好気性呼吸

定義

好気性呼吸は、生物が酸素を使って、脂肪や糖などの燃料を化学エネルギーに変えるプロセスである。 これに対して、嫌気性呼吸は酸素を使用しません。

呼吸は、すべての細胞で、燃料を細胞プロセスの動力として使用できるエネルギーに変えるために使用されます。 呼吸の産物はアデノシン三リン酸（ATP）と呼ばれる分子で、リン酸結合に蓄えられたエネルギーを使って化学反応に動力を与えます。 これはしばしば細胞の「通貨」と呼ばれます。

好気性呼吸は嫌気性呼吸よりもはるかに効率的で、ATPをより速く生成します。 これは、酸素がATP生成に関わる化学反応の優れた電子受容体だからです。

Aerobic vs Anaerobic

Similarities

有酸素と嫌気性呼吸はどちらもエネルギー生成の手法のひとつです。 また、どちらも解糖というプロセスで始まることも同じです。 「解糖」は文字通り「糖の分解」を意味し、糖分子をより小さな2つの分子に分解する。

解糖の過程では、ATP分子が2つ消費され、4つ生成される。 この結果、解糖によって分解された糖の分子1つにつき、2つのATP分子が生成されることになる。 ここで好気呼吸と嫌気呼吸の共通点がなくなる。

酸素があり好気呼吸ができる細胞では、糖分子は2分子のピルビン酸に分解される。

Differences

解糖後、異なる呼吸化学はいくつかの異なる経路を取ることができます：

• 好気性呼吸を使用して、すべての砂糖分子からATPの38分子をもたらすことになる高効率プロセスで電子伝達鎖を継続する細胞。
• 私たちの筋肉細胞のように、酸素が欠乏しているが通常は嫌気性呼吸を行わない細胞は、解糖の最終生成物を放置して、分割した糖分子あたり2ATPしか得られないことがある。 4370>
• 多くの種類のバクテリアのように嫌気性呼吸のために作られた細胞は、解糖の最終生成物からより多くのエネルギーを取り出すために電子伝達連鎖を継続するかもしれない。

解糖後、呼吸に酸素を使用せず、電子伝達列に進む細胞は、硫酸塩または硝酸塩などの異なる電子受容体を使用して、反応を推進することができる。

これらのプロセスは、”発酵 “と呼ばれる嫌気性呼吸の一種を表している。 発酵反応の中には、アルコールと二酸化炭素を生成するタイプもある。

一方、好気性呼吸は、解糖から残ったピルビン酸を非常に異なる化学的経路で送りますが、そのステップを以下に詳しく説明します。 4713>

1 glucose + 6 O2 → 6 CO2+ 6 H2O + 38 ATP

要約すると、1分子の6炭素グルコースと6分子の酸素が、6分子の二酸化炭素、6分子の水、38分子のATPに変換されることになります。 好気呼吸の反応は、以下の4つの段階に分けることができます。

解糖

解糖は好気呼吸の最初の段階で、細胞の細胞質で起こります。 これは、2つの3炭素ピルビン酸分子に1つの6炭素の糖分子の分裂を伴います。 この過程で2つのATP分子が作られます。

全体の式は次のとおりです：

C6H12O6 + 2 ADP + 2 PI + 2 NAD+ → 2 Pyruvate + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

この過程は補因子NAD+をNADHに還元します。 これは重要なことで、後の細胞呼吸の過程で、NADHはミトコンドリアの電子輸送系を通じてより多くのATPを生成する動力となります。

次の段階で、ピルビン酸は酸化的脱炭酸のプロセスを使用して、クエン酸サイクルの燃料に変えるために処理されます。

ピルビン酸の酸化的脱炭酸

2 (Pyruvate- + Coenzyme A + NAD+ → Acetyl CoA + CO2 + NADH)

酸化的脱炭酸はリンク反応または転移反応と呼ばれ、解糖とクエン酸サイクルの間のリンクとなる反応である。 ピルビン酸はピルビン酸トランスロカーゼと呼ばれるタンパク質を介してミトコンドリアマトリックスに輸送される。 ここで、ピルビン酸はコエンザイムAと結合して二酸化炭素分子を放出し、アセチルCoAを形成する。

アセチルCoAはクエン酸サイクルの理想的な燃料であり、これがミトコンドリアでの酸化的リン酸化のプロセスを促進し、大量のATPを生産するため、この移行反応は重要である。 これは、細胞呼吸のプロセスの後半でより多くのATPを作成するためのより多くの燃料を意味します。

