人間の細胞呼吸

定義

好気性（古代ギリシャ語の「空気」-空気から）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）を使用して人間のブドウ糖や脂肪酸などの栄養素の分解を説明します。その過程で、栄養素は酸化されます。つまり、栄養素は電子を放出しますが、酸素は還元されます。つまり、栄養素は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。

細胞呼吸の機能と課題

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、心臓の鼓動、唾液や髪の毛作り、そして消化さえもすべて機能するためにエネルギーを必要とします。

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、体がエネルギーの豊富な物質を燃やし、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必要があるため、私たちの生存に不可欠です。

体は多くの異なる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、主要なエネルギー担体であり、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離された最終製品です。
• 脂肪酸とグリセリンは脂肪の分解の最終生成物であり、エネルギー生産にも使用できます
• エネルギー担体の最後のグループはアミノ酸であり、タンパク質分解の産物として残されます。体内で特定の変化が起こった後、これらは細胞呼吸にも使用でき、したがってエネルギー生成にも使用できます。

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人体が使用する最も一般的なエネルギー源はブドウ糖です。最終的に酸素の消費を伴う生成物CO2とH2Oにつながる一連の反応があります。このプロセスには、 解糖、だから ブドウ糖の分割 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 クエン酸回路 (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生成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れ込むプロセスは、 ベータ酸化.

したがって、クエン酸回路は、すべてのエネルギー源をエネルギー代謝に供給することができる一種の入口点です。サイクルはで行われます 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に、いくらかのエネルギーはATPの形で消費されますが、例えば解糖系の場合のように、それはすでに得られています。さらに、主に他の中間エネルギー貯蔵装置（NADH、FADH2など）があり、エネルギー生成中に中間エネルギー貯蔵装置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、呼吸鎖としても知られる酸化的リン酸化のステップに流れ込みます。これは、これまですべてのプロセスが機能してきたステップです。ミトコンドリアでも発生する呼吸鎖もいくつかのステップで構成されており、エネルギーが豊富な中間貯蔵分子から汎用のエネルギーキャリアATPが取得されます。合計で、1つのグルコース分子の分解は合計32のATP分子をもたらします。

特に興味のある方へ

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ミトコンドリア二重膜の空洞にプロトン（H +イオン）を送り込むポンプとして機能するため、そこには高濃度のプロトンが存在します。これにより、膜間腔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、最終的には、ある種の水車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、タンパク質はADPとリン酸基からATP分子を合成します。

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ATP

ザ・ アデノシン三リン酸 (ATP）は人体のエネルギーキャリアです。細胞呼吸から生じるすべてのエネルギーは、最初はATPの形で蓄えられます。体はそれがATP分子の形である場合にのみエネルギーを使用することができます。

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を継続的に再生して、体が再び使用できるようにするという目的を果たします。

反応式

脂肪酸は長さが異なり、アミノ酸も構造が非常に異なるため、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。すべての構造変化がクエン酸回路のどのステップ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、グルコースの分解について方程式を最もよく説明することができます。グルコース分子（C6H12O6）と6つの酸素分子（O2）は、合計6つの二酸化炭素分子（CO2）と6つの水分子（H2O）になります。

• C6H12O6 + 6O2は6CO2 + 6H2O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、発酵中の酵母などの他の細胞でも起こります。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存在します。このプロセスは、ATPの2つの分子とNADH + H +の2つの分子の形でエネルギーを生成します。解糖系は、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への分解経路を表しています。解糖系は、すべての動植物細胞の細胞質ゾルで起こります。 。解糖の最終生成物はピルビン酸であり、これは中間ステップを介してクエン酸回路に導入することができます。

反応を実行できるようにするために、解糖系ではグルコース分子ごとに合計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分子の正味の増加があります。

解糖は、6つの炭素原子を持つ糖がそれぞれ3つの炭素原子で構成される2つのピルビン酸分子に変わるまでの10の反応ステップです。最初の4つの反応ステップでは、糖は2つのリン酸塩と転位の助けを借りてフルクトース-1,6-ビスリン酸塩に変換されます。この活性化された糖は、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。さらなる転位と2つのリン酸基の除去により、最終的に2つのピルビン酸が生成されます。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代謝されてアセチルCoAになり、クエン酸回路に導入されます。全体として、ATPの2つの分子とNADH + H +の2つの分子による解糖は比較的低いエネルギー収量を持っています。しかし、それは糖のさらなる分解の基礎を築くため、細胞呼吸におけるATPの生成に不可欠です。

