主な違い – 好気性呼吸と嫌気性呼吸
生物の細胞呼吸には、好気性呼吸と嫌気性呼吸の2種類があります。
細胞呼吸とは、食物を分解し、ATPという形で位置エネルギーを放出するプロセスです。
高等動物や植物では、好気性呼吸が行われています。
嫌気性呼吸は、主に酵母のような微生物で起こります。
どちらのプロセスも原料としてグルコースを使用します。
好気呼吸と嫌気呼吸の主な違いは、好気呼吸が酸素の存在下で行われるのに対し、嫌気呼吸は酸素のない状態で行われることである。
今回は、その検証を行います。
- 好気性呼吸とは
– 特徴、プロセス - 嫌気性呼吸とは
– 特徴、プロセス - 好気性呼吸と嫌気性呼吸の違いとは？
好気性呼吸とは？
酸素の存在下で、食物を分解してATPの形でエネルギーを生成する一連の反応を好気性呼吸という。
細胞内では、高等植物や動物で最も多く行われているのが好気性呼吸です。
好気性呼吸は、ミトコンドリアだけでなく、細胞質でも行われる。
グルコース1分子から36ATPを産生する。
基本的に、好気性呼吸には3つのステップが関与している。
解糖、クエン酸サイクル、電子輸送連鎖です。
基質は主にグルコースで、無機質の最終生成物は二酸化炭素と水です。
したがって、好気性呼吸は光合成の逆です。
好気性呼吸の全体的な化学反応を以下に示す。
好気性呼吸の化学反応
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 2,900 kJ/mol
解糖は好気呼吸の第1段階であり、酸素がなくても単独で起こる。
したがって、嫌気性呼吸においてもグルコース分解の第1段階です。
解糖はすべての細胞の細胞質で起こる。
解糖の際、グルコースは2つのピルビン酸分子に分解され、純益として2ATPが生成される。
さらに、グリセルアルデヒド-3-リン酸から電子を獲得して2分子のNADHが生成される。
ピルビン酸はミトコンドリアのマトリックスに変化し、ピルビン酸の酸化的脱炭酸の際に二酸化炭素を除去してピルビン酸からアセチル-CoAを生成する。
アセチル-CoAはその後、クレブスサイクルとも呼ばれるクエン酸サイクルに入る。
クエン酸サイクルでは、グルコース1分子が完全に酸化されて6つの二酸化炭素分子になり、2つのGTP、6つのNADH、2つのFADH2が生成される。
このNADHとFADH2が酸素と結合し、酸化的リン酸化の際にATPが生成される。
酸化的リン酸化はミトコンドリアの内膜で起こり、電子輸送連鎖の一連の担体を介して電子が伝達される。
好気性呼吸の総収量は36ATPです。
図1に好気性呼吸の模式図を示す。
図1：好気性呼吸の模式図
嫌気性呼吸とは？
嫌気性呼吸は、酸素がない状態で起こる一連の反応であり、食物を単純な有機化合物に分解し、ATPの形でエネルギーを生成する。
嫌気性呼吸は、一部の細菌、酵母、寄生虫などの微生物で起こります。
これらの生物の細胞の細胞質で発生し、わずか2ATPを生成する。
好気性呼吸は2つのカテゴリーに分類される。
第一のカテゴリーは、解糖とピルビン酸の乳酸またはエタノールへの不完全な酸化によって起こる嫌気性呼吸です。
このプロセスは発酵と呼ばれる。
最終的な電子受容体および水素受容体は、単純な有機最終生成物です。
最終生成物は、廃棄物代謝物として培地中に分泌される。
発酵中、最初の段階として解糖が起こる。
続くピルビン酸は、酵母や一部の細菌ではエタノールに変換される。
植物では、酸素がない場合、嫌気性呼吸によりエタノールが生成される。
このような発酵をエタノール発酵という。
エタノール発酵の化学反応全体を下図に示します。
エタノール発酵の化学反応
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 118 kJ/mol
動物では、酸素がない場合、嫌気性呼吸により乳酸が生成される。
これを乳酸発酵という。
乳酸発酵の全体的な化学反応を以下に示す。
乳酸発酵の化学反応
C6H12O6 → 2C3H6O3 + 120 kJ/mol
発酵の効率は、好気性呼吸に比べると非常に低い。
