呼吸に関係する物質の量的関係

呼吸に関わる物質の量的関係

呼吸は解糖系、クエン酸回路、電子伝達系の３つに分類されるが、それぞれの化学反応式は教科書や参考書によって異なる場合が多く、ある所が省略されていたり、ある部分が詳しく書かれていたりする。改めて、それぞれの量的関係を確認していきたい。

https://www.britannica.com/

解糖系

グルコースから２個ピルビン酸を作る反応である。

取り込まれるもの

C₆H₁₂O₆
4ADP + 4H₃PO₄
2NAD⁺

出すもの

C₃H₄O₃
2NADH + 2H⁺
2ATP
2H₂O

これらの物質の出入りをまとめると次のような式になる（東京書籍　生物）。

C₆H₁₂O₆ + 2ADP + 2H₃PO₄ +2NAD⁺ → 2C₃H₄O₃ + 2NADH + 2H⁺ + 2ATP + 2H₂O

しかし、他の参考書には次のように書かれることもある。

C₆H₁₂O₆ + 2NAD⁺ → 2C₃H₄O₃+ 2NADH + H⁺ + 2ATP

この式のどちらが正しいかと言われれば、どちらもある面では正しいし、ある面では不足していると言える。

解糖系全体では水分子の出は０である

先程の東京書籍の化学反応式では解糖系で水分子が２つ生じることになっているが、呼吸全体を示す式においては解糖系の2H₂Oは含めない。

C₆H₁₂O₆ + 6H₂O + 6O₂ → 6CO₂ + 12H₂O（この１２個の水分子は電子伝達系で生じるものである）

その理由は次の引用の通りである。

まず、解糖系ではGAPから1,3-BPGへの反応の際にATPを使わずにリン酸化するのに水が出ないので、実質的に水を取り込んだことになります（グルコース１分子あたり２分子の水を取り込む）。また、2-PGからPEPへの反応に際して、素直に水が取れます（グルコース１分子あたり２分子の水を放出）。ですから反応に直接関与する水分子だけを見ると解糖系では水を放出していることになりますが、リン酸化の際の実質的に水の出入りを計算に入れた場合は、差し引き０で、解糖系全体では水分子の出入りがなくなります。

http://www.photosynthesis.jp/

とてもややこしいことであるが、リン酸化の際に水が一緒に取り込まれているというイメージである。そもそも、リン酸結合を形成する際には水が発生する。それは、ATP合成の際を例に見れば理解しやすい。

ADP + H₃PO₄ + エネルギー ⇔ ATP + H₂O

同様に、解糖系でもリン酸が結合する際には、本来水が出るはずであるが、出ておらず無水結合している。これは、もっと丁寧に言うならば、水がリン酸化する際に出たが、すぐに物質に取り込まれたと言えるだろう。

C₆H₁₂O₆ + 2ADP + 2H₃PO₄ (Pi + H₂O リン酸化の際に水が生じるがすぐに取り込まれる”)+2NAD⁺ →　 H⁺ + 2ATP + 2H₂O + 2NADH

反応式の表面に出る水分子だけではなく、リン酸化などの際の実質的な水分子の動きも考慮する必要があります。

http://www.photosynthesis.jp/

リン酸を示す式においてはリン酸に水分子が含まれると考えると、右辺に水分子を記している東京書籍の反応式が正しいし、リン酸を示さない式においては右辺にH2Oを書くべきではないと言える。

クエン酸回路

２個のピルビン酸を脱水素・脱炭酸し6CO₂にする反応である。

取り込まれるもの

2C₃H₄O₃
6H₂O
2ADP + 2H₃PO₄
8NAD⁺
2FAD

出すもの

6CO₂
8NADH + 8H⁺
2FADH₂
2H₂O（回路に再度組み込まれる）

クエン酸回路の水の出は０である

ATPの合成・分解は、ADP＋リン酸とATP＋水の間の変換が基本であるが、他の反応が組み合わさると見かけが異なってくる。αケトグルたる酸からコハク酸が生じる反応段階で、ADPとリン酸からATPがつくられるときに、普通はATP合成とともに出来るH₂Oがおもてに表われずに反応に使われる（東京書籍生物）。ここでATPとともにH₂Oが生じ、このH₂Oが反応に取り込まれたと見なすため、呼吸全体（下化学反応式）の化学反応式には登場しない。

C₆H₁₂O₆ + 6H₂O + 6O₂ → 6CO₂ + 12H₂O（この１２個の水分子は電子伝達系で生じるものである）