補足 NAD +やN A D Hについて
NAD+と脱水素酵素についてのyoutube講義動画はこちら
呼吸のyoutube講義動画はこちら
生物基礎で学んだように、代謝には異化と同化があります。
（同化と異化の講義動画はこちら）
https://youtu.be/qQ2vpAcauIo
動物は一般に，肺やえらなどによって酸素を吸収し，二酸化炭素を排出します。
とり入れられた酸素は，それぞれの細胞に運ばれます。
動物や植物の細胞内のミトコンドリアでは，酸素は有機物質の分解に使われます。
その際，有機物中に貯えられていた化学エネルギーがとり出されるのです。
各細胞ではとり出されたエネルギーを使ってＡＴＰが合成されています。
このように酸素を利用する細胞呼吸を呼吸といいます。呼吸は，解糖系，クエン酸回路，電子伝達系の三つの反応過程に分けられます。
解糖系は細胞質基質で、クエン酸回路はミトコンドリアのマトリックスで、電子伝達系はミトコンドリアの内膜でおこる反応です。
呼吸では最大３８ATPが生成します。
一方、有機物の分解に酸素を使わない場合、それは発酵とよばれます。
発酵には乳酸発酵とアルコール発酵があります。
乳酸発酵とアルコール発酵では、２ATPが生成します。
乳酸発酵について詳しく見てみましょう。まず、グルコースは２つのピルビン酸に分かれます。同時にHがとられます。ピルビン酸を２つくっつけてもグルコースに比べHが４個足りないでしょう？この分が、後で２個ずつピルビン酸に返され、乳酸が生じるのです。
アルコール発酵では、途中で二酸化炭素がとられることが、乳酸発酵とは違いますね。
解糖系での反応（グルコース→ピルビン酸）はぜ～～～～ったい覚えよ！！
講習
□ テーマ１ ： 発酵についてマスターしよう！
発酵＝酸素のない環境で有機物を分解しＡＴＰを生成する過程
★乳酸発酵は化学式が出る！乳酸ができるということも意外に問われる！
（１）乳酸発酵
乳酸菌が行う。
乳酸菌の行う乳酸発酵は，チーズやヨーグルトの製造に利用されている。
グルコースを用いた場合は，次の反応で表される。
細胞質基質で行われる反応。
ピルビン酸は乳酸に還元される。
乳酸発酵を行う乳酸菌は原核生物である！乳酸発酵がミトコンドリアで行われるわけない！原核生物はミトコンドリアをもたない！
同じ反応が動物の骨格筋でも行われる。
その場合は解糖という。
哺乳類の赤血球など、ミトコンドリアがない細胞も解糖を行っている。
筋肉において、酸素の供給が十分あるときは、筋肉中に蓄えられたグリコーゲンが二酸化炭素と水にまで分解される。嫌気的条件下では、解糖により乳酸が生じる
（２）アルコール発酵
★計算問題で出る！化学式を覚えていなくてはアウト！問題に取り組めない！
酵母が行う。
細胞質基質で行われる反応。
酵母は、嫌気的な条件下ではアルコール発酵の最終代謝産物である中性のエタノールを分泌する。
（かなり高い濃度でもエタノールは酵母に無害である。）
酵母は真核生物でありミトコンドリアをもつ。
アルコール発酵では、チマーゼという酵素群（単一の酵素ではない）の働きにより、ｴﾀﾉｰﾙと二酸化炭素を生成する。
ブフナーは酵母菌の抽出液が、生きた細胞を全く含まないのに糖を発酵させることを明らかにしたブフナーは発酵のもとになる活性物質をチマーゼと名付けた。
酵母とちがって、哺乳類などの生物はピルビン酸デカルボキシラーゼ（ピルビン酸に働く脱炭酸酵素）をもたないのでピルビン酸からエタノールをつくれない。
（３）酵母菌細胞内では、酸素存在下でアルコール発酵が抑制される。
