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生物は、成長、修復、運動、防御、繁殖などの細胞および生物の機能を維持するために、継続的なエネルギーの投入を必要とします。細胞は化学エネルギーを使用して機能に燃料を供給することしかできないため、糖や脂質などの生体分子の化学結合からエネルギーを収集する必要があります。独立栄養生物、すなわち植物、藻類、光合成細菌、化学合成細菌は、光合成中の太陽光などの環境からのエネルギーを利用して、無機材料をそのような生体分子に変換します。従属栄養生物は、無機材料から高エネルギーの生体分子を合成することができないため、他の生物が産生する炭素化合物、主に独立栄養生物から生成される炭素化合物を消費することでエネルギーを得ます。エネルギーが必要な場合、炭素化合物の化学結合が切断され、これらの結合に蓄えられたエネルギーが収集されます。生体分子からエネルギーを収穫するプロセスは、細胞呼吸と呼ばれます。
細胞呼吸は、独立栄養生物と従属栄養生物の両方で発生し、最も一般的にはアデノシン二リン酸(ADP)からアデノシン三リン酸(ATP)への変換を通じてエネルギーが生物に利用可能になります。細胞呼吸には、主に好気性呼吸と嫌気性呼吸の2種類があります。好気性呼吸は、ATPを生成するために酸素(O2)が必要な特定のタイプの細胞呼吸です。この場合、グルコース(C6H12O6)は、一連の酵素反応で完全に酸化して二酸化炭素(CO2)と水(H2O)を生成することができます。
好気性呼吸は3段階で行われます。解糖と呼ばれるプロセスは、グルコースをピルビン酸と呼ばれる2つの3炭素分子に分割します。このプロセスによりエネルギーが放出され、その一部がATPに転送されます。次に、ピルビン酸分子はミトコンドリアに入り、クレブス回路(クエン酸回路とも呼ばれる)と呼ばれる一連の反応に参加します。これにより、グルコースの分解が完了し、エネルギーの一部がATPに収集され、電子がキャリア分子に伝達されます。酸化的リン酸化として知られる最終段階では、電子はミトコンドリア内膜の電子輸送システムを通過し、水素イオンの勾配を維持します。細胞は、このプロトン勾配のエネルギーを利用して、好気性呼吸中にATPの大部分を生成します。
好気性呼吸には酸素が必要ですが、酸素が容易に利用できない場所や他の化学物質が環境を圧倒する場所に生息する生物はたくさんいます。極限環境微生物は、深海の熱水噴出孔や水中洞窟などの場所に生息できる細菌です。これらの生物は、酸素を使用して細胞呼吸を行うのではなく、硝酸塩や硫黄などの無機受容体を使用します。これらは、これらの過酷な環境でより簡単に取得できます。このプロセスは嫌気性呼吸と呼ばれます。
酸素が存在せず、細胞呼吸ができない場合、発酵と呼ばれる特別な嫌気性呼吸が起こります。発酵は、グルコースに蓄えられたエネルギーの一部をATPに取り込むための解糖から始まります。しかし、酸化的リン酸化が起こらないため、発酵は好気性呼吸よりもATP分子の生成が少なくなります。ヒトでは、ミトコンドリアが不足している赤血球や、激しい活動中に筋肉で発酵が起こり、副産物として乳酸が発生するため、乳酸発酵と呼ばれています。一部の細菌は乳酸発酵を行い、ヨーグルトなどの製品を作るために使用されます。酵母では、アルコール発酵として知られるプロセスにより、副産物としてエタノールと二酸化炭素が生成され、人間が飲料を発酵させたり、生地を発酵させたりするために使用されてきました。
細胞呼吸と光合成は、エネルギーと物質の移動の特徴であり、生物と環境およびコミュニティ内の他の生物との相互作用を強調しています。細胞呼吸は個々の細胞内で行われますが、生態系のスケールでは、光合成と細胞呼吸による酸素と二酸化炭素の交換が大気中の酸素と二酸化炭素のレベルに影響を与えます。
興味深いことに、細胞呼吸と光合成のプロセスは互いに正反対であり、一方の反応の生成物はもう一方の反応物です。光合成は、細胞呼吸でATPを作るために使用されるグルコースを生成します。このグルコースは、呼吸中に光合成に使用される反応物であるCO2に変換されます。具体的には、光合成は、太陽光からエネルギーを取り込むことにより、6つのCO2分子と6つのH2O分子から1つのグルコース分子を構成し、副産物として6つのO2分子を放出します。細胞呼吸は、6つのO2分子を使用して、1つのグルコース分子を6つのCO2分子と6つのH2O分子に変換し、ATPと熱などのエネルギーを利用します。
