人間の細胞呼吸

定義

好気性（古代ギリシャの「aer」から-空気）とも呼ばれる細胞呼吸は、細胞の生存に必要なエネルギーを生成するために酸素（O2）を消費しながら、人間のブドウ糖や脂肪酸などの栄養素の分解を表します。栄養素は酸化されます。酸素が減少すると電子を放出します。つまり、電子を受け取ります。酸素と栄養素から生じる最終生成物は、二酸化炭素（CO2）と水（H2O）です。

細胞呼吸の機能とタスク

人体のすべてのプロセスはエネルギーを必要とします。運動、脳機能、鼓動、唾液や髪の毛の形成、さらには消化には、機能するためにエネルギーが必要です。

さらに、体は生き残るために酸素を必要とします。ここでは細胞呼吸が特に重要です。これとガス酸素の助けを借りて、体はエネルギーの豊富な物質を燃焼させ、それらから必要なエネルギーを得ることが可能です。酸素自体は私たちにエネルギーを提供しませんが、体内で化学燃焼プロセスを実行するために必要であり、したがって私たちの生存に不可欠です。

体はさまざまな種類のエネルギーキャリアを知っています。

• ブドウ糖（砂糖）は主要なエネルギー源であり、基本的な構成要素であり、すべてのでんぷん質の食品から分割された最終製品です
• 脂肪酸とグリセリンは脂肪分解の最終産物であり、エネルギー生産にも使用できます
• エネルギー源の最後のグループは、タンパク質分解の産物として残っているアミノ酸です。体内での特定の変換後、これらは細胞呼吸にも使用できるため、エネルギー生成にも使用できます

これについてもっと読む 運動と脂肪燃焼

人体が使用する最も一般的なエネルギー源はグルコースです。最終的に酸素を消費してCO2とH2Oを生成する一連の反応があります。このプロセスには、 解糖なので、 ブドウ糖の分裂 と製品の転送、 ピルビン酸 の中間ステップを介して アセチルCoA の中に クエン酸サイクル (同義語：クエン酸回路またはクレブス回路）。アミノ酸や脂肪酸などの他の栄養素の分解産物もこのサイクルに流れ込みます。脂肪酸が「分解」されてクエン酸回路にも流入するプロセスは、 ベータ酸化.

したがって、クエン酸サイクルは、すべてのエネルギー担体をエネルギー代謝に供給することができる一種の入口です。サイクルは ミトコンドリア 代わりに、人間の細胞の「エネルギー発電所」。

これらすべてのプロセスの間、一部のエネルギーはATPの形で消費されますが、たとえば解糖の場合のように、すでに得られています。さらに、主に他の中間エネルギーストア（NADH、FADH2など）があり、これらはエネルギー生成時に中間エネルギーストアとしての機能のみを果たします。次に、これらの中間貯蔵分子は、細胞呼吸の最後のステップ、つまり呼吸鎖とも呼ばれる酸化的リン酸化のステップに流れ込みます。これは、これまでにすべてのプロセスが機能してきたステップです。同様にミトコンドリアで行われる呼吸鎖も、エネルギー豊富な中間貯蔵分子を使用して多目的エネルギー担体ATPを抽出するいくつかのステップで構成されます。合計で、1つのグルコース分子の分解により、合計32のATP分子が生成されます。

特に興味のある方

呼吸鎖には、ここで非常に興味深い役割を果たすさまざまなタンパク質複合体が含まれています。それらは、中間貯蔵分子を消費しながらプロトン（H +イオン）をミトコンドリアの二重膜の空洞に送り込むポンプとして機能するため、そこに高濃度のプロトンが存在します。これにより、膜間空間とミトコンドリアマトリックスの間に濃度勾配が生じます。この勾配の助けを借りて、最終的にあるタイプの水力タービンと同じように機能するタンパク質分子があります。プロトンのこの勾配によって駆動されるこのタンパク質は、ADPとリン酸基からATP分子を合成します。

詳細については、こちらをご覧ください。 呼吸鎖とは何ですか？

ATP

の アデノシン三リン酸 (ATP）は人体のエネルギー運搬体です。細胞呼吸から生じるすべてのエネルギーは、最初はATPの形で保存されます。体は、ATP分子の形である場合にのみエネルギーを使用できます。

ATP分子のエネルギーが使い果たされると、ATPからアデノシン二リン酸（ADP）が生成され、分子のリン酸基が分離されてエネルギーが放出されます。細胞呼吸またはエネルギー生成は、いわゆるADPからATPを継続的に再生し、体がそれを再び使用できるようにする目的を果たします。