この現象をパスツール効果という。
グルコース１分子から得られるＡＴＰは、アルコール発酵では２分子、呼吸では最大３８分子（実際はもっと少ない）である！
呼吸を優先するのは当然である！
□ テーマ２ ： 呼吸＝酸素を用いて有機物を分解する過程！
★３段階の反応を、その反応が起こる「場所」とストーリーに注目してマスターしよう！反応の場所
乳酸発酵、アルコール発酵、呼吸では、ピルビン酸がどう代謝されるかが違う。
２ＡＴＰ生成。
「解糖系」と「解糖」はまったく違う用語！
アクティブラーニング課題：解糖系の初期で、グルコースにリン酸基が転移される。これにはどのような意味があるか。膜に対するグルコースの透過性に注目して説明せよ。
（グルコースは細胞膜を通りにくいが、漏れがある。細胞膜は電荷をもった分子を通さないので、リン酸化はグルコースを細胞内にとどめておくのに役立つ。）
第２段階
★クエン酸回路という用語が問われる！
クエン酸回路：
ミトコンドリアのマトリックスで行われる反応。
２ＡＴＰ生成。
「まだ食えん（クエン酸回路）、待っとくれ（マトリックス）」
補足
ピルビン酸はまず、アセチルＣｏＡ（ＣｏＡ＝補酵素Ａ。HS-CoAであらわされる）に変換される。
これからは、ピルビン酸１分子について追っていく。
実際は２分子のピルビン酸が生じ、それぞれ反応が進んでいく。
ピルビン酸やほかの化合物からつくられたアセチルＣｏＡはクエン酸回路で酸化される。
クエン酸回路において、動物ではＧＴＰが生成される（植物や細菌ではＡＴＰが生成される）が、速やかにＡＴＰに変換される。
アセチルＣｏＡに由来する炭素原子を赤で示した。
コハク酸は対称面を持つので、この分子の両側は分子的に対等（区別できないという意味である。深い物理的意味を持つが、大学で学ぶがよい。）である。
なので、これ以降、オキサロ酢酸までの４炭素原子中間体では、
したがって、回路に入ったアセチルＣｏＡの炭素は、２週目以降に、ＣＯ２として失われる。（新課程で、この話に関する問題が出題された。）
アクティブラーニング課題：クエン酸回路では直接酸素は関係しない。にもかかわらず、酸素がないとクエン酸回路は停止する。なぜか。
（電子伝達系が停止し、ＮＡＤＨがＮＡＤ＋にもどれなくなってしまうから。）
アクティブラーニング課題：ミトコンドリアを培養液にとり、グルコースを加えた。グルコースの変化を説明せよ。
（変化しない。ミトコンドリアはピルビン酸を取り込みクエン酸回路の基質に用いる。）
クエン酸回路は回路型の反応であるので、どの基質を加えても、回路は進行する。
第３段階
★水が生じること、その時に酸素が消費されることを必ずおさえよう！
電子伝達系：ミトコンドリアの内膜で行われる反応。
最大３４ＡＴＰ生成。直接酸素を使う反応。
電子伝達系では、解糖系、クエン酸回路に比べATPの最大生成量がめちゃめちゃ多いことに注目！
補足
電子がシトクロム（シトクロムはヘムを含む色素タンパク質。ヘムは鉄原子を含む。）などを伝わる。
最終的に電子はシトクロム酸化酵素の働きで酸素に渡される（酸素は還元される。電子が渡される化学反応を還元反応という。）。
酸素は電子と共に水素を受け取り、水が生じる（←超超超超超超重要！！ぜ～～～ったいに覚えよ！！）。
酸素がないと電子伝達系は停止する。
アクティブラーニング課題：どうして電子伝達系は酸素がないと停止するのか。
（反応の最後で、電子をわたす相手がいなくなってしまうから。NＡDHがもつ電子の受取手がいなくなり、NＡDHが消費されない。）
