呼吸とは?細胞が有機物からATPを得るしくみ

グルコースと酸素から二酸化炭素と水が生じ、ATPが合成される細胞呼吸の流れを示す図 生物基礎
呼吸では有機物を段階的に分解し、取り出したエネルギーの一部でATPを合成する

生物学でいう呼吸は、肺で空気を出し入れすることだけではありません。細胞は有機物を段階的に分解し、その過程で得たエネルギーを使ってATPを合成します。植物も細菌も行う「細胞の呼吸」を、物質・場所・エネルギーの流れから整理します。

ビオップ

なんでなんで?! 植物は肺で息をしないから、呼吸もしないの?

わや先生

植物の細胞も呼吸します。空気の出し入れと、細胞内で有機物からエネルギーを取り出す反応を分けて考えましょう。

この記事でわかること

この記事のゴール

  • 日常語の呼吸と細胞呼吸を区別できる
  • 呼吸の材料・生成物・場所を説明できる
  • 呼吸とATP合成の関係を説明できる
  • 植物も昼夜を通して呼吸すると説明できる
この記事の位置づけ

これまでに学んだ異化・ATP・酵素を、呼吸という一つの過程としてつなぎます。反応経路の名称や詳細は「生物」で扱い、ここでは生物基礎に必要な全体像を中心にします。

まず結論

細胞呼吸の全体像

呼吸は、有機物を段階的に分解し、その過程で得られるエネルギーの一部を使ってATPを合成する異化です。酸素を用いる呼吸では、最終的に二酸化炭素と水が生じます。

グルコースと酸素から二酸化炭素と水が生じ、ATPが合成される細胞呼吸の流れを示す図
図1 呼吸では有機物を段階的に分解し、取り出したエネルギーの一部でATPを合成する

「息をすること」と「細胞の呼吸」は同じではない

ヒトが肺で酸素を取り入れ、二酸化炭素を排出する働きはガス交換です。取り入れた酸素は血液で細胞へ運ばれ、細胞呼吸に使われます。

つまり、肺でのガス交換と細胞呼吸はつながっていますが、同じ現象ではありません。

比較 ガス交換 細胞呼吸
主な内容 外界と体内で酸素・二酸化炭素を交換 有機物を分解しATP合成へつなぐ
ヒトでの主な場所 肺 各細胞の細胞質基質・ミトコンドリア
植物 気孔などを介して気体が出入り 植物細胞でも行われる
ガス交換は、細胞呼吸に必要な物質の出入りを支える

呼吸では何が変化するのか

呼吸の代表的な材料として、グルコースを考えます。酸素を用いる呼吸の全体は、次のように表せます。

呼吸の総括式

グルコース+酸素 → 二酸化炭素+水+エネルギー

取り出したエネルギーの一部がATP合成に使われ、一部は熱として放出されます。

化学式で表すと、代表的には次のようになります。

C6H12O6+6O2 → 6CO2+6H2O+エネルギー

実際は一段階ではない

この式は、反応全体の材料と生成物をまとめたものです。細胞内では多数の酵素が関わり、何段階もの反応を通して少しずつエネルギーを取り出します。

呼吸はどこで行われるか

真核細胞では、呼吸の最初の段階が細胞質基質で進み、その後の主要な過程がミトコンドリアで進みます。ミトコンドリアは、ATP合成の中心となる細胞小器官です。

ただし、「呼吸はすべてミトコンドリアの中で行われる」と覚えると不正確です。また、細菌などの原核生物はミトコンドリアをもちませんが、細胞質や細胞膜にある仕組みを使って有機物からエネルギーを取り出します。

高校ではここまで

解糖系、クエン酸回路、電子伝達系といった反応経路は「生物」で詳しく扱います。生物基礎では、細胞質基質とミトコンドリアが関わること、段階的に進むことを押さえます。

呼吸で得たエネルギーをATPへ受け渡す

有機物を分解したときに得られるエネルギーが、すべて一度に熱になってしまえば、細胞は物質合成や運動に利用できません。細胞は、そのエネルギーの一部を使い、ADPとリン酸からATPを合成します。