反応方程式

脂肪酸は長さが異なり、アミノ酸も非常に異なる構造をしているため、これら2つのグループの単純な方程式を設定して、細胞呼吸におけるエネルギー収量を正確に特徴付けることはできません。なぜなら、すべての構造変化がクエン酸サイクルのどの段階でアミノ酸が流れるかを決定できるからです。
いわゆるベータ酸化における脂肪酸の分解は、それらの長さに依存します。脂肪酸が長ければ長いほど、それらからより多くのエネルギーを得ることができます。これは、飽和脂肪酸と不飽和脂肪酸の間で異なり、不飽和脂肪酸は、同じ量であれば、最小限のエネルギーしか提供しません。

すでに述べた理由により、ブドウ糖の分解の方程式を最もよく説明できます。これにより、グルコース分子（C6H12O6）と6つの酸素分子（O2）から合計6つの二酸化炭素分子（CO2）と6つの水分子（H2O）が作成されます。

• C6H12O6 + 6 O2は6 CO2 + 6 H2Oになります

解糖とは何ですか？

解糖は、ブドウ糖、すなわちブドウ糖の分解を説明します。この代謝経路は、ヒト細胞だけでなく他の細胞でも起こります。発酵中の酵母の場合。細胞が解糖を行う場所は細胞質です。ここには、ATPを直接合成し、クエン酸回路の基質を提供するために解糖反応を加速する酵素があります。このプロセスは、2分子のATPと2分子のNADH + H +の形でエネルギーを生成します。解糖は、どちらもミトコンドリアにあるクエン酸回路と呼吸鎖とともに、単純な糖グルコースからユニバーサルエネルギーキャリアATPへの分解を表します。解糖は、すべての動植物細胞のサイトゾルで起こります。解糖の最終生成物はピルビン酸であり、中間段階を介してクエン酸回路に導入できます。

解糖系では、反応を実行できるようにするために、グルコース分子あたり合計2つのATPが使用されます。ただし、4つのATPが得られるため、実質的に2つのATP分子の純利益があります。

6つの炭素原子を持つ糖がピルビン酸の2つの分子になり、それぞれが3つの炭素原子で構成されるまで、解糖は10反応ステップです。最初の4つの反応ステップでは、2つのリン酸と転位を利用して、糖がフルクトース-1,6-二リン酸に変換されます。この活性化糖は、それぞれ3つの炭素原子を持つ2つの分子に分割されます。さらなる転位および2つのリン酸基の除去は、最終的に2つのピルビン酸塩をもたらす。酸素（O2）が利用できるようになった場合、ピルビン酸はさらにアセチル-CoAに代謝され、クエン酸回路に導入されます。全体として、2分子のATPと2分子のNADH + H +による解糖は、エネルギー収量が比較的低くなります。しかし、それは砂糖のさらなる分解のための基礎を築くため、細胞呼吸におけるATPの生産に不可欠です。

この時点で、好気性と嫌気性解糖を分離することは理にかなっています。好気性解糖により、上記のピルビン酸が生成され、エネルギーの生成に使用できます。
一方、酸素欠乏の条件下で起こる嫌気性解糖は、クエン酸回路が酸素を必要とするため、ピルビン酸塩はもはや使用できません。解糖系の状況では、中間貯蔵分子NADHも作成されます。これは、それ自体がエネルギーに富み、好気性条件下でクレブス回路にも流入します。ただし、親分子NAD +は解糖を維持するために必要です。これが、体がここで「酸っぱいリンゴ」を「噛んで」、この高エネルギー分子を元の形に戻す理由です。ピルビン酸塩は、反応を実行するために使用されます。いわゆる乳酸または乳酸は、ピルビン酸塩から形成されます。

これについてもっと読む

• 乳酸
• 嫌気性閾値

呼吸鎖とは何ですか？

呼吸鎖は、グルコース分解経路の最後の部分です。解糖およびクエン酸サイクルで糖が代謝された後、呼吸鎖は、生成された還元相当物（NADH + H +およびFADH2）を再生する機能を持ちます。これは普遍的なエネルギーキャリアATP（アデノシン三リン酸）を作成します。クエン酸回路と同様に、呼吸鎖はミトコンドリアにあり、したがって「細胞の発電所」とも呼ばれます。呼吸鎖は、ミトコンドリア内膜に埋め込まれた5つの酵素複合体で構成されています。最初の2つの酵素複合体はそれぞれ、NADH + H +（またはFADH2）をNAD +（またはFAD）に再生します。 NADH + H +の酸化中に、4つのプロトンがマトリックス空間から膜間空間に輸送されます。 2つのプロトンは、次の3つの酵素複合体の膜間空間にも送り込まれます。これにより、ATPの生成に使用される濃度勾配が作成されます。この目的のために、陽子は膜間空間からATPシンターゼを通ってマトリックス空間に戻ります。放出されたエネルギーは、ADP（アデノシン二リン酸）とリン酸から最終的にATPを生成するために使用されます。呼吸鎖の別のタスクは、還元相当物の酸化によって生成された電子を遮断することです。これは、電子を酸素に転送することによって行われます。電子、プロトン、酸素を結合させることにより、4番目の酵素複合体（チトクロームcオキシダーゼ）で通常の水が生成されます。これは、十分な酸素がある場合にのみ呼吸鎖が発生する理由も説明します。