電子伝達系で放出されるエネルギーが、Ｈ＋の濃度差というかたちで蓄えられた後、ＡＴＰ合成酵素によってＡＴＰ合成が起こるという説を化学浸透圧説という。
ミッチェルによって提唱された。
（実際は、NＡDHが直接ミトコンドリア膜を透過することはなく、他の代謝反応と共役させNＡDHがもつ電子だけを透過させている。詳しくは知らなくてよい。）
アクティブラーニング課題：呼吸のストーリーを説明せよ。
（友達か、親か、妹か、イヌか、壁か、ポスターに向かって説明してみましょう。）
①複合体Ⅰ
複合体Ⅰは、ＮＡＤＨからＱ（脂溶性の補酵素の一種。補酵素Ｑの酸化型をユビキノン、還元型をユビキノールとよぶこともある。）へ電子を渡す反応を触媒する。
動物は一般に，肺やえらなどによって酸素を吸収し，二酸化炭素を排出します。
とり入れられた酸素は，それぞれの細胞に運ばれます。
動物や植物の細胞内のミトコンドリアでは，酸素は有機物質の分解に使われます。
その際，有機物中に貯えられていた化学エネルギーがとり出されるのです。
各細胞ではとり出されたエネルギーを使ってＡＴＰが合成されています。
このように酸素を利用する細胞呼吸を呼吸といいます。呼吸は，解糖系，クエン酸回路，電子伝達系の三つの反応過程に分けられます。
解糖系は細胞質基質で、クエン酸回路はミトコンドリアのマトリックスで、電子伝達系はミトコンドリアの内膜でおこる反応です。
呼吸では最大３８ATPが生成します。
一方、有機物の分解に酸素を使わない場合、それは発酵とよばれます。
発酵には乳酸発酵とアルコール発酵があります。
乳酸発酵とアルコール発酵では、２ATPが生成します。
乳酸発酵について詳しく見てみましょう。まず、グルコースは２つのピルビン酸に分かれます。同時にHがとられます。ピルビン酸を２つくっつけてもグルコースに比べHが４個足りないでしょう？この分が、後で２個ずつピルビン酸に返され、乳酸が生じるのです。
アルコール発酵では、途中で二酸化炭素がとられることが、乳酸発酵とは違いますね。
解糖系での反応（グルコース→ピルビン酸）はぜ～～～～ったい覚えよ！！
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| ２ＡＴＰ生成 |
講習
□ テーマ１ ： 発酵についてマスターしよう！
発酵＝酸素のない環境で有機物を分解しＡＴＰを生成する過程
★乳酸発酵は化学式が出る！乳酸ができるということも意外に問われる！
（１）乳酸発酵
乳酸菌が行う。
乳酸菌の行う乳酸発酵は，チーズやヨーグルトの製造に利用されている。
グルコースを用いた場合は，次の反応で表される。
C6H12O6 → 2C3H6O3 ＋ エネルギー(2ATP)
ピルビン酸は乳酸に還元される。
乳酸発酵を行う乳酸菌は原核生物である！乳酸発酵がミトコンドリアで行われるわけない！原核生物はミトコンドリアをもたない！
同じ反応が動物の骨格筋でも行われる。
その場合は解糖という。
哺乳類の赤血球など、ミトコンドリアがない細胞も解糖を行っている。
筋肉において、酸素の供給が十分あるときは、筋肉中に蓄えられたグリコーゲンが二酸化炭素と水にまで分解される。嫌気的条件下では、解糖により乳酸が生じる
（この乳酸が筋肉苦痛を引き起こすとされるが、詳細は研究中）
（２）アルコール発酵
★計算問題で出る！化学式を覚えていなくてはアウト！問題に取り組めない！
酵母が行う。
酵母菌の行うアルコール発酵の現象は，古くからワインやビールの醸造に利用されている。
グルコースを用いたアルコール発酵は，次の反応で表される。
C6H12O6
