呼吸の反応式

呼吸を、解糖系、クエン酸回路、電子伝達系の3つの段階の式に分ける。3本を順に足し、両辺に同じだけある物質を消せば、教科書の式だ。では、両辺の水はそれぞれどの段階の水なのか。答えは原子を数えると分かる。

グルコース（ブドウ糖）${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6$が1個分解されるとき、酸素${\mathrm{O}}_2$が6個と水が6個使われ、二酸化炭素が6個と水が12個できる。式の係数はこの分子の数だが、1 molあたりの物質量と読んでもよい。

3つの段階は、細胞の中の別々の場所で進む。ミトコンドリアは細胞の中にある二重の膜の小さな袋で、内側の膜を内膜、内膜に囲まれた中身をマトリックスという。解糖系が進むのはミトコンドリアの外の細胞質基質で、クエン酸回路はマトリックス、電子伝達系は内膜だ。

途中で外された水素は、NADHやFADH₂という運び役の分子にのって電子伝達系まで運ばれ、教科書ではこの水素原子をまとめて[H]と書く。エネルギーを受け渡す分子のATPは、3つの段階のそれぞれで作られる。

1. 解糖系の式を書く

   $${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6⟶2{\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_4{\mathrm{O}}_3+4[\mathrm{H}]$$

2. クエン酸回路の式を書く

   $$\begin{array}{rl}& 2{\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_4{\mathrm{O}}_3+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\\ & ⟶6\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+20[\mathrm{H}]\end{array}$$

3. 電子伝達系の式を書く

   $$24[\mathrm{H}]+6{\mathrm{O}}_2⟶12{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$

${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_4{\mathrm{O}}_3$はピルビン酸である。手順1と2で外された[H]は4個と20個で、合わせると、手順3で使う24個とちょうど同じ数になる。

4. 手順1と2の、左辺どうし、右辺どうしを足す

   $$\begin{array}{rl}& {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+2{\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_4{\mathrm{O}}_3+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\\ & ⟶2{\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_4{\mathrm{O}}_3+4[\mathrm{H}]\\ & +6\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+20[\mathrm{H}]\end{array}$$

5. 両辺にある$2{\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_4{\mathrm{O}}_3$を消す

   $$\begin{array}{rl}& {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\\ & ⟶4[\mathrm{H}]+6\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+20[\mathrm{H}]\end{array}$$

6. [H]を1つにまとめる

   $$\begin{array}{rl}& {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\\ & ⟶6\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+24[\mathrm{H}]\end{array}$$

7. 手順3の左辺どうし、右辺どうしを足す

   $$\begin{array}{rl}& {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+24[\mathrm{H}]+6{\mathrm{O}}_2\\ & ⟶6\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+24[\mathrm{H}]+12{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\end{array}$$

8. 両辺の24[H]を消す（左辺の並びは入れかえてよい）

   $$\begin{array}{rl}& {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{O}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\\ & ⟶6\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+12{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\end{array}$$

つまみで段階を進めると、水の行は6個のまま解糖系を通り、クエン酸回路で0個に減り、電子伝達系で12個に増える。左辺の水と右辺の水は、別の段階で使われ、別の段階でできた水なのだ。

手順8の両辺から水を6個ずつ引けば、${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{O}}_2⟶6\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$という短い式になる。原子の数はどちらでも合う。ただ、短い式からは、水が一度使われてから作り直されることが読み取れない。

原子	左辺	右辺
C	6	6
H	12 + 12 = 24	12 × 2 = 24
O	6 + 12 + 6 = 24	12 + 12 = 24

段階ごとの式で酸素原子を追うと、もう1つ分かることがある。二酸化炭素6個に含まれる酸素原子12個は、グルコースの6個と、クエン酸回路で使う水の6個から来る。吸い込んだ酸素の12個は電子伝達系でできる水12個にすべて入り、二酸化炭素には1個も入らない。