細胞呼吸におけるミトコンドリアの役割は何ですか？

ミトコンドリアは真核細胞でのみ見られる細胞小器官です。それらは細胞呼吸が行われるため、「細胞の発電所」とも呼ばれます。細胞呼吸の最終生成物はATP（アデノシン三リン酸）です。これは、人体全体で必要とされる普遍的なエネルギー担体です。ミトコンドリアのコンパートメントは、細胞呼吸のための前提条件です。これは、ミトコンドリアに別々の反応空間があることを意味します。これは、内膜と外膜によって達成され、膜間空間と内部マトリックス空間があります。

呼吸鎖の過程で、プロトン（水素イオン、H +）が膜間空間に輸送されるため、プロトン濃度に差が生じます。これらのプロトンは、NADH + H +やFADH2などのさまざまな還元同等物に由来し、それによってNAD +およびFADに再生されます。

ATPシンターゼは呼吸鎖の最後の酵素で、そこでATPが最終的に生成されます。濃度の違いにより、プロトンは膜間空間からATPシンターゼを通ってマトリックス空間に流れ込みます。この正電荷の流れにより、ADP（アデノシン二リン酸）とリン酸からATPを生成するために使用されるエネルギーが解放されます。ミトコンドリアは二重膜のために2つの反応空間があるため、呼吸鎖に特に適しています。さらに、呼吸鎖の出発物質（NADH + H +、FADH2）を提供する多くの代謝経路（解糖、クエン酸サイクル）は、ミトコンドリアで行われます。この空間的近接性は別の利点であり、ミトコンドリアを細胞呼吸に理想的な場所にします。

ここでは、呼吸鎖のトピックに関するすべてを見つけることができます

エネルギーバランス

グルコースの場合の細胞呼吸のエネルギーバランスは、次のように要約できます。グルコースあたり32のATP分子が形成されます。

C6H12O6 + 6 O2は6 CO2 + 6 H2O + 32 ATPになります

(明確にするために、ADPとリン酸残基Piは抽出物から省略されています。)

嫌気性条件、つまり酸素がない状態では、クエン酸回路は実行できず、好気性解糖によってのみエネルギーを得ることができます。

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADPは、2乳酸+ 2 ATPになります。 + 2 H2O。したがって、好気性解糖の場合と同様に、グルコース分子あたりの割合の約6％しか得られません。

細胞呼吸に関連する疾患

の 細胞呼吸は生存に不可欠ですつまり細胞呼吸のタンパク質に関与する遺伝子の多くの変異、例えば解糖、コーディング、致死の酵素（致命的な）あります。ただし、細胞呼吸の遺伝病は発生します。これらは、核DNAまたはミトコンドリアDNAに由来します。ミトコンドリア自体には、細胞呼吸に必要な独自の遺伝物質が含まれています。しかし、これらの疾患はすべて共通点が1つあるため、同様の症状を示します。つまり、細胞呼吸に介入してそれを混乱させます。

細胞性呼吸器疾患はしばしば同様の臨床症状を示します。ここで特に重要です 組織の障害, たくさんのエネルギーを必要とする。これらには特に神経、筋肉、心臓、腎臓、肝臓の細胞が含まれます。筋力低下や脳損傷の兆候などの症状は、出生時ではないにせよ、若い年齢でもしばしば発生します。また、発音も話す 乳酸アシドーシス （乳酸による体の過度の酸性化。これは、ピルビン酸塩がクエン酸回路で十分に分解されないために蓄積されます）。内臓も誤動作する可能性があります。

細胞呼吸の疾患の診断と治療は、臨床像が非常に多様で異なる可能性があるため、専門家が実施する必要があります。今日でもまだです 因果的治療法はない 与える。病気は対症療法でしか治療できません。

ミトコンドリアDNAは非常に複雑な方法で母親から子供に受け継がれるため、細胞呼吸の病気に苦しむ女性は、遺伝の確率を推定することができるだけなので、子供が欲しい場合は専門家に相談する必要があります。