→ 2C2H5OH ＋ 2CO2
＋
エネルギー(2ATP)
細胞質基質で行われる反応。
酵母は、嫌気的な条件下ではアルコール発酵の最終代謝産物である中性のエタノールを分泌する。
（かなり高い濃度でもエタノールは酵母に無害である。）
酵母は真核生物でありミトコンドリアをもつ。
アルコール発酵では、チマーゼという酵素群（単一の酵素ではない）の働きにより、ｴﾀﾉｰﾙと二酸化炭素を生成する。
ブフナーは酵母菌の抽出液が、生きた細胞を全く含まないのに糖を発酵させることを明らかにしたブフナーは発酵のもとになる活性物質をチマーゼと名付けた。
酵母とちがって、哺乳類などの生物はピルビン酸デカルボキシラーゼ（ピルビン酸に働く脱炭酸酵素）をもたないのでピルビン酸からエタノールをつくれない。
（３）酵母菌細胞内では、酸素存在下でアルコール発酵が抑制される。
この現象をパスツール効果という。
グルコース１分子から得られるＡＴＰは、アルコール発酵では２分子、呼吸では最大３８分子（実際はもっと少ない）である！
呼吸を優先するのは当然である！
□ テーマ２ ： 呼吸＝酸素を用いて有機物を分解する過程！
★３段階の反応を、その反応が起こる「場所」とストーリーに注目してマスターしよう！反応の場所
（解糖系⇒細胞質基質：２ＡＴＰ、
クエン酸回路⇒マトリックス：２ＡＴＰ、
電子伝達系⇒内膜：最大３４ＡＴＰ）
だけ覚えても最低点はねらえる！
各反応の概略図では、ＡＤＰと結合するリン酸など、一部物質を省略している。
第１段階
★ピルビン酸という物質名は覚えよ！
解糖系：
細胞質基質で行われる反応。
グルコースがピルビン酸に変化するまでの過程のこと。
先行投資に２ＡＴＰが必要だが、４ＡＴＰ回収（下図、上下のルートで２ＡＴＰずつ生産される）され、
結果２ＡＴＰが解糖系で生成される。
補足
解糖系はほぼすべての生物種でみられる代謝経路である。
各反応の概略図では、ＡＤＰと結合するリン酸など、一部物質を省略している。
第１段階
★ピルビン酸という物質名は覚えよ！
解糖系：
細胞質基質で行われる反応。
グルコースがピルビン酸に変化するまでの過程のこと。
先行投資に２ＡＴＰが必要だが、４ＡＴＰ回収（下図、上下のルートで２ＡＴＰずつ生産される）され、
結果２ＡＴＰが解糖系で生成される。
解糖系はほぼすべての生物種でみられる代謝経路である。
乳酸発酵、アルコール発酵、呼吸では、ピルビン酸がどう代謝されるかが違う。
２ＡＴＰ生成。
「解糖系」と「解糖」はまったく違う用語！
アクティブラーニング課題：解糖系の初期で、グルコースにリン酸基が転移される。これにはどのような意味があるか。膜に対するグルコースの透過性に注目して説明せよ。
（グルコースは細胞膜を通りにくいが、漏れがある。細胞膜は電荷をもった分子を通さないので、リン酸化はグルコースを細胞内にとどめておくのに役立つ。）
第２段階
★クエン酸回路という用語が問われる！
クエン酸回路：
ミトコンドリアのマトリックスで行われる反応。
２ＡＴＰ生成。
「まだ食えん（クエン酸回路）、待っとくれ（マトリックス）」
補足
ピルビン酸のような小さな分子は、膜を貫通する親水性のチャネルを通って外膜を横断する。
つぎに内膜に埋め込まれたタンパク質が、膜間腔からマトリックスにピルビン酸を特異的に輸送する。
（グルコースの状態ではミトコンドリア内部に入れないことに注意）ピルビン酸はまず、アセチルＣｏＡ（ＣｏＡ＝補酵素Ａ。HS-CoAであらわされる）に変換される。
アセチルＣｏＡは、脂肪酸のβ酸化や、アミノ酸の分解からも生じる。
