呼吸

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ファイル:Gas exchange.jpg
外呼吸のガス交換の概略図（分圧単位：kpa、7.5倍するとmmHgの値）。酸素（O2）を含んだ空気を吸気し、細胞呼吸で酸素が減り二酸化炭素（CO2）が多くなった血液と空気の間でガス交換し、呼気として吐き出す。

生物における呼吸（こきゅう）は、以下の二種類に分けられる[1]。

  1. 細胞呼吸（または内呼吸）：血液と細胞とのガス交換。細胞が最終二酸化炭素 (CO2) を放出する異化代謝系。
  2. 外呼吸：空気と血液とのガス交換。多細胞生物体が外界から酸素を取り入れ、体内で消費して二酸化炭素 (CO2) を放出すること。

細胞呼吸については、広義には最終電子受容体として酸素を用いない『嫌気呼吸』もその意味合いに含まれるが、通例では呼吸とは酸素を用いる好気呼吸（こうきこきゅう）として用いる。

細胞呼吸

ファイル:Ja-CellRespiration.svg
好気呼吸の概略図

酸素は地球誕生時の大気には今より少ない濃度しか存在していなかった。しかし、植物のような光合成を行うものが出現したことで大気には徐々に酸素が蓄積された。

本来、酸素は強い酸化力をもった毒性の強い気体である。しかし、一部の生物は酸素を利用した酸化過程を通じて大きなエネルギーを利用できるようになった。現在、酸素を利用した代謝のできる生物は細胞内のミトコンドリアにより炭水化物を酸化し、最終産物として二酸化炭素 (CO2) と水を排出する。青酸（シアン化水素酸）はミトコンドリアの電子伝達系を阻害するため、好気的な生物にとって猛毒である。狭義には好気呼吸（こうきこきゅう）、酸素呼吸（さんそこきゅう）など酸素を用いる呼吸となる。広義には細胞の行う異化代謝系すべてを指すが、狭義に用いられる場合が多い。

細胞呼吸の代謝系

呼吸代謝には大きく分けて以下の3つの代謝が関わる。糖類はこれらの代謝系によって二酸化炭素 (CO2) および水にまで分解され、その過程でATPが生産される。

解糖系
細胞質基質で行われる酸素を使わない糖の酸化過程。
クエン酸回路
ピルビン酸などから変換されたアセチルCoAを二酸化炭素に分解する酸化過程。真核生物ではミトコンドリア基質で、原核生物では細胞膜近辺で行われる。
酸化的リン酸化
NADHなどの水素受容体を酸化し、酸素に電子を伝えて水を生成する過程を電子伝達系と呼ぶ（光合成の電子伝達系と区別するため、呼吸鎖とも呼ばれる）。それと共役してATP合成酵素によりATPが生成する。真核生物ではミトコンドリア内膜で、原核生物では細胞膜で行われる。高校の生物では「酸化的リン酸化」という言葉を用いず、呼吸鎖とATP合成酵素反応全体を含めて「電子伝達系」と呼ぶ。

なお、脂肪酸などの有機酸の酸化においては、解糖系の代わりにβ酸化（大部分の反応がミトコンドリア基質で行われる）がかかわる。

細胞呼吸によるATP生成量

以下にグルコース1分子を代表として、ミトコンドリアを有する真核生物の細胞呼吸における物質の収支を示す（高エネルギーリン酸結合形成における脱水と、NADHを除くpHバランスに伴うプロトンの収支は省略）。

解糖系（10段階の酵素反応より成る）
グルコース (C6H12O6) + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 ピルビン酸 (C3H4O3) + 2 NADH + 2 ATP + 2 H+
ピルビン酸から乳酸・エタノールへと発酵する過程も解糖系に含むのが普通である。
クエン酸回路
ピルビン酸脱炭酸反応
2 ピルビン酸 (C3H4O3) + 2 NAD+ + 2 HSCoA → 2 アセチルCoA (CH3COSCoA) + 2 CO2 + 2 NADH + 2 H+
解糖系とクエン酸回路を結ぶ反応で、しばしばクエン酸回路にも解糖系にも分類される。
狭義のクエン酸回路 (10段階の酵素反応より成る)
2 アセチルCoA (CH3COSCoA) + 6 NAD+ + 2 FAD + 2 GTP + 2 Pi + 6 H2O → 4 CO2 + 6 NADH + 6 H+ + 2 FADH2 + 2 GTP + 2 HSCoA
スクシニルCoA合成酵素を通じてGTPからは当量のATPが合成される。
酸化的リン酸化
電子伝達系（4種類の呼吸鎖複合体による3段階の酸化還元反応が関与する）
10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 6 O2 → 10 NAD+ + 2 FAD + 12 H2O
ATP合成酵素によるATP合成反応
（10 NADH由来）: 30 ADP + 30 Pi → 30 ATP
（2 FADH2由来）: 4 ADP + 4 Pi → 4 ATP
NADHからは約3当量、FADH2からは約2当量のATPが合成されるとされてきた。[2]

