発酵と解糖

アルコール発酵（ピルビン酸から $C O_{2}$ が除かれアセトアルデヒドが NADH で還元されてエタノール）・乳酸発酵・筋肉の解糖で、NADH から $NA D^{+}$ が再生されて酸素がなくても解糖系が続くこと、反応が細胞質基質で起こることについて、正しい記述や空欄に入る語句を選べる

前提

解糖系とクエン酸回路（高校生物代謝（知識））

この技能までの道筋（67 技能）

算数中学高校大学大学院

読み込み中…

右端（太枠）がこの技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。

一覧で見る（前提が先）

実験器具の使い方と安全（中学理科化学分野の用語と知識）
気体の発生方法・性質・集め方（中学理科化学分野の用語と知識）
有機物・無機物と金属の性質（中学理科化学分野の用語と知識）
原子・分子と化学式（中学理科化学分野の用語と知識）
原子の構造と同位体（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
電子配置と価電子（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
周期表と周期律（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
イオン化エネルギー・電子親和力・電気陰性度（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
イオンと電離・電解質（中学理科化学分野の用語と知識）
イオン結合と金属結合（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
共有結合と配位結合（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
分子の形と極性（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
分子間力と沸点（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
結晶の種類と性質（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
水溶液の性質と再結晶（中学理科化学分野の用語と知識）
溶解のしくみ（水和）と極性による溶けやすさ（高校化学溶液の性質（知識））
有機化合物の特徴と官能基による分類（高校化学有機化合物（知識））
酸・アルカリと中和・指示薬（中学理科化学分野の用語と知識）
アレニウスとブレンステッド・ローリーの酸・塩基の定義（高校化学酸と塩基（知識））
酸・塩基の価数・強弱と電離度（高校化学酸と塩基（知識））
水の電離と pH・身のまわりの物質の液性（高校化学酸と塩基（知識））
アミノ酸の性質と等電点（高校化学高分子化合物（知識））
構造異性体（高校化学有機化合物（知識））
脂肪族炭化水素の置換反応・付加反応・付加重合（高校化学有機化合物（知識））
分解と化合（化学変化の種類）（中学理科化学分野の用語と知識）
酸化と還元（中学理科化学分野の用語と知識）
酸化・還元の定義（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
アルコールとエーテル（高校化学有機化合物（知識））
酸化数と酸化・還元の判定（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
酸化剤と還元剤（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
アルデヒドとケトン（高校化学有機化合物（知識））
弱酸の遊離・揮発性の酸の遊離（高校化学酸と塩基（知識））
カルボン酸とエステル（高校化学有機化合物（知識））
高分子化合物の特徴と重合の種類（高校化学高分子化合物（知識））
タンパク質の構造・変性・検出反応（高校化学高分子化合物（知識））
細胞でのタンパク質の立体構造とはたらき（高校生物細胞と分子（知識））
消化と吸収（中学理科生物分野の用語と知識）
原子量・分子量・式量（高校化学物質量と化学反応式）
物質量と質量・粒子の数（高校化学物質量と化学反応式）
気体の体積と物質量（高校化学物質量と化学反応式）
化学反応式の係数（中学理科化学変化と原子・分子）
化学反応式と量的関係（高校化学物質量と化学反応式）
モル濃度（高校化学物質量と化学反応式）
反応速度の表し方（高校化学反応速度（知識））
状態変化と粒子・融点・沸点・蒸留（中学理科化学分野の用語と知識）
熱運動と絶対温度（高校物理熱と気体（知識））
ボイル・シャルルの法則と理想気体（高校物理熱と気体（知識））
アボガドロの法則と気体の状態方程式（高校化学物質の状態と気体（知識））
分圧の法則とモル分率（高校化学物質の状態と気体（知識））
化学変化と熱・質量保存の法則（中学理科化学分野の用語と知識）
発熱反応・吸熱反応と反応エンタルピーの符号（高校化学化学反応とエネルギー（知識））
細胞のつくり（中学理科生物分野の用語と知識）
植物のからだのつくり（中学理科生物分野の用語と知識）
光合成・呼吸・蒸散（中学理科生物分野の用語と知識）
光を吸収して起こる反応（光合成・光化学反応・光触媒）（高校化学化学反応とエネルギー（知識））
反応速度を変える条件（濃度・圧力・表面積・光）（高校化学反応速度（知識））
活性化エネルギーと遷移状態（高校化学反応速度（知識））
可逆反応と化学平衡の状態（高校化学化学平衡（知識））
平衡定数の意味と変化する条件（高校化学化学平衡（知識））
触媒のはたらきと種類（高校化学反応速度（知識））
酵素の性質（高校化学高分子化合物（知識））
酵素の活性部位と阻害（高校生物細胞と分子（知識））
酵素と補酵素（高校生物代謝（知識））
代謝と ATP （高校生物代謝（知識））
生物の共通性と原核細胞・真核細胞（高校生物細胞と分子（知識））
細胞小器官のはたらき（高校生物細胞と分子（知識））
解糖系とクエン酸回路（高校生物代謝（知識））

説明

酸素を使わずにグルコースを分解して ATP を得るしくみである、アルコール発酵・乳酸発酵・筋肉の解糖について、何がつくられ、どこで起こり、なぜ酸素がなくても続くのかを説明できるようになります。酵母がパンやお酒をつくるときや、激しい運動で筋肉に乳酸がたまるときの反応がこれにあたります。発酵についての正誤問題や、反応の流れの空欄に入る物質名を選ぶ問題で使います。