習慣上、補酵素Ａは、ある分子に付加された場合、硫黄原子（Ｓ）を強調した形の省略形としてＳ－ＣｏＡと表される。これからは、ピルビン酸１分子について追っていく。
実際は２分子のピルビン酸が生じ、それぞれ反応が進んでいく。
クエン酸回路において、動物ではＧＴＰが生成される（植物や細菌ではＡＴＰが生成される）が、速やかにＡＴＰに変換される。
アセチルＣｏＡに由来する炭素原子を赤で示した。
コハク酸は対称面を持つので、この分子の両側は分子的に対等（区別できないという意味である。深い物理的意味を持つが、大学で学ぶがよい。）である。
なので、これ以降、オキサロ酢酸までの４炭素原子中間体では、
アセチルCoＡ由来の炭素は分子全体に均一に分布していることになる（そういうものだと納得してほしい。本当は原子のアイデンティティに関わる深い背景がある）。
したがって、回路に入ったアセチルＣｏＡの炭素は、２週目以降に、ＣＯ２として失われる。（新課程で、この話に関する問題が出題された。）
アクティブラーニング課題：クエン酸回路では直接酸素は関係しない。にもかかわらず、酸素がないとクエン酸回路は停止する。なぜか。
（電子伝達系が停止し、ＮＡＤＨがＮＡＤ＋にもどれなくなってしまうから。）
アクティブラーニング課題：ミトコンドリアを培養液にとり、グルコースを加えた。グルコースの変化を説明せよ。
（変化しない。ミトコンドリアはピルビン酸を取り込みクエン酸回路の基質に用いる。）
クエン酸回路は回路型の反応であるので、どの基質を加えても、回路は進行する。
つまり、クエン酸を加えてもコハク酸を加えてもピルビン酸を加えても回路は進行し、同様な呼吸活性が期待できる。
解糖系・クエン酸回路で還元された補酵素は、ＡＴＰ生産の燃料になる。
第３段階
★水が生じること、その時に酸素が消費されることを必ずおさえよう！
電子伝達系：ミトコンドリアの内膜で行われる反応。
最大３４ＡＴＰ生成。直接酸素を使う反応。
電子伝達系では、解糖系、クエン酸回路に比べATPの最大生成量がめちゃめちゃ多いことに注目！
補足
電子がシトクロム（シトクロムはヘムを含む色素タンパク質。ヘムは鉄原子を含む。）などを伝わる。
最終的に電子はシトクロム酸化酵素の働きで酸素に渡される（酸素は還元される。電子が渡される化学反応を還元反応という。）。
酸素は電子と共に水素を受け取り、水が生じる（←超超超超超超重要！！ぜ～～～ったいに覚えよ！！）。
酸素がないと電子伝達系は停止する。
アクティブラーニング課題：どうして電子伝達系は酸素がないと停止するのか。
（反応の最後で、電子をわたす相手がいなくなってしまうから。NＡDHがもつ電子の受取手がいなくなり、NＡDHが消費されない。）
電子伝達系で放出されるエネルギーが、Ｈ＋の濃度差というかたちで蓄えられた後、ＡＴＰ合成酵素によってＡＴＰ合成が起こるという説を化学浸透圧説という。
ミッチェルによって提唱された。
（実際は、NＡDHが直接ミトコンドリア膜を透過することはなく、他の代謝反応と共役させNＡDHがもつ電子だけを透過させている。詳しくは知らなくてよい。）
アクティブラーニング課題：呼吸のストーリーを説明せよ。
（友達か、親か、妹か、イヌか、壁か、ポスターに向かって説明してみましょう。）
アクティブラーニング課題:植物細胞に光が照射されると、ミトコンドリアの呼吸過程がいくらか抑制される。その原因を答えよ。
（光合成の過程で生成したATPは呼吸に関する酵素の阻害剤となる。）
以下、呼吸における電子伝達系の詳細を記す。高校内容を超える。
以下、呼吸における電子伝達系の詳細を記す。高校内容を超える。
