高校生物 呼 吸   by 池田博明


●第0節 病原性大腸菌   病原性大腸菌の話  (O157が猛威をふるっていたときの授業 1990年代)
    (別ファイルにあり)


第1節 外呼吸と内呼吸  呼吸の本質はガス交換である

    外呼吸  大気と体内のガス交換  呼吸の呼吸運動によって行われる
    内呼吸  体内の細胞の間のガス交換  細胞呼吸ともいう

      

図はライフ 9th editionより
(A)えら(体外の鰓)、(B)えら(体内の鰓)、(C)肺、(D)気管
昆虫の気管(CはSEM画像)によるガス交換。気門(Bのspiracle)という孔から大気を取り込む


魚の鰓によるガス交換。口から飲み込んだ水が体内の鰓を通って酸素を供給する。鰓のラメラ(層板)は水流と逆に位置している

(A)同向流と(B)逆向流

 鰓内の血液流が水流と同一方向であるときと、逆方向であるときの血液中の酸素飽和度を比較すると、
 (A)同向流の場合には水の酸素と鰓の血液の酸素の飽和度の差が大きいのでロスも大きく、末端に行くとともに50%程度に低下してしまう。

 (B)逆向流の場合には双方の飽和度が近いためロスが少なく酸素が受け渡され、末端では血液中の酸素飽和度100%が確保できる。このような逆向流は循環系の熱交換でも活用されている。


ヒトの肺(lung)と気管支(bronchi)と肺胞(alveoli),横隔膜(diaphragm)


大気圧760mmHgのうち 肺胞気圧760mmHg 静脈血698mmHg
酸素分圧 152mmHg 100mmHg 30mmHg
窒素分圧 608mmHg 575mmHg 575mmHg
CO2分圧 40mmHg 46mmHg
水蒸気分圧 45mmHg 47mmHg



酸素解離曲線   生物基礎 第3部恒常性と調節の項

 酸素解離曲線はヘモグロビンの酸素結合度を示したグラフである。酸素ヘモグロビンの割合から組織に渡す酸素の割合が算出できる。酸素濃度が高いほど酸素ヘモグロビンが多いのは当然である。気体の分圧は各気体のモル濃度に比例する。

  19世紀に気球が上空を飛ぶようになって,大気圧の減少と酸素分圧の低下,呼吸への悪影響に関心が高まった。フランス科学アカデミーによるポール・ベールを責任者にした1875年の実験は8600mの上空で気球の乗員が麻痺・失神し,なんとか生還した1名を除き,2名が死亡した。
 ベールは翌年,動物実験等の結果をまとめて報告,酸素圧と血液中の酸素濃度の関係を示して酸素の欠乏が呼吸困難を引き起こすことを明らかにした。ベールはベルナールの弟子であった。
  デンマークのクリスチャン・ボーアは薄いヘモグロビン溶液で初めて酸素解離曲線を描き(1885年),全血でS字形曲線に修正した(1903年)。さらに1904年にボーアと二人の弟子はヘモグロビンの酸素結合度が二酸化炭素分圧に影響されることを発見した。ボーアは56歳で急死したが,原子構造モデルで著名なニールス・ボーアの父である。
  その後,英国のホールデン(COの効果等を研究)やバークロフトが酸素解離曲線の研究を発展させた。二酸化炭素の効果が本質的にpHの効果であることを示したのはバークロフトの業績である。(『生理学の夜明け』より)



第2節 嫌気呼吸 発酵

 ▼真船和夫『光合成と呼吸の科学史』(1998年,星の環会)

   発酵
   (ブドウ糖を燃焼させ,エネルギー=熱・ATPを発生させる)
   ATP(正式名はアデノシン3リン酸)を生成
     乳酸発酵
     アルコール発酵

  《セント・ジェルジの実験》
          ほぐす        ATP分解
                     エネルギー発生      動く
   死んだ動物の筋肉      糸状の筋繊維      (筋収縮)

