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好気性呼吸は、「細胞呼吸」と同じ意味でよく使用される用語で、生物が酸素の存在下で炭素化合物の化学結合に蓄積されたエネルギーを抽出し、この抽出したエネルギーを代謝に使用するための驚くほど高収率の方法ですプロセス。真核生物（すなわち、動物、植物、菌類）はすべて、主にミトコンドリアと呼ばれる細胞小器官の存在のおかげで、好気性呼吸を利用しています。いくつかの原核生物（バクテリア）は、より初歩的な好気性呼吸経路を利用しますが、一般に、「好気性呼吸」を見るときは、「多細胞真核生物」と考える必要があります。
しかし、それはあなたの心に飛び込むべきすべてではありません。以下は、好気性呼吸の基本的な化学経路、なぜそれが本質的な一連の反応であるか、生物学的および地質学的な歴史の中でそれがどのように始まったのかについて知る必要があるすべてを示しています。
好気性呼吸の化学的要約
すべての細胞栄養代謝はグルコースの分子から始まります。グルコース自体は単純な炭水化物ですが、この6炭素の砂糖は、3つの主要栄養素クラス（炭水化物、タンパク質、脂肪）のすべての食品に由来します。酸素の存在下で、グルコースは約20の反応の連鎖で変換および分解され、二酸化炭素、水、熱、およびすべての生きている細胞で最もよく使用される36または38分子のアデノシン三リン酸（ATP）を生成します直接的な燃料源としての物。好気性呼吸によって生成されるATPの量の変動は、植物細胞が時々1つのグルコース分子から38 ATPを圧搾する一方で、動物細胞はグルコース分子あたり36 ATPを生成するという事実を反映しています。このATPは、遊離のリン酸分子（P）とアデノシン二リン酸（ADP）の組み合わせから生じます。このほとんどは、電子輸送チェーンの反応における好気性呼吸の非常に後期に発生します。
好気性呼吸を説明する完全な化学反応は次のとおりです。
C6H12O6 + 36（または38）ADP + 36（または38）P + 6O2 →6CO2 + 6H2O + 420 kcal + 36（または38）ATP。
この形式では、反応自体は十分に単純に見えますが、方程式の左側（反応物）から右側（生成物、420キロカロリーの解放された熱を含む生成物）に到達するために必要な多数のステップに反しています）。慣例により、反応の全体のコレクションは、それぞれが起こる場所に基づいて3つの部分に分割されます：解糖（細胞質）、クレブス回路（ミトコンドリアマトリックス）、および電子伝達鎖（ミトコンドリア内膜）。しかし、これらのプロセスを詳細に調査する前に、好気性呼吸がどのように地球上で始まったのかを見ることが適切です。
地球の起源または好気性呼吸
好気性呼吸の機能は、細胞や組織の修復、成長、維持のための燃料を供給することです。これは、好気性呼吸が真核生物を生かし続けることに気づく正式な方法です。ほとんどの場合、食物なしで何日も、そして水なしで少なくとも数日行くことができますが、酸素なしでほんの数分です。
酸素（O）は、通常の空気中に2原子型のO2。この要素は、ある意味で1600年代に発見されました。科学者にとって、空気には動物の生存に不可欠な要素が含まれていることが明らかになりました。呼吸。
酸素は、呼吸するガスの混合物の約5分の1を構成します。しかし、惑星の45億年の歴史の中で常にそうであったわけではなく、地球大気中の酸素量の変化は予想通りでした生物学的進化に対する深遠な影響。惑星の現在の寿命の前半には、 番号 空気中の酸素。 17億年前までに、大気は4パーセントの酸素で構成され、単細胞生物が出現していました。 7億年前までに、O2 空気の10〜20％を占め、より大きな多細胞生物が出現しました。 3億年前の時点で、酸素含有量は空気の35％に上昇しており、それに応じて恐竜や他の非常に大きな動物が標準でした。後で、Oが保有する空気の割合2 今日の状態に再び上昇するまで、15％に低下しました。
このパターンのみを追跡することにより、酸素の究極の機能は動物を大きくすることである可能性が非常に高いと思われます。
解糖：普遍的な出発点
解糖系の10の反応自体は酸素の進行を必要とせず、解糖系は原核生物と真核生物のすべての生物である程度発生します。しかし、解糖は、細胞呼吸の特定の好気性反応の必要な前駆体であり、通常、これらと一緒に記述されます。
六角形の環構造を持つ6炭素の分子であるグルコースが細胞の細胞質に入ると、すぐにリン酸化されます。つまり、その炭素の1つにリン酸基が結合しています。これは、正味の負電荷を与えることにより、細胞内のグルコース分子を効果的にトラップします。その後、分子はリン酸フルクトースに再配置され、原子の損失や増加なしに、さらに別のリン酸塩が分子に追加されます。これにより、分子が不安定になり、3つの炭素化合物のペアに断片化されます。各化合物には、独自のリン酸が結合しています。これらの一方が他方に変換された後、一連のステップで、2つの3炭素分子がリン酸をADP（アデノシン二リン酸）分子に放出して2 ATPを生成します。元の6炭素のグルコース分子は、ピルビン酸と呼ばれる3炭素の分子の2つの分子として生成され、さらに、NADHの2つの分子（詳細は後述）が生成されます。
