細胞呼吸とは？

生物は食物からエネルギーを得ていますが、そのエネルギーは細胞が直接利用することはできません。細胞は、栄養素に蓄えられたエネルギーを、より利用しやすい形であるアデノシン三リン酸（ATP）に変換します。

ATPはエネルギーを化学結合で蓄え、必要なときにすぐに放出できるようにしています。細胞呼吸のエネルギーの多くは熱として放出されますが、一部はATPを作るために使われます。

細胞呼吸では、いくつかの酸化還元反応によって、有機分子から他の分子に電子が移動します。ここで、酸化とは電子を失うこと、還元とは電子を得ることを意味します。電子キャリアーであるNAD⁺とFAD²、およびそれらの還元型であるNADH⁺とFADH²は、細胞呼吸のいくつかのステップに不可欠です。

原核生物の中には、酸素を必要としない嫌気呼吸をするものもありますが、ほとんどの生物は、より多くのATPを生成する好気呼吸をします。好気呼吸は、グルコースと酸素を二酸化炭素と水に分解してATPを生成します。

好気呼吸も嫌気呼吸も、まず酸素を必要としない解糖系から始まります。解糖系では、グルコースがピルビン酸に分解され、ATPが得られます。酸素がない状態では、ピルビン酸は発酵し、解糖を続けるためのNAD⁺を生成します。重要なのは、数種類の酵母がアルコール発酵を利用していることです。人間の筋肉細胞は、酸素が欠乏すると乳酸発酵を利用できます。嫌気呼吸は、発酵で終わります。

しかし、好気呼吸はピルビン酸の酸化で続きます。ピルビン酸の酸化によってアセチル-CoAが生成され、これがクエン酸回路に入ります。クエン酸回路はいくつかの酸化還元反応で構成されており、アセチル-CoAの結合エネルギーを放出し、ATPと還元された電子キャリアであるNADH₂とFADH₂を生成します。

細胞呼吸の最終段階である酸化的リン酸化によって、ATPの大部分が生成されます。NADHとFADH₂は、電子伝達系で電子を受け渡します。電子輸送鎖はエネルギーを放出してプロトンを排出し、ATP合成を可能にするプロトン勾配を作ります