中のATP : NADH+H ⁺および ATP : FADH ₂比は、それぞれ 3 と 2 ではなく、2.5 と 1.5 であるように見えます。基質レベルのリン酸化とは異なり、ここでの化学量論を確立することは困難です。
  • ATP 合成酵素は1 ATP / 3 H ^{+を生成します。しかし、} ATP-ADP トランスロカーゼとリン酸キャリアを介したマトリックス ATP と細胞質 ADP および Pi の交換 (OH ⁻との対向輸送または H ⁺との共輸送) では、この移動中に変化した膜電位の再生の結果として1 H ⁺ / 1 ATP が消費されるため、正味の比率は 1 ATP : 4 H ⁺になります。
  • ミトコンドリア電子伝達系 プロトンポンプは、内膜を介して 10 H ⁺ / 1 NADH+H ⁺ (4 + 2 + 4) または 6 H ⁺ / 1 FADH ₂ (2 + 4) を伝達します。

最終的な化学量論は

1 NADH+H ⁺  : 10 H ⁺  : 10/4 ATP = 1 NADH+H ⁺  : 2.5 ATP

1 FADH ₂  : 6 H ⁺  : 6/4 ATP = 1 FADH ₂  : 1.5 ATP

• 解糖系から得られるATP : NADH+H ⁺の酸化リン酸化時の比率は
  • _{1.5、FADH 2}の場合と同様に、水素原子（2H ⁺ +2e ⁻ ）がミトコンドリア内膜にあるグリセロールリン酸シャトルによって細胞質NADH + H ⁺からミトコンドリアFADに転送される場合。
  • 2.5リンゴ酸-アスパラギン酸シャトルの場合、水素原子が細胞質NADH+H ^{+からミトコンドリアNAD +}に輸送される。

最終的に、グルコース1分子あたり

• 基質レベルのリン酸化：解糖系からの2ATP +クレブス回路からの2ATP（直接GTP）
• 酸化リン酸化
  • 解糖系からの2 NADH+H ⁺ : 2 × 1.5 ATP (グリセロールリン酸シャトルが水素原子を転送する場合) または 2 × 2.5 ATP (リンゴ酸-アスパラギン酸シャトル)
  • ピルビン酸の酸化的脱炭酸反応から2 NADH+H ⁺とクレブス回路から6：8 × 2.5 ATP
  • 2 FADH ₂クレブス回路から: 2 × 1.5 ATP

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、新しい構造の詳細が利用可能になると、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 の値は、合成酵素が 1 回転あたり 9 個のプロトンを転座し、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 では 10 個^[13]、脊椎動物では 8 個であることがわかっています。^[14]輸送反応用の1 つの H ^{+ を含めると、1 つの ATP の合成には}酵母で1 + 10/3 = 4.33 個のプロトンが必要であり、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、ヒトのミトコンドリアでは、NADHの酸化から得られる10個のプロトンが2.5個ではなく2.72個のATPを生成し、コハク酸またはユビキノールの酸化から得られる6個のプロトンが1.5個ではなく1.64個のATPを生成することを意味します。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しています。^[15]

エタノール発酵や乳酸発酵におけるATPの総収量は、解糖系から得られる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移行して最終的に二酸化炭素（CO _{2 ）に酸化されるのではなく、}細胞質内でエタノールや乳酸に還元されるためである。^[12]

酸素がなければ、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に細胞質に残り、そこで細胞から除去できる廃棄物に変換されます。これは、電子キャリアを酸化して再び解糖を行えるようにし、余分なピルビン酸を除去するという目的に役立ちます。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、発酵は細胞質内のNADHの蓄積を防ぎ、解糖にNAD ^+を提供します。この廃棄物は生物によって異なります。骨格筋では、廃棄物は乳酸です。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によって結合した水素原子のすべてを処理できません。嫌気性解糖の過程では、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。乳酸の形成は、可逆的な反応で乳酸脱水素酵素によって触媒されます。乳酸は、肝臓グリコーゲンの間接的な前駆物質としても使用できます。回復中に酸素が利用可能になると、NAD + は}乳酸からの水素に結合して ATP を形成します。酵母では、廃棄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 基質レベルの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、好気呼吸で通常グルコース1個あたり38個のATPが生成されるのに対し、グルコース1個あたり2個のATPしか生成されません。しかし、解糖系ATPはより速く生成されます。原核生物が好気環境から嫌気環境に移行したときに急速な成長率を維持するには、解糖反応の速度を上げなければなりません。多細胞生物の場合、短時間の激しい活動中に、筋細胞は発酵を利用して、より遅い好気呼吸によるATP生成を補うため、短距離走など、運動選手がペース配分をする必要がないスポーツの場合のように、酸素レベルが枯渇する前でも細胞が発酵を利用することがあります。

細胞呼吸は、酸素などの無機電子受容体の存在下で生物学的燃料が酸化され、大量のエネルギーが生成され、ATP の大量生産が促進されるプロセスです。

嫌気呼吸は、細菌または古細菌など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ない。むしろ、硫酸塩（SO2−4）、硝酸塩（NO−3）、硫黄（S）が使用される。^[16]このような生物は、水中洞窟や海底の熱水噴出孔の近くなどの珍しい場所や、湿地生態系の無酸素土壌や堆積物でも見つかる可能性がある。 ^{[7] ：66–68}

2019年7月、カナダのキッド鉱山で行われた科学的調査で、地表から7900フィート（2400メートル）下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消費するという点でも注目に値します。^{[17] [18] [19]}

• 維持呼吸：細胞呼吸の機能的要素としての維持
• マイクロ生理測定
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• 呼吸測定：細胞呼吸を研究するための研究ツール
• 塩化テトラゾリウム：細胞呼吸指標
• 複合体1：NADH:ユビキノン酸化還元体

• 呼吸と発酵の詳細な説明
• 細胞呼吸に関するキンボールのオンラインリソース
• クレルモン大学の細胞呼吸と発酵