 乳酸発酵

   乳酸菌…細菌の一種(核がない)。球状のストレプトコッカス、棒状のラクトバチルスなど

           2ATP  
   ブドウ糖 →↓→↑→ ピルビン酸 → 乳酸 (排出される)
           4H (脱水素酵素)  ↑
                         4H
 化学式で表すと, 
   C12     C       C
    ブドウ糖        ピルビン酸     乳酸
                C       C
                  ピルビン酸     乳酸
                4H
        ※1つのブドウ糖から2つのピルビン酸ができる。

 筋肉中で起こる解糖= 乳酸発酵と同じ反応が起こる。ピルビン酸に作用する酵素は乳酸脱水素酵素LDHである。
                            この酵素の名称は乳酸から脱水素する働きだが可逆反応を触媒する。
 《筋肉》     2ATP(筋収縮)       
 ブドウ糖 →↓→↑→  ピルビン酸 → 乳酸 (排出される)
        4H              
 乳酸を分解するためには酸素が必要。※乳酸を排出しないと筋肉が硬直してしまう。
                  (死後硬直の状態)

 「乳酸は疲労原因物質ではない」(2004年10月13日 ためしてガッテンより)

 乳酸菌飲料として著名なカルピスの創業に関してはカルピス社のウェブがある。
 カルピスは乳酸発酵に使った乳酸菌は加熱処理しているため、生きていない。
 ヤクルトやヨーグルトは「生菌」を謳っている。つまり乳酸菌は生きている。
 近年は発酵に使った乳酸菌の株名が書かれている。


 アルコール発酵…嫌気呼吸の一つ。二酸化炭素とエタノールを発生。
 コウボ菌(真菌の一種)  アルコール発酵するコウボ菌には核がある。
 ミトコンドリア有り=好気呼吸できる  
 《コウボ菌》
     2ATP        2CO
 ブドウ糖 →↑→↓→ ピルビン酸 →↑→ 2COH
        4H           (エタノール=エチルアルコール)

                 この反応系ではピルビン酸に脱炭酸酵素が働いてまずアセトアルデヒドができる。
                 次にアセトアルデヒドCH3CHOに脱水素酵素が働いて水素が付加、エタノールができる。

                 飲酒でエタノールを飲むとエタノールは脱水素されて(酸化されて)アセトアルデヒドができる。
                 悪酔の原因となるのが、このアセトアルデヒドである。


      発酵はおいしい  小泉武夫  読売新聞(2015/03/18〜)より

 発酵食品の臭いセンサーを開発した東京農業大学 小泉教授。
 世界一はスウェーデンの「シュール・ストレンミング」 臭い数値は8070
   (ニシンを塩漬けにして発酵させた。熟したギンナン+クサヤ+塩辛=凄絶!)
  (2) 韓国のエイの発酵料理ホンオ・フェ  6230
  (3)  ニュージーランドのエピキュアーチーズ  1870
  (4)  ウミツバメの発酵食品キビヤック  1370
  (5) 焼きたてのクサヤ  1267
  (6) フナ鮨  486
  (7) 納豆  452  納豆菌は腐敗菌に強い
  (8) 焼く前のクサヤ  447
  (9) タクアン 古漬け 430
  (10) 中国の臭豆腐 420 


  酢酸発酵   エタノール+酸素 → 酢酸
                         酢酸の健康効果 (1)脂肪細胞の脂肪取り込みを抑制 (2)免疫の過剰反応を抑制=花粉症を緩和
           NHK 美と若さの新常識 より 1日におおさじ1(5から8倍にうすめて)


第3節  好気呼吸

 好気呼吸の段階
  第一段階   解糖系  エムデン=マイヤーホフ経路

 《ヒトの細胞質》
  C12     2C(ピルビン酸)
              2ATP
              4H ……ミトコンドリアに運搬される

  第二段階  クエン酸回路(ミトコンドリアにおいて)

 ピルビン酸 → 活性酢酸(アセチルCo−Aである。活性酢酸は古い言い方)
        最初にクエン酸ができる

        脱水素反応
        脱炭酸反応
        水の付加反応

                オキザロ酢酸が回路の最終生産物

        多くのピルビン酸の処理が可能
     

 クエン酸回路の反応式(ピルビン酸をCOとHにわける)
  2C+6HO →    6CO+20 H(10H
  ピルビン酸 に 水の付加    脱炭酸+脱水素
                 (二酸化
                  炭素が
                  とれる)