乳酸発酵の際に生成される乳酸は、組織に対して毒性があります。
図2に、乳酸発酵における好気性呼吸と嫌気性呼吸の違いを示す。
図2：好気性呼吸と乳酸発酵の違い
2番目の嫌気性呼吸では、電子伝達系の末端にある硫酸塩や硝酸塩が最終的な電子受容体となる。
細菌や古細菌などの一部の原核生物は、このタイプの嫌気性呼吸を行っている。
硫酸が電子を受け取ることで、最終生成物として硫化水素が生成される。
メタン菌では、最終的な電子受容体は二酸化炭素であり、最終生成物としてメタンが生成される。
好気性呼吸と嫌気性呼吸の違い
酸素
好気性呼吸。
酸素の存在下で行われる好気性呼吸。
嫌気性呼吸。
酸素がない状態で行われる呼吸。
植物・動物の種類
好気性呼吸。
すべての高等動植物に存在する。
嫌気性呼吸。
嫌気性呼吸は、通常、微生物に見られるが、高等生物にはほとんど見られない。
発生状況
好気性呼吸。
好気性呼吸は細胞内だけで行われる。
嫌気性呼吸。
嫌気性呼吸は、どこでも起こる可能性がある。
細胞内局在
好気性呼吸。
細胞質とミトコンドリアで好気性呼吸が行われる。
嫌気性呼吸。
嫌気性呼吸は細胞質のみで行われる。
正社員／派遣社員
好気性呼吸。
酸素ガスの存在下で継続的に行われる呼吸。
嫌気性呼吸。
嫌気性呼吸は、微生物では継続的に行われる。
しかし、高等動物では、酸素がない状態で起こる。
ステップ数
好気性呼吸。
解糖、ピルビン酸酸化、TCAサイクル、電子輸送鎖、ATP合成を経て、好気性呼吸が行われる。
嫌気性呼吸。
解糖とピルビン酸の不完全な分解により、嫌気性呼吸が行われる。
効率性
好気性呼吸。
好気性呼吸では、グルコース1分子あたり36ATPが生成される。
嫌気性呼吸。
無酸素呼吸では、グルコース1分子あたり2ATPを生成する。
毒性
好気性呼吸。
好気性呼吸は生物に無毒です。
嫌気性呼吸。
好気性呼吸は高等生物に有毒です。
最終製品
好気性呼吸。
好気性呼吸の最終生成物は、二酸化炭素と水です。
嫌気性呼吸。
酵母での発酵の最終生成物は、エタノールと二酸化炭素。
動物では、最終生成物は乳酸。
細菌では、最終生成物としてメタンと硫化水素が生成される。
酸化
好気性呼吸。
好気性呼吸：基質が完全に酸化され、炭酸ガスと水になる。
嫌気性呼吸。
嫌気性呼吸：基質が不完全に酸化される。
結論
細胞呼吸は、好気性呼吸と嫌気性呼吸という2つの経路で行われる。
好気性呼吸は、主に高等動物や植物で行われる。
嫌気性呼吸は、寄生虫、酵母、一部の細菌などの微生物で発生します。
好気性呼吸と嫌気性呼吸のどちらも基質としてグルコースを使用します。
好気性呼吸は酸素の存在下で行われ、基質を完全に酸化し、無機質の最終生成物、二酸化炭素、および水を生じる。
一方、嫌気性呼吸は酸素がない状態で行われ、基質が不完全に酸化され、エタノールなどの有機物の最終生成物が得られる。
嫌気性呼吸では基質が不完全に酸化されるため、ATPの収量は好気性呼吸の収量に比べて非常に少ない。
好気性呼吸では36ATPが得られるが、嫌気性呼吸ではグルコース1分子あたり2ATPしか得られない。
これが、好気性呼吸と嫌気性呼吸の違いです。
参考にしてください。
1. Cooper, Geoffrey M. “Metabolic Energy”. The Cell: A Molecular Approach. 第2版. 米国国立医学図書館、1970年1月1日。
Web. 07 Apr. 2017.
2. Jurtshuk, Peter, and Jr. “Bacterial Metabolism”. 医学の微生物学。
第4版. 米国国立医学図書館, 01 Jan. 1996. Web. 07 Apr. 2017.
3. “Aerobic Respiration and Anaerobic Respiration – Pass My Exams: GSCE Biologyのための簡単な試験改訂ノート”. Aerobic Respiration and Anaerobic Respiration – Pass My Exams: GSCE Biologyのための簡単な試験対策ノート。