以上の反応をすべてまとめると

グルコース (C6H12O6) + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi → 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP

この式は高校生物で学習する呼吸の収支式と呼ばれる。酵素による約25の反応がこの代謝には関わっており、グルコースの持つエネルギーの有効利用に役立っている。グルコースの酸化反応(C6H12O6 + 6 O2 (g) → 6 CO2 (g) + 6 H2O (l))における標準反応ギブズ自由エネルギー(ΔG´°)は–2873.4 kJ/molであるのに対し、ATPの加水分解反応(ATP + H2O → ADP + Pi, pMg = 3)ではΔG´° = –31.56 kJ/molであり、38 ATPの生成により約41.7%の効率でグルコースの自由エネルギーを変換していることになる。

ただし、近年の測定結果や理論面からは、グルコース1分子から38当量のATPが合成されるとする解釈は支持されていない。以下問題点を列挙すると：

  • 心筋や肝臓などの細胞では、解糖系で合成されたNADHはリンゴ酸アスパラギン酸シャトル（Glu/Aspシャトル）を通じてミトコンドリア内での当量のNADH合成に利用されるが、通常の細胞では、NADHはグリセロリン酸シャトル（αGPシャトル）を通じてミトコンドリア内での当量のFADH2合成に利用される。そのため最終的に合成されるATPが2当量少なくなる。
  • 従来は電子伝達系においてNADH や FADH2などの水素供与体が電子を酸素に渡す過程でATPが合成されると考えられたが、今日では電子伝達による膜外へのプロトンの放出と、プロトン濃度勾配により生まれた膜電位を駆動力とするATP合成が別個のシステムで行われることが判明し、P/O比（合成されたリンと消費した酸素のモル比）は整数である必要がなくなった。真核生物においてはNADHの酸化からは10当量のプロトンが、FADH2の酸化からは6当量のプロトンがミトコンドリア基質からミトコンドリア膜間腔へ放出される。
  • ミトコンドリア内で合成されたATPを細胞質基質へ輸送する段階で当量のプロトンのミトコンドリア基質内への流入が起こり、ATP合成のためのプロトンの消失に繋がる。同様にGlu/AspシャトルによるNADHの生成においても当量のプロトンがミトコンドリア基質内へ流入する。
  • ATP合成酵素においては3当量のプロトンの流入でATP合成酵素が1回転し、ATPが1分子合成されると考えられている。さらにミトコンドリア内で合成したATPを細胞内へ輸送する際に1当量のプロトンを消費するため、細胞質基質で消費するためのATPの合成に必要なプロトンの当量（H+/ATP比）は4となる。理論上のP/O 合成比は、NADHで2.5 (= 10/4)、FADH2で1.5 (= 6/4)となり、グルコース1分子当たり31または29.5分子のATPが合成されることになる（Glu/AspシャトルやGTP由来のATP輸送によるプロトン消費（共に2 H+、0.5 ATP相当の消失）を無視すると32または30分子）。[3] 最近の生化学の教科書ではこちらの説を解説するようになってきている。
  • ごく最近になって、1個のプロトンの流入でATP合成酵素が1/3回転ではなく、3/10回転することが構造の詳細な解析から示されており、[4] H+/ATP比も整数ではない(H+/ATP 比 = 4.33 (= 13/3 = 10/3 + 1))と指摘されている。この場合は理論上のP/O 合成比が、NADHで約2.31 (= 10/(13/3))、FADH2で約1.38 (= 6/(13/3))となり、グルコース当たり約28.92または約27.54当量のATPが合成される。[5] なおグルコースに対して28.92, 27.54当量のATPが生成したとすると標準状態における自由エネルギー変換効率は31.8%, 30.2%と計算されるが、実際の生体反応では反応基質の濃度調整により最大で60%前後のエネルギー変換効率が生み出されていると推定されている。

以下の表に哺乳動物におけるグルコース (C6H12O6)、貯蔵多糖の代表としてモノマー当たりのグリコーゲン ((C6H10O5)n)、代表的な脂肪酸としてパルミチン酸 (C15H31COOH) から合成されるATPの理論上の最大当量を、古典的解釈や最新の理論に基づく値としてそれぞれまとめる。[6]