              呼気として捨てる   水素伝達系へ

   C(ピルビン酸)
        H…脱水素反応
   C
   C    O…脱炭酸反応
   C
      HO …水の付加反応
    C (活性酢酸)→アセチルCoA


  クレブス回路の発見   池田

 ハンス・クレブスは1900年,ドイツのヒルデスハイム生まれ。
 医学博士。26歳のとき、カイザー・ウィルヘルム研究所のワールブルグの研究室の研究生となった。4年後,独裁的なワールブルグに破門され,アルトナ市立病院に勤務しながら,フライブルグ大学科学教授タンホイザーに薄給で雇われた。そこで臨床医として勤務しながら,たった9ケ月で肝臓のオルニチン回路を発見した(1932年)。

 ところが,1933年大学を解雇された。ユダヤ人であるという理由からだった。ユダヤ人学者の窮状に救いの手を伸べてきた英国ケンブリッジ大学のホプキンスはクレブスを無給とはいいながら迎え入れた。1935年,シェフィールド大学の生化学講師となる。

 既に知られていたミトコンドリア内の化合物の反応のうち,左側のコハク酸→フマル酸→リンゴ酸→オキザロ酢酸という反応はセント・ジェルジがハトの胸筋(ミトコンドリアで充満している)を使って,明らかにしていた。一方,クエン酸→シスアコニット酸→イソクエン酸→αケトグルタル酸という経路はドイツのクヌープとマルチウスによって明らかにされていた。

 研究を始めたクレブスは,解糖系の最終生産物ピルビン酸がいかにしてこの反応系に入るかに焦点を絞った。
 ハトの胸筋のスライスにピルビン酸とオキザロ酢酸を加えると,クエン酸が生成することを発見した。
 すなわち左側の反応と右側の反応が結びついたのである。
 1953年,クレブスはリップマンとともにノーベル生理学・医学賞を受賞し,オックスフォード大学教授となった。

  杉晴夫『栄養学を拓いた巨人たち』(ブルーバックス,2013)より


   遠心分離器と電子顕微鏡  池田

 アルベール・クロードは1899年,ベルギー生まれ。医学博士となってロックフェラー研究所に入所,ウイルスを細胞から取り出す方法の開発に取り組み,やがて遠心分離によって細胞の成分を取り出す方法を開発した。
 ジョージ・パラディーは1912年,ルーマニア生まれ。ロックフェラー研究所で電子顕微鏡を使って細胞成分を研究するための方法を開発した。試料の固定法,樹脂への包埋法,ミクロトームによる超薄片作成法などである。
 1974年,クロードとパラディーは「細胞の構造的機能的構築に関する諸発見」により,ノーベル医学生理学賞を受賞した。 

  杉晴夫『栄養学を拓いた巨人たち』(ブルーバックス,2013)より
オルニチン回路の完成  クレブスのオルニチン回路(1932年)は,20年たってから1954,55年に新しい反応が加えられて完成した。もっとも,すりつぶした肝無細胞系で尿素合成が実証されたのは1946年で,以後この経路に関与する酵素系が研究できるようになった。
クエン酸回路の完成  オキザロ酢酸(四炭素)とピルビン酸(三炭素)からクエン酸(六炭素)にそのまま合成されるわけではない。炭素一個分が除かれなければならない。クレブスはピルビン酸の代わりに三炭糖を仮称してサイクルを作りあげた。1937年当時のトリオース(三炭糖)は十数年にわたって不明だった。1951年にフェオドル・リネンによってそれはアセチル助酵素A(二炭素)であることが同定された。

  丸山工作『生化学をつくった人々』(2001年,裳華房)


  第三段階   電子伝達系(=水素伝達系) ミトコンドリア内

  第一段階から   −4H
  第二段階から    −2O H
         計   −24 H

       6O    6HO(水)ができる

水素と酸素の化合…細胞外で起こると激しい反応で爆発を起こす
 (水素伝達系では穏やかに反応…酵素のため)

