細胞呼吸の種類とメカニズム
細胞呼吸には、酸素が必要な好気的呼吸と、酸素が不要な嫌気的呼吸（発酵）の2種類があります。これらは、細胞がアデノシン三リン酸（ATP）という形でエネルギーを産生する一連の代謝プロセスです。好気的呼吸は最も多くのATP（約36分子）を生成し、解糖系、クレブス回路、酸化的リン酸化の3段階で進行します。
解糖系
解糖系は好気的・嫌気的呼吸の両方に共通する最初の段階で、細胞質基質で行われます。酸素の有無に関わらず進行し、糖やタンパク質・脂質などの高エネルギー分子をピルビン酸に分解します。ピルビン酸は次の呼吸段階の基質となります。
この過程で、純粋に2分子のATP、H₂O、無機リン酸、そして2分子のNADHが生成されます。NADHは後続の酸化還元反応、特に電子伝達系で重要な役割を果たします。
クレブス回路
クレブス回路（クエン酸回路）は好気的呼吸の第2段階です。ミトコンドリアのマトリックス内で起こり、1分子のATPを産生します。解糖系で作られたピルビン酸は酢酸アセチルCoAに変換され、クレブス回路に入ります。そこで、二酸化炭素、NADH、FADH₂（フラビンアデニンジヌクレオチド）などが生成され、次の酸化的リン酸化へとエネルギーが引き渡されます。
酸化的リン酸化
酸化的リン酸化は好気的呼吸の最終段階で、ミトコンドリア内膜に存在する電子伝達系（ETC）とATP合成酵素が中心です。
- 電子伝達系はNADHやFADH₂から電子を受け取り、最終電子受容体である酸素へと渡します。
- 電子の流れに伴い、プロトンが内膜間空間へと汲み上げられ、プロトン勾配（プロトン駆動力）が形成されます。
- プロトンはATP合成酵素を通ってマトリックスへ戻り、そのエネルギーでADPと無機リン酸からATPが合成されます。
発酵（嫌気的呼吸）
発酵は酸素がない環境で行われ、解糖系で生成されたピルビン酸が乳酸やエタノールに還元されます。この過程で得られるATPはわずか2分子です。酵母や一部の細菌、さらにはヒトの赤血球や骨格筋でも発酵が利用されます。
赤血球は酸素を消費せずに発酵でエネルギーを得るため、酸素を全身へ運搬できます。また、激しい運動時に筋肉で乳酸が蓄積し、筋肉痛や痙攣の原因となります。休息時には乳酸が肝臓で再びグルコースに変換されます。
面白い事実
呼吸の産物である二酸化炭素と水は、呼気として毎回体外へ排出されています。肺はガス交換の場として、細胞が必要とする酸素供給と二酸化炭素除去を担っています。もし二酸化炭素が体内に蓄積すれば細胞は毒され、酸素供給が途絶えれば全身機能が崩壊します。