クレブスサイクル
ピルビン酸は、酸素の存在下で、ミトコンドリアと呼ばれる細胞内小器官のマトリックス（「中間」と考えられます）に移動し、アセチル補酵素A（アセチルCoA）と呼ばれる2炭素化合物に変換されます。プロセスでは、二酸化炭素の分子（CO2）。プロセスでは、NADの分子+ （いわゆる高エネルギー電子キャリア）はNADHに変換されます。
クエン酸回路またはトリカルボン酸回路とも呼ばれるクレブス回路は、その製品の1つである4炭素分子のオキサロ酢酸が、次のものと結合してサイクルの開始点に再び入るため、反応ではなくサイクルと呼ばれます。アセチルCoAの分子。これにより、クエン酸と呼ばれる6炭素分子が生成されます。この分子は一連の酵素によって操作され、アルファ-ケトグルタル酸と呼ばれる5つの炭素の化合物になります。アルファ-ケトグルタル酸は、別の炭素を失い、コハク酸を生成します。炭素が失われるたびに、COの形になります2、これらの反応はエネルギー的に有利であるため、各二酸化炭素の損失には別のNADの変換が伴います+ NADへ。コハク酸塩の形成は、ATPの分子も作成します。
コハク酸塩はフマル酸塩に変換され、FADHの1分子を生成します2 FADから2+ （NADに似た電子キャリア+ 機能内）。これはリンゴ酸に変換され、別のNADHが生成され、オキサロ酢酸に変換されます。
スコアを保持している場合、3 NADH、1 FADHを数えることができます2 クレブスサイクルのターンごとに1 ATP。しかし、各グルコース分子は、サイクルに入るためにアセチルCoAの2つの分子を供給するため、合成されるこれらの分子の合計数は6 NADH、2 FADH2 および2 ATP。したがって、クレブスサイクルは、多くのエネルギーを直接生成せず（上流に供給されるグルコース1分子あたり2 ATPのみ）、酸素も必要ありません。しかし、NADHとFADH2 に重要です 酸化的リン酸化 電子輸送チェーンと総称される次の一連の反応のステップ。
電子輸送チェーン
NADHおよびFADHのさまざまな分子2 細胞呼吸の前のステップで作成されたクリステと呼ばれる内側のミトコンドリア膜のひだに発生する電子輸送チェーンで使用する準備ができています。簡単に言えば、NADに付着した高エネルギー電子+ とFAD2+ 膜全体にプロトン勾配を作成するために使用されます。これは、より高い濃度のプロトン（H+ イオン）膜の一方の側よりも他方の側で、これらのイオンがより高いプロトン濃度の領域からより低いプロトン濃度の領域に流れるための推進力を作成します。このように、陽子は、たとえば、高地の地域から低地の地域に移動する「希望」する水とは少し異なる動作をします。ここでは、いわゆる化学浸透圧勾配ではなく重力の影響下で電子輸送チェーン。
流れる水のエネルギーを利用して他の場所で仕事をする（その場合、電気を生成する）水力発電所のタービンのように、膜全体のプロトン勾配によって確立されたエネルギーの一部は、ADPに遊離リン酸基（P）を結合するために捕捉されますATPを生成する分子、リン酸化と呼ばれるプロセス（およびこの場合、酸化的リン酸化）。実際、これは、NADHとFADHのすべてが2 解糖系とクレブス回路（前者の約10個と後者の2個）が利用されます。これにより、グルコース分子あたり約34分子のATPが生成されます。解糖とクレブスサイクルはそれぞれグルコース分子あたり2 ATPを生成するため、少なくとも理想的な条件下で放出されたエネルギーの合計量は、合計で34 + 2 + 2 = 38 ATPです。
電子輸送チェーンには、プロトンが内側のミトコンドリア膜を通過して、この後のミトコンドリア膜と外側のミトコンドリア膜の間の空間に入ることができる3つの異なる点があり、4つの異なる分子複合体（番号I、II、III、IV）が形成されますチェーンの物理的なアンカーポイント。
電子輸送チェーンには酸素が必要です2 チェーンの最後の電子対アクセプターとして機能します。酸素が存在しない場合、電子の「下流」の流れが停止するため、連鎖内の反応はすぐに停止します。彼らは行き先がありません。電子輸送鎖を麻痺させることができる物質には、シアン化物（CN-）。これが、殺人番組やスパイ映画でシアン化物が致命的な毒として使用されているのを見たことがある理由です。それが十分な用量で投与されると、レシピエント内の有酸素呼吸が停止し、それとともに、生命そのものが停止します。
植物の光合成と好気性呼吸
多くの場合、植物は光合成を受けて二酸化炭素から酸素を生成し、動物は呼吸を使用して酸素から二酸化炭素を生成し、それによって生態系全体の補完的なバランスを維持すると考えられています。これは表面上は真実ですが、植物は光合成と好気性呼吸の両方を利用するため、誤解を招きます。
植物は食べることができないので、食物を摂取するのではなく、作る必要があります。これが、葉緑体と呼ばれる動物の細胞小器官で起こる一連の反応である光合成の目的です。太陽光、CO2 植物細胞の内部は、ミトコンドリアの電子伝達鎖に似た一連のステップで葉緑体の内部でグルコースに組み立てられます。その後、葉緑体からグルコースが放出されます。それが植物の構造部分になる場合はほとんどですが、解糖を受け、植物細胞のミトコンドリアに入った後、残りの好気性呼吸を進行するものもあります。