生物を基礎からわかりやすく！呼吸(異化)の詳しい反応について【解糖系/クエン酸回路/電子伝達系】

呼吸(異化)とは

呼吸(異化)…細胞内で有機物などの呼吸基質を分解して
エネルギーを取り出す働き。
O₂を用いる呼吸とO₂を用いない発酵がある。

代謝　→・同化
         　   ・異化
　　異化　→・呼吸
      　             ・発酵

化学反応式    

※覚える
C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O → 6CO₂ + 12H₂O + 38ATP
グルコース        水:少し必要            水:たくさん出来る

☆1分子のグルコースから、38分子のATPが生成される。

呼吸は次の3つの過程からなる。

解糖系…細胞質基質で行われる。ATPは2分子できる。
↓
クエン酸回路…ミトコンドリアのマトリックスで行われ、
ATPは2分子できる。
↓
電子伝達系…ミトコンドリアのクリステ(内膜)で行われ、
ATPは34分子できる。

図1 ミトコンドリアの構造

呼吸の詳しい反応

解糖系

• 1分子のグルコースが複数の酵素によって徐々に分解され、2分子のピルビン酸になる過程。O₂は反応に使われない。
• 2分子の「NADH + H⁺」と2分子のATPがつくられる。
• 「NADH + H⁺」をつくるときには、脱水素酵素と呼ばれる酵素がはたらく。

クエン酸回路

• CO₂が生じるときには、脱炭酸酵素がはたらく。
• 2分子のピルビン酸は脱水素酵素や炭酸酵素の作用を受け、アセチルCoA(アセチルコエー)になる。
• アセチルCoA【C₂化合物】は、オキサロ酢酸【C₄化合物】と
  結合してクエン酸【C₆化合物】となる。
• 6H₂O(2H₂Oが3箇所)が加わり、全部で8分子の「NADH + H⁺」と2分子の「FADH₂」と6CO₂と2分子のATPが生じる。
  水素分子は全部で20分子。

電子伝達系

解糖系とクエン酸回路で生じた合計24Hが使われる。
24Hは24H⁺と24e^–に分かれ、24e^–は内膜にあるシトクロム(Feを含むタンパク質)を次々と受け渡される。

このときに生じるエネルギーを利用してH⁺がマトリックスから膜間へと能動輸送される。膜間での濃度が高まったH⁺は、ATP合成酵素の中を勢いよく流れてマトリックスへと戻る。

このとき、多量のエネルギーが放出され、34分子のATPがつくられる。これを酸化化リン酸化といい、化学浸透説にもとづく。

H⁺は、酸化酵素(オキシダーゼ)の作用により最後に6O₂と反応して12H₂Oになる。

図 2　呼吸の詳しい反応　模式図

知識の確認

最後に簡単な問題を出したいと思います。ぜひ知識の確認に役立ててみてください。

【問題】

問1：解糖系は何で行われ、ATPは何分子できますか？
問2：クエン酸回路は何で行われ、ATPは何分子できますか？
問3：アセチルCoAとオキサロ酢酸が結合すると何になりますか？
問4：電子伝達系は何で行われ、ATPは何分子てまきますか？

【解答】

問1：細胞質気質、2分子　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　問2：ミトコンドリアのマトリックス、2分子　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　問3：クエン酸　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　問4：ミトコンドリアのクリステ、34分子

まとめ……の前に

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おわりに

今回は呼吸の過程と反応について解説しました。見慣れない単語や複雑な化学式が何度も出てきたと思うので、本記事や自分の参考書などを使って繰り返し学習を行い、定着を図るようにしてください！