細胞呼吸と代謝の仕組み

カタボリズム（異化作用）

エネルギーを生み出す代謝反応はカタボリズムと呼ばれます。消化によって栄養素がブドウ糖、アミノ酸、脂肪酸に分解され血液に吸収されますが、細胞レベルで利用できる形ではありません。これらは最終的にATPへと変換されます。

ATP（アデノシン三リン酸）

ATPは全身の細胞がエネルギー源として使用する化学形態です。使用されると分解され、再びATP合成に回収されます。

細胞呼吸

細胞呼吸はブドウ糖からATPを生成する代謝プロセスです。酸化還元反応の連続で行われ、酸化では分子が水素と電子を失い、還元では別の分子がそれらを受け取ります。主に3つの段階、解糖系、クレブス回路、電子伝達系から構成されます。

解糖系（グリコリシス）

ブドウ糖は一連の化学反応を経て、2分子のピルビン酸と2分子のATPに変換されます。酸素は不要ですが、次の段階は酸素の有無に依存します。酸素がある場合、ピルビン酸はコエンザイムAと結合し、アセチル‑コエンザイムAとなってクレブス回路に入ります。

クレブス回路（クエン酸回路）

アセチル‑コエンザイムAはミトコンドリア内に入り、オキサロ酢酸と結合してクエン酸を形成します。以降、クエン酸は一連の酸化反応を受け、水素がNADHやFADH₂として取り込まれます。これらの還元型補酵素は次の電子伝達系でエネルギーを放出します。

電子伝達系

電子伝達系では、NADHやFADH₂が持つ水素が電子と共にシトクロムというタンパク質に渡されます。各段階で酸化還元が起こり、電子が次々に伝達されるたびにATPが合成されます。最終的に電子は酸素と結合し、水が生成されます。

興味深い事実

運動時はエネルギー需要が急増し、細胞呼吸が活発になります。酸素供給が追いつかないと、ピルビン酸は乳酸へと変換されます。適度な乳酸は体内で緩衝されますが、過剰になると呼吸が増加し（息切れ）、筋肉に乳酸が蓄積して疲労や痛みを引き起こします。