合成されたATPが分解されると、その反応に伴って物質合成、能動輸送、運動などへエネルギーが受け渡されます。このため、呼吸は単なる有機物の分解ではなく、生命活動を支えるATP供給の中心となります。

植物も昼夜を通して呼吸する

植物は光合成によって有機物を合成します。しかし、つくった有機物を生命活動に利用するには、呼吸によってATPを合成する必要があります。

  • 光合成:光が必要で、主に葉緑体をもつ細胞で行われる
  • 呼吸:光の有無にかかわらず、植物の生きた細胞で続く

根の細胞は通常、光合成を行いませんが、呼吸は行います。根も物質を吸収したり成長したりするためにATPを必要とするからです。

ビオップ

明るい葉から酸素が出ているときも、呼吸は止まっていないの?

わや先生

止まっていません。明るいときは光合成と呼吸が同時に進み、外からは両者を差し引いた正味の気体交換が観察されます。

気体の出入りは「正味の量」として観察される

葉が明るい場所で二酸化炭素を吸収していても、呼吸がゼロとは限りません。光合成による二酸化炭素吸収量が、呼吸による放出量を上回れば、外からは正味の吸収として見えます。

一方、暗所では光合成が進まないため、生きた葉では呼吸による二酸化炭素放出が観察されます。共通テストでは、グラフの軸、正負の意味、明暗条件を確認してから判断します。

条件 光合成 呼吸 二酸化炭素の正味の出入り
明所 行われる 行われる 両者の差。吸収にも放出にもなり得る
暗所 行われない 行われる 通常は放出
明所でも呼吸は続き、観測値は光合成と呼吸の差になる

確認問題

問1 肺でのガス交換と細胞呼吸の違いを説明してください。
解答例:ガス交換は外界と体内で酸素・二酸化炭素を交換する働きで、細胞呼吸は細胞内で有機物を分解しATP合成へつなぐ化学反応です。
問2 酸素を用いる呼吸の主な材料と生成物を答えてください。
解答:材料はグルコースなどの有機物と酸素、生成物は二酸化炭素と水です。
問3 呼吸で取り出したエネルギーの一部は、何の合成に使われますか。
解答:ADPとリン酸からATPを合成するために使われます。
問4 「真核細胞の呼吸は、すべてミトコンドリアだけで進む」という説明を修正してください。
解答例:呼吸の最初の段階は細胞質基質で進み、その後の主要な過程がミトコンドリアで進みます。
問5 植物の根の細胞が、通常は光合成をしなくても呼吸する理由を答えてください。
解答例:物質の吸収や成長などの生命活動にATPが必要であり、有機物からATPを合成する必要があるためです。
問6 明所の葉で二酸化炭素の正味の吸収が観察されました。「呼吸は行われていない」と結論できない理由を答えてください。
解答:光合成による吸収量と呼吸による放出量の差が観察されるためです。光合成量が呼吸量を上回れば、呼吸中でも正味の吸収になります。

まとめ

この記事のまとめ

  • 細胞呼吸は、有機物を段階的に分解してATP合成へつなぐ異化である。
  • 酸素を用いる呼吸では、グルコースと酸素から二酸化炭素と水が生じる。
  • 真核細胞では、呼吸の一部が細胞質基質、その後の主要過程がミトコンドリアで進む。
  • 原核生物も、ミトコンドリアをもたないまま異化を行う。
  • 植物も昼夜を通して呼吸し、明所の気体交換は光合成と呼吸の差として見える。
わや先生

植物は肺をもたないので、呼吸しないのでしょうか。

ビオップ

肺でのガス交換とは別なんだね。植物の細胞も有機物を分解し、そのエネルギーでATPを合成する呼吸を昼も夜も続けている!

Plus|発酵では酸素を使わずにATPを得る

教科書から一歩先へ

発酵は、酸素を使わずに有機物を分解し、ATPを得る代謝です。酵母が行うアルコール発酵ではエタノールと二酸化炭素が、乳酸菌などが行う乳酸発酵では乳酸が生じます。

酸素を用いる呼吸と比べると、有機物から取り出せるエネルギーは少なくなります。詳しい反応経路や、筋肉で乳酸が生じる条件は「生物」で扱います。

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