反応 シャトル 細胞質基質内

（解糖系）

ミトコンドリア基質内

（クエン酸回路・β酸化）

膜間腔内へ放出

されたプロトン量

1分子、モノマー当たりの理論上のATP合成最大量
古典的解釈[2] H+/ATP比 = 4[3] H+/ATP比 = 13/3[5]
C6H12O6 + 6 O2

→ 6 CO2 + 6 H2O

Glu/Asp 2 NADH + 2 ATP 8 NADH + 2 FADH2 + 2 GTP 112 (10×10+2×6) 38 (10×3+2×2+4) 31 ((112–4))/4+4) 28.92 ((112–4)/(13/3)+4)
αGP 104 (8×10+4×6) 36 (8×3+4×2+4) 29.5 ((104–2)/4+4) 27.54 ((104–2)/(13/3)+4)
(C6H10O5)n + 6 O2 →

(C6H10O5)n–1 + 6 CO2 + 5 H2O

Glu/Asp 2 NADH + 3 ATP 8 NADH + 2 FADH2 + 2 GTP 112 (10×10+2×6) 39 (10×3+2×2+5) 32 ((112–4)/4+5) 29.92 ((112–4)/(13/3)+5)
αGP 104 (8×10+4×6) 37 (8×3+4×2+5) 30.5 ((104–2)/4+5) 28.54 ((104–2)/(13/3)+5)
C15H31COOH + 23 O2

→ 16 CO2 + 16 H2O

– ATP (2 ATP 相当,

ATP → AMP + PPi)

31 NADH + 15 FADH2 + 8 GTP

(7 NADH + 7 FADH2 + 8 AcCoA)

400 (31×10+15×6) 129 (31×3+5×2+6) 104 ((400–8)/4+6) 96.46 ((400–8)/(13/3)+6)

外呼吸

酸素を利用するに当たっては、動物の場合全身の細胞にくまなく酸素を行き渡らせるため、血液によって酸素を運搬する必要がある。節足動物・軟体動物などではヘモシアニン、脊椎動物では、赤血球中のヘモグロビンがこの役割を担う。

血中への酸素取り込みは、植物の場合葉などの気孔と樹皮の皮目で、魚類・水棲甲殻類はエラ呼吸で、陸上の昆虫は気門の呼吸、両生類は幼生時にはエラ呼吸、成体時には肺呼吸、爬虫類、鳥類、哺乳類は肺呼吸で行う。エラ呼吸は水流の一定の流れを利用するが、肺は出口がひとつしかないため吸気、呼気を繰り返すことで定期的に肺内の空気を交換しなければならない。このために行う胸郭運動を呼吸運動と呼び、これをやめることはできない。呼吸運動は随意運動であると同時に、脳幹の呼吸中枢（ヒトでは延髄にある）によって自動的に制御される。そのため睡眠中も不随意な呼吸運動が保たれる。この中枢機構に問題があり、睡眠時に呼吸不全に陥る疾患が先天性中枢性肺胞低換気症候群である。

ヒトの呼吸

ヒトの呼吸量[7]
状態 呼吸量（ℓ/分） 酸素取込み量（ℓ/分）
安静時 6-10 0.3
運動時 100 3

異常呼吸の種類[8]

  • 呼吸量の異常
    • 呼吸回数の異常
      • 無呼吸
      • 減少「徐呼吸（9 回/分以下）」
      • 増加「頻呼吸（25 回/分以上）」
    • 一回換気量の異常
      • 減少「低呼吸（低換気）」
      • 増加「過呼吸（過換気）」
  • リズムの異常
  • リズムと呼吸回数の異常
  • その他の異常
    • 起座呼吸
喘息や心不全の際に、伏せた状態では呼吸が辛くなるため、上体を起こして行う呼吸[9]

脚注

  1. ↑ 呼吸器系のしくみと働き（国立大学病院データベースセンター）
  2. ↑ 2.0 2.1 Ochoa, S. J. Biol. Chem. 1943, 151, 493–505.
  3. ↑ 3.0 3.1 Hinkle, P. C.; Kumar, M. A.; Resetar, A.; Harris, D. L. Biochemistry 1991, 30, 3576–3582.
  4. ↑ Stock, D.; Leslie, A. G. W.; Walker, J. E. Science 1999, 286, 1700–1705.
  5. ↑ 5.0 5.1 Hinkle, P. C. Biochim. Biophys. Acta 2005, 1706, 1–11.
  6. ↑ Brand, M. D. Biochem. Soc. Trans. 2005, 33, 897–904.
  7. ↑ http://merckmanual.jp/mmhe2j/sec04/ch038/ch038d.html
  8. ↑ 異常呼吸（日本臨床検査医学会）
  9. ↑ 起座呼吸（コトバンク）

関連項目

外部リンク



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