この時点で、好気性解糖と嫌気性解糖を分離することは理にかなっています。好気性解糖は、上記のピルビン酸をもたらし、これを使用してエネルギーを生成することができます。
対照的に、酸素欠乏の条件下で行われる嫌気性解糖は、クエン酸回路が酸素を必要とするため、ピルビン酸を使用できなくなります。解糖の文脈では、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んでおり、好気性条件下でクレブス回路にも流れ込みます。ただし、解糖を維持するには、親分子NAD +が必要です。これが、体がここで「酸っぱいリンゴ」を「噛み」、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から形成されます。

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• 乳酸
• 嫌気性作業閾値

呼吸鎖とは何ですか？

呼吸鎖は、ブドウ糖分解経路の最後の部分です。解糖系とクエン酸回路で糖が代謝された後、呼吸鎖は、生成された還元等価物（NADH + H +およびFADH2）を再生する機能を持ちます。これにより、ユニバーサルエネルギーキャリアATP（アデノシン三リン酸）が作成されます。クエン酸回路と同様に、呼吸鎖はミトコンドリアに位置しているため、「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ている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腔に輸送されます。次の3つの酵素複合体のそれぞれの膜間腔にも2つのプロトンが送り込まれます。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、プロトンは膜間腔からATPシンターゼを通ってマトリックス空間に逆流します。放出されたエネルギーは、最終的に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ます。呼吸鎖の別のタスクは、還元等価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、電子を酸素に移すことによって行われます。電子、プロトン、酸素を結合することにより、通常の水が4番目の酵素複合体（チトクロームcオキシダーゼ）で生成されます。これはまた、呼吸鎖が十分な酸素がある場合にのみ発生することができる理由を説明しています。

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にのみ見られる細胞小器官です。それらは、細胞呼吸が起こるので、「細胞の発電所」とも呼ばれます。細胞呼吸の最終産物はATP（アデノシン三リン酸）です。これは、人体全体に必要な普遍的なエネルギーキャリアです。ミトコンドリアの区画化は、細胞呼吸の前提条件です。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るため、膜間腔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 +）が膜間腔に輸送されるため、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等価物に由来し、それによってNAD +およびFADに再生されます。

ATP合成酵素は呼吸鎖の最後の酵素であり、ATPが最終的に生成されます。濃度の違いによって駆動され、プロトンは膜間腔からATP合成酵素を通ってマトリックス空間に流れ込みます。この正電荷の流れは、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を放出します。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、クエン酸回路）がミトコンドリアで起こります。この空間的な近接性は別の利点であり、ミトコンドリアを細胞呼吸にとって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、グルコースあたり32個のATP分子が形成されます。

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

(明確にするために、ADPおよびリン酸残基Piは抽出物から省略されています。)

嫌気性条件下、つまり酸素が不足している場合、クエン酸回路は実行できず、エネルギーは好気性解糖によってのみ取得できます。

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

細胞呼吸に関連する病気

ザ・ 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をコードする遺伝子、たとえば解糖系の酵素の多くの突然変異は致命的です（致命的）です。ただし、細胞呼吸の遺伝病は発生します。これらは、核DNAおよびミトコンドリアDNAに由来する可能性があります。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、これらの病気はすべて共通点があるため、同様の症状を示します。それは、細胞呼吸に介入してそれを妨害することです。

細胞呼吸器疾患は、しばしば同様の臨床症状を示します。ここでは特に重要です 組織の障害, たくさんのエネルギーが必要です。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、出生時ではないにしても、若い年齢でもしばしば発生します。また、発音を話します 乳酸アシドーシス （ピルビン酸がクエン酸回路で十分に分解できないために蓄積する乳酸による体の過剰酸性化）。内臓も機能不全になる可能性があります。

細胞呼吸の病気の診断と治療は専門家に引き継がれるべきです。なぜなら、臨床像は非常に多様で異なっていることが判明する可能性があるからです。今日の時点でまだです 因果的および治癒的治療なし 与える。病気は対症療法でのみ治療することができます。

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、子供を産みたい場合は、遺伝の確率を推定できるのは専門家に連絡する必要があります。