科学者は、酸素の交換速度を評価することにより、呼吸計を使用して細胞呼吸速度を測定できます。理想気体の法則を理解することは、呼吸計がどのように機能するかを知るために基本的に重要です。理想気体の法則では、容器内の気体分子の数は、圧力、体積、温度から決定できるとされています。より具体的には、ガスの体積と圧力の積は、ガス分子の数、理想ガス定数、およびガスの温度の積に等しくなります。呼吸計には、呼吸によって生成される二酸化炭素を炭酸カリウムとして固体の形で閉じ込める水酸化カリウムが含まれています。細胞が酸素を消費すると、呼吸計システム内のガス量は減少し、二酸化炭素は戻って増加しないため、科学者は理想気体方程式を使用して使用される酸素量を計算できます。
細胞呼吸は、生物にとって使用可能なエネルギーを生み出す重要なプロセスであるため、それが改善または妨げられる状況を研究することは興味深いだけでなく、必要でもあります。特に、ミトコンドリアは細胞呼吸に不可欠であり、ミトコンドリアの健康に影響を与えるあらゆる状態は、生物の健康に計り知れない影響を及ぼします。例えば、ミトコンドリアミオパチーは、ミトコンドリアの損傷によって引き起こされる神経筋疾患のグループであり、主に神経細胞や筋肉細胞に影響を及ぼし、これらの機能には高レベルのエネルギーが必要です1。さらに、多くの毒物は細胞呼吸を阻害することによって機能します。例えば、シアン化物は酸化的リン酸化を通じてATPの産生を阻害するため、シアン化物やその他の代謝毒物のメカニズムを理解することで、それらに曝露された個人の治療が可能になります2。同様に、特定の抗生物質、化学療法薬、スタチン、麻酔薬などの一部の薬物もミトコンドリア機能を妨げる可能性があり、ミトコンドリア障害を有する患者の治療には適していない可能性がある3。
生きているすべてのものは、その活動に燃料を供給するためのエネルギー源を必要とします。結局のところ、そのエネルギー源は太陽です。では、地球上の生物は、このエネルギーをどのように利用していたのでしょうか。すべてはフォトシンセサイザーから始まります。これらの生物は、二酸化炭素と水を取り、太陽から捕捉したエネルギーを光子として使用してこれらの分子を強制的にまとめ、グルコースと酸素を生成することができます。グルコースは、ほぼすべての生物が何らかの形で使用している次の重要なステップ、つまり細胞呼吸の鍵です。細胞呼吸は、原核生物の細胞膜または真核生物のミトコンドリアのいずれかで、酵素によって行われます。
化学反応は、酸素を使ってブドウ糖を分解して再び二酸化炭素と水を作ることから始まりますが、その過程で、もともとブドウ糖分子を作るために費やされたエネルギーが2つの新しい場所に行きます。1つは、細胞が容易に利用できるエネルギー源であるATP(アデノシン三リン酸分子)の合成です。残りは熱として失われます。これまで、酸素を使用する一種の細胞呼吸について話してきましたが、これは好気性呼吸と呼ばれますが、一部の生物や細胞は酸素がなくても呼吸を行うことができます。これは嫌気性呼吸と呼ばれます。そして、このプロセスはCO2と水を生成する代わりに、副産物としてエタノールを作ります。発酵はこのタイプの呼吸の一例です。これが、酵母が密閉容器でアルコールを生成することができる方法です。呼吸計と呼ばれるツールを使用して、好気性呼吸を測定できます。簡単に言えば、このデバイスは生物が使用する酸素の量を測定し、この場合は植物の種子を発芽させます。発芽した種子は呼吸しているので、酸素を使い果たして二酸化炭素を放出していると予想できます。まだ緑色の部分がないので、光合成をしていません。
呼吸計での呼吸の測定は、P×Vはn×R×Tに等しいという理想気体の法則に基づく巧妙な方法を使用します。Vはガスの体積です。nは存在するガスのモル数です。Rは理想気体定数、Tは絶対温度です。簡単にまとめると、これは、Rが定数であるため、圧力と温度がわかっていると仮定して、サンプルの体積を測定することで、サンプルに存在するガスの分子の数を把握できることを意味します。
呼吸計には水酸化カリウムが含まれており、炭酸カリウムとして二酸化炭素を固体の形で閉じ込めます。そのため、細胞呼吸により、密閉されたチューブ内の酸素が種子によって使い果たされ、種子から二酸化炭素が放出され、それが炭酸カリウムとして閉じ込められます。したがって、細胞呼吸が進行すると、システム内のガスの総量は減少します。これは、呼吸計をマノメーターと呼ばれるデバイスに取り付けることで定量化できます。ここでは、酸素分子が消費されると、呼吸計チャンバー内の圧力が低下し、小さな毛細管内の色付きの液体が圧力が低下した方向に引っ張られます。次に、圧力計レベルの値を読み取ることにより、呼吸計チューブに残っているガスの量を推定できます。この汎用性の高いシステムは、たとえばさまざまな温度など、さまざまな変数で設定でき、さまざまな種類の生物の呼吸数をテストするために使用できます。
このラボでは、呼吸計と圧力計を使用して、発芽する種子の呼吸数を測定します。
