代謝（知識）の問題

難易度 2教科書の章末問題レベル高校生物代謝（知識）

真核生物の細胞が行う呼吸は、解糖系・クエン酸回路・電子伝達系の3つの過程に分けられる。呼吸の各過程と、その反応が起こる場所について述べた文として最も適当なものを、次のア〜オのうちから1つ選べ。

ア　解糖系では、グルコースがピルビン酸に分解される過程で $NA D^{+}$ が還元されて NADH が生じる。この反応はミトコンドリアのマトリックスで起こる。
イ　解糖系で生じたピルビン酸はミトコンドリアのマトリックスに取り込まれてアセチル CoA に変えられる。この過程では $C O_{2}$ は放出されない。
ウ　電子伝達系では、NADH や $FAD H_{2}$ から渡された電子がミトコンドリア内膜のタンパク質複合体を順に伝わり、その際に $H^{+}$ がマトリックスから膜間腔へ輸送される。この $H^{+}$ が ATP 合成酵素を通ってマトリックスへ戻るときに ATP が合成される。
エ　呼吸で細胞に取り込まれた $O_{2}$ は、ミトコンドリアのマトリックスで進むクエン酸回路において有機物の炭素と結合し、 $C O_{2}$ となって放出される。
オ　クエン酸回路はミトコンドリアのマトリックスで進み、その過程で NADH や $FAD H_{2}$ が生じる。呼吸で合成される ATP の大部分は、このクエン酸回路の反応によって合成される。

この問題で使うもの

解糖系とクエン酸回路（説明と入口の問題）
電子伝達系と ATP 合成（説明と入口の問題）

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算数中学高校大学大学院

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ヒント

行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。

ヒント 1

解糖系・クエン酸回路・電子伝達系のそれぞれについて、反応が起こる場所（細胞質基質・マトリックス・内膜）と、出入りする物質（ $C O_{2}$ ・ $O_{2}$ ・NADH・ATP）を整理しよう。

ヒント 2

$C O_{2}$ は有機物の脱炭酸反応で生じ、 $O_{2}$ は電子伝達系の最後に電子を受け取って水になる。ATP の大部分は内膜の $H^{+}$ の濃度勾配を利用してつくられる。

ヒント 3

アは反応の場所、イはピルビン酸からアセチル CoA ができるときの $C O_{2}$ の有無、エは $O_{2}$ のゆくえ、オは ATP を最も多く合成する過程に注目すると、それぞれ誤りの箇所が見つかる。

答えと解説

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ウ

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解説を読む

呼吸の3つの過程を、反応の場所・出入りする物質・ATP の生成量の観点で整理する。

解糖系：細胞質基質で進む。グルコース1分子が2分子のピルビン酸に分解され、NADH が生じ、差し引き2分子の ATP が合成される。 $O_{2}$ は使われない。
ピルビン酸の変化とクエン酸回路：ピルビン酸はミトコンドリアのマトリックスに入り、脱炭酸されて（ $C O_{2}$ を放出して）アセチル CoA になる。アセチル CoA はオキサロ酢酸と結合してクエン酸となり、回路を一巡する間に脱炭酸で $C O_{2}$ が放出され、NADH・ $FAD H_{2}$ が生じる。ATP はグルコース1分子あたり2分子合成される。
電子伝達系：ミトコンドリアの内膜で進む。NADH・ $FAD H_{2}$ から渡された電子が内膜のタンパク質複合体を伝わる間に、 $H^{+}$ がマトリックスから膜間腔へ輸送され、膜間腔の $H^{+}$ 濃度が高くなる。この濃度勾配にしたがって $H^{+}$ が ATP 合成酵素を通ってマトリックスへ戻るときに ATP が合成される。電子は最終的に $O_{2}$ に渡され、 $H^{+}$ と結びついて水が生じる。呼吸で合成される ATP の大部分（グルコース1分子あたり最大34分子）はこの過程でつくられる。

各選択肢の検討
- ア：誤り。NADH が生じる点は正しいが、解糖系が起こる場所はマトリックスではなく細胞質基質である。
- イ：誤り。ピルビン酸がマトリックスでアセチル CoA に変えられる点は正しいが、この過程では脱炭酸反応によって $C O_{2}$ が放出される。
- ウ：正しい。電子の流れ、 $H^{+}$ の輸送の向き（マトリックス→膜間腔）、ATP 合成酵素を通る $H^{+}$ の向き（膜間腔→マトリックス）のいずれも教科書の記述どおりである。
- エ：誤り。クエン酸回路がマトリックスで進む点は正しいが、取り込まれた $O_{2}$ は電子伝達系で電子を受け取り、水になる。放出される $C O_{2}$ は、ピルビン酸やクエン酸回路の有機物の脱炭酸反応によって生じたものである。
- オ：誤り。クエン酸回路がマトリックスで進み NADH や $FAD H_{2}$ が生じる点は正しいが、ATP の大部分が合成されるのは電子伝達系である（クエン酸回路ではグルコース1分子あたり2分子）。

よって答えはウである。

別解

各選択肢を検討する。

ア：解糖系は細胞質基質で起こる。ミトコンドリアのマトリックスではないので誤り。

イ：ピルビン酸はマトリックスでアセチル CoA に変わるが、その際に脱炭酸（ $C O_{2}$ の放出）と脱水素が起こる。「放出されない」は誤り。

ウ：電子伝達系はミトコンドリア内膜で起こる。NADH や $FAD H_{2}$ の電子が複合体を伝わるときに $H^{+}$ がマトリックスから膜間腔へ輸送され、生じた $H^{+}$ の濃度勾配によって $H^{+}$ が ATP 合成酵素を通ってマトリックスへ戻るときに ATP が合成される（酸化的リン酸化）。正しい。

エ： $O_{2}$ は電子伝達系の最終段階で $H^{+}$ と電子と結合して $H_{2} O$ になる。 $C O_{2}$ はクエン酸回路などで有機物由来の炭素から生じ、 $O_{2}$ に由来するのではない。誤り。

オ：クエン酸回路がマトリックスで起こり NADH や $FAD H_{2}$ が生じる点は正しいが、ATP の大部分は電子伝達系で合成される。誤り。

正解はウ。

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