  発生エネルギーはATP合成に使える 約36分子のATP合成
  (酸素使用)

(参考)発酵では2ATPのみ生成 (酸素を呼吸に使用しない場合)

 好気呼吸では第一段階で2ATP+第三段階で36ATP   計 38ATP

  (ブドウ糖)  (酸素)  (水)     (二酸化炭素) (水)
  126O+ 6H  →   6CO12Hエネルギー
  第一段階  第三段階 第二段階   第二段階  第三段階  第三段階

 グルコース1モル当りのATPの合成数は解糖系で2モル、クエン酸回路で2モル、電子伝達系で34モルである。
 クエン酸回路の途中ではいったんGTPのかたちで作られる。
 また、電子伝達系ではNADが運んできた水素は2H当り3モルのATPが合成されるが、FADでは2モルになる。
 電子伝達系では励起された電子が伝達されて水素イオンのポンプが3個起動される。
 ポンプは水素イオンをくみ上げる。その後、水素イオンが高濃度の膜間腔から落下するエネルギーを利用してATPが合成される。


第4節  エネルギー支出

 ヒトの一日の基礎代謝量(安静時)
  基礎代謝量の算出法=体重×24時間(キロカロリー単位) 

 安静時のエネルギー使用量を見ると,
  体重 62.5kgのヒトの基礎代謝量が 1500 kcalとして
  脳…200kcal 肺…40kcal 心臓…50kcal 腎臓…60kcal  肝臓…350kcal 筋肉…800kcal
 
  体内では筋肉の消費割合が多い。他の細胞よりミトコンドリアが多い=酸素呼吸


 国際肥満学会での理想的体重=身長(m)×身長(m)×22
   BMI(体格指数Body Mass Index)= 体重(s)/{身長(m)×身長(m)}
   BMI=22 この値が最も成人病になりにくい体格,BMI=26.4以上は肥満

 ATPは大腸菌1個に100万分子あるが、細胞分裂のときには2秒で消費されてしまう
  (丸山工作「生体物質とエネルギー」より)
 また、脳1kgには1gのATPが含まれているという。
 ウサギの筋肉 1kg中には 3g 含まれている。



      光合成と呼吸の生物学史     池田博明

  関連の記述は『生物基礎』教授資料朱註p.45-47および『新編生物基礎』教授資料朱註p.35-36にある。『生物』本文にもp.65-66,70-73と史実をふまえて記述されている。史書に真船和夫『光合成と呼吸の科学史』(1998年,星の環会)がある。

      光合成の研究史 [この項の以下の記述は啓林館前教授資料(2000年)より]

 中世にはアリストテレスやその弟子テオフラストスの理論が信奉されていた。「植物体を作る栄養はすべて土から得られる」というのがアリストテレスの仮説だったので,テオフラストスは植物を逆立ちした動物にたとえ,口に当るものが根だとした。ヘルモントJan Baptista van Helmontはこの仮説を検証しようとした。重さを測定した苗と鉢の中の土を使い,5年間水を与えてヤナギを育成した。ヤナギの重量は約75kgも増えたが,土の重さは60g減っただけだった。ヘルモントは論文に「植物体のすべての成分は,ぜんぶ物質的にみても水だけから作られたことを示す実験」と題を付けた(1648年)。

 ヘルモントは空気に注目しなかった。18世紀の産業革命以降,石炭を使う工場が増え,燃焼によって増加するフロギストン(可燃物に含まれる燃素とその燃焼物)が空気を汚すと考えられた。燃焼は酸化反応であり,フロギストン説は誤りだったが,説を信じていた英国のプリーストリーJoseph Priestleyは空気を浄化する方法を発見しようとした。1771年,プリーストリーは「植物は大気を浄化する」という通説を検証した。ガラス鐘に入れたネズミはしばらくして死亡したが,植物を同時に入れればネズミは生存することができた。通説は正しかったと判断された。王立協会はこの発見に感激し,彼に協会賞を贈った。ロンドンのある未亡人はさっそく寝室に熱帯植物を5桶も持ち込んだそうである。しかし,翌朝,婦人は頭痛に苦しんだ。

