【高校生物】発酵とか呼吸とかNADHってなに？を解決

たしかに発酵の結果として、美味しい食べ物は得られます。
ですが、発酵を行う生物は「人間のために美味しいものをつくろう！」と思っているのでしょうか？

「発酵」という反応は、大きく「代謝」の一種です。
まずは「代謝」とは何か？を復習しましょう。

そうですね。その使い方も、「代謝」という言葉の意味からすると間違っていません。

「代謝」とは「生体内の化学反応」のことを指します。
したがって、「汗をかきやすい」ことも「痩せやすい」ことも、
体の中での反応が盛んであるという意味で、誤りではありません。

そして「化学反応」であることから、
その反応は大きく「物質を合成する反応」と「物質を分解する反応」にわけられます。

合成する反応を「同化」、分解する反応を「異化」といいます。

同化と異化を考える際に重要な要素として、エネルギーの流れがあります。

同化反応は単純な物質から複雑な物質を合成する反応です。
この際、「合成にはエネルギーが必要」になります。
たとえば何かブロックを使って壮大な作品を作り上げるとしたら、大変ですよね。
大変だから、エネルギーが必要なのです。

一方、異化反応は複雑な物質を単純な物質に分解する反応です。

この際、「合成に使われ物質に蓄えられていたエネルギーが放出」されます。
放出されたエネルギーをもとに、ATPが合成されます。

同化と異化は、図でみるとわかるように、それぞれに対して逆の反応になっています。

さて、今回は異化反応がテーマです。
異化反応の代表例は「呼吸」と「発酵」。

では、呼吸とはどのような反応でしょうか？

呼吸とは、グルコースという「複雑な物質」を二酸化炭素と水という「単純な物質」に分解し
その際に放出されるエネルギーでATPを作り出す異化反応です。
この反応に酸素が使用されます。

では、続いて発酵を確認してみましょう。

発酵とは、グルコースという「複雑な物質」を、

その際に放出されるエネルギーでATPを作り出す異化反応です。

この反応には酸素は使用されません。

つまり「発酵」とは酸素を使用できない生物が、

異化反応によってエネルギーを取り出すために行っています。

発酵には大きく２つあり、「アルコール発酵」と「乳酸発酵」です。

２つは始まり（グルコース）は同じでも最終産物が異なっています。

発酵において、グルコースはいきなり乳酸やエタノールに変わるわけではありません。

どちらの発酵も、そしてなんと呼吸も含めて、

グルコースは一度ピルビン酸に変わります。

グルコースはまず、ピルビン酸に変わります。

そしてこのとき異化反応によってATPが生産されます。

ところで、グルコースとピルビン酸の化学式に着目してください。

になる。

そうですね。４つ分足りません。

したがってこの４つのHはこの反応のなかで、どこかに出て行くことになります。

簡単にいうと、Hが外されるのであれば、外れたHを受け取る相手が必要であるということです。

このときの受取をNAD ⁺が担います。

ただし、外された４つのHのうち２つはH ⁺となり電子を放出しており、

その電子を受け取って２つはH ^–という特殊状態になっています。

この特殊状態のH ^–をNAD ⁺は受け取ります。

２つH ^–がいるため、NAD ⁺の必要数も２つ。

Hを受け取り、なおかつプラスとマイナスが打ち消しあい、

２つのNADHと残り２つのH ⁺となります。

そして発酵の全体反応のなかで、ATPが生産されるのはグルコースがピルビン酸になるここまでです。

それはNAD ⁺を再生産する必要があるからです。

ピルビン酸までだと、NAD ⁺はどんどんNADHと変わっていき、

NAD ⁺は枯渇します。

Hの受取手であるNAD ⁺がいなくなるとHを外す反応が起こせなくなり、

グルコースを分解できず、ATPも作れません。

したがって、２（NADH +H ⁺）の状態をNAD ⁺の状態に戻す反応が必要です。

さて、どうやれば戻るでしょう？

そうです。４つのHが外され、NADHはNAD ⁺に戻ります。

このとき放出された４つのHはピルビン酸にくっつき、ピルビン酸は乳酸となります。

係数も考慮すると、たしかに４つぶんくっついていますね。

なお、アルコール発酵はピルビン酸に対して脱炭酸酵素が働き、二酸化炭素が外れます。

この反応によってピルビン酸はアセトアルデヒドとなり、

NAD ⁺再生産時のHの受取手は、アセトアルデヒドになります。