生物学Ⅰ
あなたが細胞であると想像してみましょう。 このグルコース分子に含まれるエネルギーの一部を、代謝反応に利用できるような、より利用しやすい形に変換したいと考えています。 どうすればいいのでしょうか？
幸いなことに、私たちの細胞や他の生物の細胞は、グルコースや他の有機分子（脂肪やアミノ酸など）からエネルギーを得るのに優れています。 ここでは、その鍵となる電子移動反応（酸化還元反応）について説明します。
酸化還元反応
細胞呼吸には、ある分子から別の分子へ電子を渡す反応が多く含まれています。 電子の受け渡しを伴う反応は酸化還元反応（または酸化還元反応）と呼ばれ、細胞の代謝において中心的な役割を担っています。 酸化還元反応では、一方の分子が電子を失って酸化され、もう一方の分子が電子（最初の分子が失ったもの）を得て還元されると言われています。 酸化と還元の意味は、「OIL RIG: Oxidation Is Losing electrons; Reduction Is Gaining electrons」という便利なニーモニックで覚えられます。
Energy in Redox Reactions
図をクリックすると拡大表示されます。 画像はRyan Gutierrez氏の類似図を参考にしています。
酸化還元反応では、電子が移動した結果、位置エネルギーを失うとエネルギーが放出されます。 電子は、電気陰性度の低い原子（CやHなど）と結びつくとより大きな位置エネルギーを持ち、電気陰性度の高い原子（Oなど）と結びつくとより小さな位置エネルギーになります。 したがって、電気陰性度の低い原子から高い原子へと電子または電子密度を移動させる酸化還元反応は、自発的にエネルギーを放出することになる。 例えば、ブタン（C4H10）の燃焼では、炭素と水素から酸素へと電子密度が正味で移動するため、エネルギーが放出されるのです。 グルコースなどの分子が「高エネルギー」電子を持っていると言われることがありますが、これは、その \text{C}-Â text{C} and \text{C}-Â text{H} bonds の電子が比較的高い位置エネルギーを持つことを意味します。 しかし、細胞の中では、燃焼反応で一度にすべてのエネルギーを放出するのは得策ではありません。 その代わり、細胞はグルコースから制御された方法でエネルギーを採取し、できるだけ多くのエネルギーをATPの形で取り込んでいる。 これは、グルコースを爆発的にではなく、徐々に酸化させることで達成される。
- 細胞呼吸は、グルコースからすべての電子を一度に引き離すのではなく、ペアで引き離すのである。 グルコースから電子対を取り除く酸化還元反応は、電子キャリアと呼ばれる小さな分子に電子を移します。
- 電子キャリアは、ミトコンドリア内膜にある一連のタンパク質と有機分子の電子輸送系に電子を預けます。 電子は、一連のエネルギー放出ステップで1つのコンポーネントから次のコンポーネントに渡され、電気化学的勾配の形でエネルギーを取り込むことができます。
以下では、酸化還元担体と電子輸送チェーンの両方について詳しく見ていきます。
分子から電子が除去されて酸化すると、酸化化合物の潜在エネルギーが減少する結果になります。 しかし、細胞の細胞質内では、電子（水素原子の一部であることもある）は結合していないままではありません。 むしろ、電子は第二の化合物に移動し、第二の化合物を還元する。 電子がある化合物から別の化合物に移動することで、最初の化合物（酸化化合物）の位置エネルギーが奪われ、2番目の化合物（還元化合物）の位置エネルギーが増加するのである。 原子に蓄えられ、燃料電池の機能に使われるエネルギーのほとんどは、高エネルギーの電子であるため、分子間の電子の移動は重要である。 電子の形でエネルギーを伝達することにより、細胞は、一度に破壊的な爆発を起こすのではなく、小さなパッケージで段階的にエネルギーを伝達し、使用することができるようになる。 この章では、食物からのエネルギー抽出に焦点を当てます。転送の経路を追跡すると、代謝経路を移動する電子の経路を追跡していることがわかります。
電子キャリア
電子シャトルとも呼ばれる電子キャリアは、酸化型と還元型を容易に繰り返す小さな有機分子で、代謝反応中の電子輸送に使用されています。 細胞呼吸の際に特に重要な役割を果たす電子伝達物質が2つある。 NAD+（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、下図参照）とFAD（フラビンアデニンジヌクレオチド）である。 NAD+とFADはともに酸化剤として働き、1個以上のプロトンとともに1対の電子を受け取り、還元型に切り替わることができる。 NAD+の開始上付き文字、プラス、終了上付き文字は、2個の電子と1個のH+を受け入れてNADHになり、FADは2個の電子と2個のH+を受け入れてFADH2になる。 NAD+は細胞呼吸で使われる主要な電子キャリアで、FADは1つ（2つの場合もある）の反応にしか参加しない。
電子キャリアの酸化型（NAD+）を左、還元型（NADH）を右に示す。 NADHの窒素塩基はNAD+よりも水素イオンが1個多く、電子が2個多い。
上の画像にあるように、NAD+はRNAのヌクレオチドのアデニンを含む構造の有機小分子である。 (FADも官能基は異なるが同種の分子である)。 両分子ともビタミンB群の誘導体であり、NAD+はナイアシンから、FADはリボフラビンから生成される。 NAD+とFADは、酵素触媒反応の際に助っ人として働く有機分子である補酵素であり、その反応の過程で電子やプロトンを受け取る。 具体的には、NAD+の開始上付き、プラス、終了上付きとFADの両方が、基質から1つ以上の水素原子を除去するデヒドロゲナーゼと呼ばれる酵素の補酵素として機能します。 例えば、ブドウ糖を酸素の存在下で分解すると、6個の二酸化炭素分子と6個の水分子に変化する。 このときの反応は、
C6H12O6 + O2= 6CO2 + 6H20 + 熱 + ATP
この反応は、そのまま燃焼反応となり、暖炉で木を燃やすときやエンジンでガソリンを燃やすときに起こるような反応と同じです。 ということは、細胞の中でブドウ糖が燃え続けているのでしょうか？ そうではありません。 燃焼反応は全体として起こるプロセスですが、細胞内ではこのプロセスがいくつもの小さなステップに分解されています。 グルコースの結合に含まれるエネルギーは、解糖とクエン酸サイクル（クレブス）の反応中に放出される。そこで、グルコース分子から電子対が取り除かれ（酸化）、NADまたはFADのどちらかに加えられ（還元）、以下に述べる次の反応に使用される。 NADHとFADH2は還元された状態でミトコンドリア内膜の電子輸送系に運ばれ、電子を輸送系の始点かその近くに預け、予測できる一連の流れでタンパク質や有機分子から次の分子に電子を受け渡している。 重要なことは、電子が輸送鎖を通るとき、エネルギー的に「下り坂」であり、各段階でエネルギーが放出されることである。 酸化還元反応の用語では、電子輸送チェーンの各メンバーは、前のメンバーよりも電気陰性度が高く（電子を必要とする）、後のメンバーよりも電気陰性度が低いことを意味する。 NAD+はNADHとして鎖の最初に電子を預け、最も電気陰性であり、酸素はH+とともに鎖の最後で電子を受け取り、水を形成するため、最も電気陰性である。 電子は、輸送鎖を「坂を下る」ように移動しながらエネルギーを放出し、このエネルギーの一部は電気化学的勾配の形で取り込まれ、ATPを作るために使われる。 しかし、グルコースからのエネルギーの多くは、依然として熱として失われています
このことは、以下のビデオのように、実際の電子移動の様子を見れば確認することができます。