 1779年に,インヘンホウスIngenhouszはプリーストリーの実験の追試を試みた。彼の論文の表題は「日光の下ではふつうの空気を浄化し,日陰や夜には悪化させる偉大な力を見出す植物に関する諸実験」。光をあてた明所のガラス鐘内では植物と同居したネズミは生存するが,暗所では死亡するという結果だった。

 COの重要性を明らかにしたのはセネビアJ.Senebier(1782年)とソシュールFerdinand de Saussure(1804年)で,ソシュールは植物体がCOとHOから作られることを証明した。これに対して,リービッヒは植物は土中の腐植土から有機態の炭素を吸収し,植物体を作ると反論した。しかし,1857年に水耕法が確立され,COが有機体のもとであることが確定された。

 光合成の産物に関しては,1864年にプッサンゴルとザックスSachsにより炭水化物,特にデンプンであることが確認された。ザックスは光合成が葉緑体で行われることも明らかにした。1900年以前には,光合成速度に対して,CO2濃度・光の強さ・温度などはそれぞれ独立に働き,どれかひとつの要因で限定されることはないと考えられていた。しかし,1905年にブラックマンは諸要因を詳しく調べ,光合成速度は最も条件の悪い要因により限定されるという限定要因説を提唱した。そして光を必要としない反応段階も含まれていると主張した。これを実験で裏付けたのがワールブルクOtto Heinrich Warburgである。改良した検圧計とクロレラを用いた定量的な実験法を開発し,明反応(light reaction)と暗反応(dark reaction)を含む反応系であることを示した(1919年)。

 1931年にファン=ニールは光合成細菌が酸素を放出しないことから緑色植物でも光合成の光の働きは水のような水素供与体を分解してCO2を還元することと考えた。この考えは葉緑体を用いたヒルR.Hillの実験(1937年)で支持された。アメリカのルーベンSamuel Rubinは酸素の同位体を使って,発生する酸素が水に由来することを証明した。ルーベンは太平洋戦争で戦死してしまった。

 取り入れられたCO2の変化について,最初はホルムアルデヒド仮説(1870年。バイエルによる)が検討されたが放射性同位体を使った実験で否定された。カルビンMelvin CalvinやベンソンAndrew Benson らは半減期の長い14Cを使い,回路反応を決定した(1948年)。カルビン・ベンソン回路は植物に共通と考えられていたが,コーチャックH.P.Kortschakとハッチらはサトウキビの初期産物がPGA(C3化合物)ではなく,リンゴ酸やアスパラギン酸などのC4化合物であることを発見,熱帯性植物に別のCO2の固定経路を発見した。

         呼吸の代謝の解明

 筋肉ではグルコースが分解され乳酸が生成される。この反応と乳酸発酵やアルコール発酵と共通の反応系を解糖系と呼ぶ。この代謝経路に関する成果は,1906年,英国のハーデンArthur Harden とヤングWilliam John Young が発酵にはリン酸添加と熱に強い低分子物質(補酵素)が必要であることを明らかにしたことである。 発酵の中間体がピルビン酸であること,ピルビン酸をアセトアルデヒドとCOに分解する酵素カルボキシラーゼはノイバウアーOtto Neubauer により発見された(1911年)。マイヤーホフOtto Meyerhof は筋肉を等張液中ですりつぶして濾過し,無細胞解糖系を得て(1926年),研究した。ドイツのエムデンGustav Embden は中間体にリン酸エステルを考察し,検証した。解糖系のおおすじが判明したのは1935年,ATPの関連が分かって確立したのは1940年頃である。

 チトクロムは1925年に発見された(ケイリンによる,1925年)。1935-1937年にクエン酸回路の中間体や回路反応の基本となる化合物が判明した(セント・ジェルジによる,1935年。マルチウスによる,1937年。クレブスによる,1937年)。クレブスは1932年にオルニチン回路を発見していたので,クエン酸回路を着想する条件は整っていた。レーニンジャーAlbert L. Lehninger がATP生成が電子伝達と共役して起こることを実験的に確かめた(1949-51年)。





BACK TO CONTENTS


解糖系
Newton 2008年2月号  グッドセル博士の絵