シトクロムオキシダーゼ以外覚えなくてよい。
電子伝達にはタンパク質などからなる複合体が関わる。
（教科書ではイラストだけ描かれていることが多い。）
複合体には鉄硫黄クラスターという構造があり、電子伝達系として機能している。
鉄硫黄クラスターとは、鉄硫黄タンパク質の一部分を指す言葉である。
この部分では、鉄原子がタンパク質のシステイン残基の硫黄原子と複合体を形成している。
鉄硫黄クラスターは電子伝達体として働いている。
酵素が陽イオンを成分として含むことは珍しくない。これまで知られている酵素の1/4は金属陽イオンを含んでいる。
ヘモグロビンに含まれる有名なヘムにも鉄は含まれる（ヘムはシトクロム、カタラーゼに含まれる）。
鉄ー硫黄クラスターはヘムとは異なるが、同じく鉄を含む構造である。
下図は鉄ー硫黄クラスターの例
酵素が陽イオンを成分として含むことは珍しくない。これまで知られている酵素の1/4は金属陽イオンを含んでいる。
ヘモグロビンに含まれる有名なヘムにも鉄は含まれる（ヘムはシトクロム、カタラーゼに含まれる）。
鉄ー硫黄クラスターはヘムとは異なるが、同じく鉄を含む構造である。
下図は鉄ー硫黄クラスターの例
①複合体Ⅰ
複合体Ⅰは、ＮＡＤＨからＱ（脂溶性の補酵素の一種。補酵素Ｑの酸化型をユビキノン、還元型をユビキノールとよぶこともある。）へ電子を渡す反応を触媒する。
電子は１つずつ、計２個移動する。ＱはＱＨ２になる。
ＮＡＤＨからＱへ１対の電子が渡されるたび、４個（またはおそらく５個）のプロトンが膜を横断すると考えられている。
（プロトンがどうやって膜を横断して輸送されるのか解明されていない）
②複合体Ⅱ
複合体Ⅱは、ＦＡＤＨ２の電子をＱに渡す反応を触媒する。
また、ＱをＱＨ２に還元する反応を触媒する。
複合体Ⅱでは、ミトコンドリア内膜を境にしたプロトン濃度勾配に直接の貢献はしていない。
③複合体Ⅲ
複合体Ⅰ・Ⅱで生じたＱＨ２がＨを膜間腔に離す反応を触媒する。
４個のプロトンが膜を横断して移行する。
ＮＡＤＨからＱへ１対の電子が渡されるたび、４個（またはおそらく５個）のプロトンが膜を横断すると考えられている。
（プロトンがどうやって膜を横断して輸送されるのか解明されていない）
②複合体Ⅱ
複合体Ⅱは、ＦＡＤＨ２の電子をＱに渡す反応を触媒する。
また、ＱをＱＨ２に還元する反応を触媒する。
複合体Ⅱでは、ミトコンドリア内膜を境にしたプロトン濃度勾配に直接の貢献はしていない。
③複合体Ⅲ
複合体Ⅰ・Ⅱで生じたＱＨ２がＨを膜間腔に離す反応を触媒する。
４個のプロトンが膜を横断して移行する。
このうち２個はＱＨ２に、２個はマトリックスに由来する。
④複合体Ⅳ
複合体Ⅳは、シトクロムオキシダーゼとよばれる酵素である。
酸素を還元して水にするための電子は、複合体ⅢとⅣを連結する移動性のタンパク質、シトクロムのＦｅ（Ⅱ）型が供給する。
マトリックスにあるＨと酸素が結びつき、水が生じる。
同時に、マトリックスにあった２つのＨが膜間腔に輸送される。
この後、複合体Ⅴ、別名ＡＴＰシンターゼ（合成酵素）によりＡＴＰが合成される。
④複合体Ⅳ
複合体Ⅳは、シトクロムオキシダーゼとよばれる酵素である。
酸素を還元して水にするための電子は、複合体ⅢとⅣを連結する移動性のタンパク質、シトクロムのＦｅ（Ⅱ）型が供給する。
マトリックスにあるＨと酸素が結びつき、水が生じる。
同時に、マトリックスにあった２つのＨが膜間腔に輸送される。
この後、複合体Ⅴ、別名ＡＴＰシンターゼ（合成酵素）によりＡＴＰが合成される。
