細胞呼吸：生物が栄養素を利用可能なエネルギーに変換する仕組み

主な段階と構成要素

真核細胞におけるグルコースからのエネルギー取り出しは、通常、連続する段階として説明される。これには、細胞質でグルコースをピルビン酸へ分解する解糖系、酸化的脱炭酸とクエン酸回路（クレブス回路）、さらに膜上でのATP合成と共役した電子伝達系が含まれる。細菌と古細菌も、しばしば細胞膜に関連する類似の経路を用いる。直接的に生成される生化学的なエネルギー通貨はATPであり、ほかの生成物には二酸化炭素、水、ならびに経路によっては還元された有機化合物がある。

種類と例

呼吸は一般に、酸素への依存性によって分類される。好気呼吸は酸素を必要とし、酸素を用いない経路よりもグルコース1分子当たり多くのATPを生じる。詳細は好気呼吸を参照。嫌気呼吸は酸素なしで進行し、複数の発酵形態や代替的な電子受容体の系を含む。詳細は嫌気呼吸を参照。嫌気的代謝の例には、酵母によるエタノール発酵（製パンや醸造に利用される）と、激しい運動時の動物の筋肉における乳酸生成がある。多くの生物は、デンプンのような複雑な多糖類、あるいはより単純な糖を摂取して炭水化物を得ており、これらは分解されて各経路の燃料となる。

起こる場所と特殊な場合

解糖系と一部の発酵反応は細胞質で起こる。真核生物では、クエン酸回路と酸化的リン酸化を含む好気的段階の大部分がミトコンドリアで進行する。原核生物は、これに対応する酸化還元反応を細胞膜上で行う。一部の微生物は酸素の利用可能性に応じて好気的様式と嫌気的様式を切り替える。また、酸素の代わりに硝酸塩や硫酸塩などを電子受容体として用いるものもある。

重要性、熱、および生態学的役割

呼吸は、生合成、運動、能動輸送、細胞の維持を駆動するATPを供給する。これらの代謝反応では、エネルギーの一部が熱としても放出され、恒温動物の体温や生態系の熱収支に寄与する。より大きな規模では、呼吸は有機物中の炭素を二酸化炭素として大気へ戻し、地球規模の炭素循環と結び付いている。

歴史的事項と区別

初期の化学者や生理学者は、生物が酸素を消費し二酸化炭素を生産することを認識していた。その後の生化学研究により、分子レベルの経路と、ミトコンドリアおよびATPの役割が明らかにされた。読者にとって重要な区別は、呼吸（細胞におけるエネルギー変換）は呼吸運動と同一ではないこと、また好気的経路と嫌気的経路では収量と副産物が異なることである。たとえば、酵母ではアルコールと二酸化炭素が、動物の筋肉では乳酸が生じる。

• 主要な段階：解糖系、クエン酸回路、電子伝達系。
• 一般的な基質：グルコース、脂肪酸、アミノ酸。
• 一般的な場面：細胞の維持、運動、成長、食品生産における発酵。
• 関連過程：光合成は、多くの生態系における好気呼吸を支える有機化合物と酸素を供給する。

入門的な概説や追加の情報については、一般生物学の資料、および細胞の機構と代謝経路に関する専門記事を参照されたい。専門的な総説では、分類群間の変異や、発酵技術、代謝疾患の臨床的意義といった実用的応用も扱われる。