クエン酸サイクル

クエン酸サイクルは、トリカルボキシル酸サイクルまたはクレブスサイクルとも呼ばれており、アセチルCoAで始まる一連の酸化還元反応のことである。 これらの反応は真核細胞のミトコンドリアのマトリックスで行われる。 原核細胞では、細胞質で行われる。 全体の反応は次のとおりです。

2 (ACETYL COA + 3 NAD+ + FAD + ADP + PI → CO2 + 3 NADH + FADH2 + ATP + H+ + COENZYME A)

この反応はグルコース1分子に対して2回起こり、クエン酸サイクルに入るピルビン酸は2分子、それ故、アセチルCoAは2分子生成されるからです。

NADHとFADH2（電子輸送系の電子を運ぶもう一つのキャリアー）の両方が生成されます。

要するに、サイクルの各ラウンドで、2つの炭素がアセチルCoAの形で反応に参加します。 これらにより2分子の二酸化炭素が生成される。 この反応により、3分子のNADHと1分子のFADHが生成される。

酸化的リン酸化

酸化的リン酸化は、好気性呼吸の主要なエネルギー供給段階である。 このプロセスでは、NADH と FADH2 は、細胞呼吸の前の段階でグルコースから得た電子を、ミトコンドリアの膜にある電子輸送鎖に提供します。

電子輸送鎖は、複合体 I、Q、複合体 III、チトクロム C、複合体 IV など、ミトコンドリア膜に埋め込まれた多くのタンパク質複合体から構成されています。

これらはすべて最終的に、エネルギーレベルの高い方から低い方へ電子を渡し、その過程で放出されたエネルギーを採取する役割を果たしています。 このエネルギーは、ATP 形成の動力源となるプロトン ポンプに使用されます。

ちょうど細胞膜のナトリウム-カリウム ポンプのように、ミトコンドリア膜のプロトン ポンプは、他のプロセスに動力を与えるために使用できる濃度勾配を発生させるために使用されます。

NADHとFADH2から得たエネルギーを使って膜を横切って輸送されるプロトンは、濃度の高い領域から低い領域へとチャネルタンパク質を通過することを「望んで」います。 プロトンがATP合成酵素を通過すると、ATPの生成を促します。

このプロセスが、ミトコンドリアが “細胞の発電所” と呼ばれる所以です。 ミトコンドリアの電子輸送鎖は、細胞が食物を分解して生成するすべてのATPの90%近くを作る。

これはまた、酸素を必要とするステップである。 電子輸送チェーンの末端で枯渇した電子を受け入れる酸素分子がなければ、電子が逆流し、ATPの生成プロセスを継続できなくなります。

好気性呼吸と体重減少

好気性呼吸は、食物および酸素を用いて、私たちを含む多くの細胞がエネルギーを生産するプロセスです。 また、二酸化炭素も発生し、それを体外に排出しなければなりません。

好気性呼吸は、私たちが食べ物と酸素の両方を必要とする理由であり、細胞が機能するためのATPを作り出すのに必要とされるからです。 私たちは酸素を吸い込むと、同じ数の二酸化炭素を吐き出します。 炭素原子はどこから来たのでしょうか？ それは、あなたが食べた砂糖や脂肪などの食物から来るのです。

これが、カロリーを消費する活動をしているときに、より強く、より速い呼吸をする理由でもあるのです。 あなたの体は、通常よりも速い速度で酸素と糖の両方を使用しており、細胞を動かすために、より多くのATPと、より多くのCO2廃棄物を作り出しています。

私たちの細胞は通常呼吸に酸素を使っていますが、細胞に酸素分子を供給するより速くATPを使ってしまうと、数分間、細胞が必要量を満たすために嫌気性呼吸を実行できるようになるのです。

面白い事実：嫌気性呼吸による乳酸の蓄積は、激しい運動後に筋肉が痛くなる理由の1つです！

有酸素呼吸の機能

有酸素呼吸ではすべての細胞プロセスの燃料としてエネルギーを供給しています。 この反応によりATPが生成され、成長、修復、維持など、生命を維持する他の機能の動力源として使用されます。 例えば、ATPはナトリウム-カリウムポンプの働きを支え、それによって私たちは体を動かし、思考し、周囲の世界を認識することができるのです。 ATPは、多くの酵素の働きや、生命を維持する無数の他のタンパク質の働きを支えています！

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参考文献

より入手可能。