細胞呼吸の図解：解糖系・クエン酸回路・電子伝達系の流れ
細胞呼吸とは、グルコースと酸素を材料にしてATPというエネルギー通貨を作り出す一連の反応を指し、図では細胞質からミトコンドリアへと進む3つの段階として描かれることが多い。それぞれの段階は異なる場所で進行し、前の段階の生成物が次の段階の材料として使われるという連続した流れになっている。酸素を使うこの経路は好気呼吸と呼ばれ、酸素がない条件で進む発酵に比べて、同じ1分子のグルコースからはるかに多くのATPを取り出せる点が特徴である。
この図が表すもの
細胞呼吸の図は、1分子のグルコースが分解されていく過程で、どこでどれだけのATPが作られるかを、反応の起こる場所ごとに示している。図の左側の細胞質から始まり、右側のミトコンドリア内部へと進むにつれて、段階ごとにATPの生産効率が高まっていく構成になっているものが多い。ミトコンドリアが二重の膜構造を持つ点も図の重要な情報で、外膜と内膜の間の空間、そして内膜に囲まれたマトリックスという区画の違いが、クエン酸回路と電子伝達系それぞれの反応場所を分けている。
図に描かれる段階
- 解糖系 — 細胞質で進行し、1分子のグルコースが2分子のピルビン酸に分解される。少量のATPとNADHがこの段階で作られ、酸素を必要としない反応である。
- クエン酸回路 — ミトコンドリアのマトリックス（基質）で進行し、ピルビン酸から作られたアセチルCoAが分解されて二酸化炭素が放出され、多くのNADHとFADH2が生成される。1回転につき1分子のATPも直接作られる。
- 電子伝達系 — ミトコンドリアの内膜で進行し、それまでの段階で作られたNADHとFADH2から電子が渡され、その過程で生じる濃度勾配を利用して大量のATPが合成される。最終的に電子は酸素に渡され、水が生じる。細胞呼吸全体で作られるATPの大部分をここで生み出す。
読み方・見る順序
図は左から右、あるいは外側から内側へと段階を追って読む。まず細胞質で解糖系が進んでグルコースが分解され、その生成物がミトコンドリアに運ばれてクエン酸回路に入り、ここで放出された電子伝達体が最後に内膜の電子伝達系へ渡される。多くの図では、各段階の下や横に生成されるATP・NADH・FADH2の数がまとめて示されており、解糖系とクエン酸回路で作られる分子が電子伝達系にとっての「材料」であることを示す矢印が段階間を結んでいる。入力として使われるグルコースと酸素、出力として生じる二酸化炭素・水・ATPの流れを、この3段階に沿って追うことが正しい読み方になる。
よくある誤解
よくある誤解は、ATPのほとんどが解糖系やクエン酸回路で作られると考えてしまうことである。実際にはこれら2段階で作られるATPはわずかで、細胞呼吸で得られるATPの大部分は最後の電子伝達系で生成される。もう一つの誤解は、クエン酸回路が酸素を直接使用していると考えることで、酸素を直接消費するのは電子伝達系のみであり、クエン酸回路はその前段階として電子伝達体を供給する役割を担っている。また、解糖系だけを取り出して「酸素がなくても進む反応だから細胞呼吸の主役」と誤解するケースもあるが、酸素が不足すると解糖系の生成物は発酵に回され、効率のよい残り2段階には進めなくなる。
光合成との関係
細胞呼吸の図は、光合成の図としばしば対で扱われる。光合成が二酸化炭素と水を材料に光エネルギーでグルコースと酸素を作り出す過程であるのに対し、細胞呼吸はそのグルコースと酸素を材料にエネルギーを取り出し、二酸化炭素と水を放出する逆方向の過程にあたる。両者は物質の面で互いの入力と出力を交換し合う関係にあり、地球規模の物質循環を支えている。植物細胞は葉緑体で光合成を行うと同時に、自らのミトコンドリアで細胞呼吸も行っており、光の当たらない時間帯には細胞呼吸だけが進んでエネルギーを取り出している点も見落としやすいポイントである。動物細胞にはそもそも葉緑体がなく、細胞呼吸だけを行ってエネルギーを得ている点も、二つの図を比較する際の分かりやすい手がかりになる。