なぜそうしてよいのか

解糖系では、グルコース 1 分子が 2 分子のピルビン酸に分解され、そのとき ATP ができると同時に、 $NA D^{+}$ が電子と $H$ を受け取って NADH になります。細胞の中の $NA D^{+}$ の量は限られているので、NADH がたまる一方だと、やがて $NA D^{+}$ がなくなって解糖系は止まってしまいます。酸素があれば、NADH の電子はミトコンドリアの電子伝達系を通って最終的に酸素に渡され、 $NA D^{+}$ に戻ります。では酸素がないときはどうするか――それが発酵の考え方です。

発酵では、解糖系でできたピルビン酸（またはそこからできた物質）に NADH の電子と $H$ を渡して還元し、NADH を $NA D^{+}$ に戻します。乳酸発酵ではピルビン酸が NADH によって還元されて乳酸になります。アルコール発酵では、まずピルビン酸から $C O_{2}$ が取り除かれてアセトアルデヒドになり、そのアセトアルデヒドが NADH によって還元されてエタノールになります。どちらの場合も、こうして戻った $NA D^{+}$ が再び解糖系で使えるので、酸素がなくても解糖系が回り続け、ATP がつくられ続けます。

発酵で ATP ができるのは解糖系の部分だけで、ピルビン酸を乳酸やエタノールにする段階では ATP はできません。そのため、グルコース 1 分子あたり差し引き 2 分子の ATP しか得られず、酸素を使う呼吸よりずっと少なくなります。また、これらの反応はすべて細胞質基質で起こり、ミトコンドリアは使いません。動物の筋肉でも、酸素の供給が追いつかないときには乳酸発酵と同じ反応でグルコース（やグリコーゲン）から乳酸がつくられ、これを解糖とよびます。

手順

反応の場所を確認する: 発酵・解糖はすべて細胞質基質で起こる（ミトコンドリアは使わない）。
共通部分を確認する: まず解糖系でグルコース 1 分子 → ピルビン酸 2 分子となり、ATP が差し引き 2 分子でき、 $NA D^{+}$ が NADH になる。
ピルビン酸のゆくえを種類ごとに確認する。乳酸発酵・解糖: ピルビン酸が NADH で還元されて乳酸。アルコール発酵: ピルビン酸 → $C O_{2}$ が除かれてアセトアルデヒド → NADH で還元されてエタノール。
NADH の役割を確認する: ピルビン酸やアセトアルデヒドを還元するときに NADH が $NA D^{+}$ に戻り、その $NA D^{+}$ が解糖系で再び使われるので、酸素がなくても解糖系が続く。
全体の式とまとめで確認する: アルコール発酵 $C_{6} H_{12} O_{6} \to 2 C_{2} H_{5} OH + 2 C O_{2}$ 、乳酸発酵 $C_{6} H_{12} O_{6} \to 2 C_{3} H_{6} O_{3}$ 。どちらも ATP はグルコース 1 分子あたり 2 分子。これと照らして選択肢や空欄を判断する。

例題

酵母が酸素のない条件で行うアルコール発酵について述べた次の文中の空欄 [ 1 ] に入る語句として最も適当なものを、下のア〜エのうちから 1 つ選べ。

アルコール発酵では、解糖系でできたピルビン酸から二酸化炭素が取り除かれて [ 1 ] となり、[ 1 ] が NADH によって還元されてエタノールが生じる。このとき NADH は $NA D^{+}$ にもどり、再び解糖系で使われる。

ア　乳酸

イ　アセチル CoA

ウ　アセトアルデヒド

エ　クエン酸

例題の解答

手順 1・2: アルコール発酵は細胞質基質で起こり、まず解糖系でグルコースがピルビン酸になる。

手順 3: アルコール発酵では、ピルビン酸から $C O_{2}$ が除かれてアセトアルデヒドができ、アセトアルデヒドが NADH で還元されてエタノールになる。したがって [ 1 ] はアセトアルデヒドである。

他の選択肢を確かめる。乳酸はピルビン酸がそのまま NADH で還元されてできる物質で、乳酸発酵の産物なのでアは誤り。アセチル CoA とクエン酸は、酸素があるときにミトコンドリアのマトリックスで進む反応（クエン酸回路）にかかわる物質なので、イ・エは誤り。

手順 4: 文の後半のとおり、アセトアルデヒドを還元するときに NADH が $NA D^{+}$ にもどるので、解糖系が続く。

よって答えはウ。

答え:

ウ

よくある誤り

アルコール発酵ではピルビン酸が直接エタノールに還元されるとしてしまう誤り。正しくは、ピルビン酸からまず $C O_{2}$ が除かれてアセトアルデヒドになり、それが NADH で還元されてエタノールになる。 $C O_{2}$ が出るのはアルコール発酵で、乳酸発酵（ $C_{6} H_{12} O_{6} \to 2 C_{3} H_{6} O_{3}$ ）では $C O_{2}$ は出ない。
ピルビン酸を乳酸やエタノールに変える段階で ATP ができるとしてしまう誤り。正しくは、この段階の役割は NADH を $NA D^{+}$ に戻すことで、ATP ができるのは解糖系の部分だけ（グルコース 1 分子あたり差し引き 2 分子）である。
発酵がミトコンドリアで起こるとしてしまう誤り。正しくは、解糖系もその後のピルビン酸の還元もすべて細胞質基質で起こる。
酸素がなくても解糖系が続く理由を「NADH がたまるから」としてしまう誤り。正しくは、NADH がピルビン酸やアセトアルデヒドに電子を渡して $NA D^{+}$ に戻り、 $NA D^{+}$ が再び解糖系で使われるからである（ $NA D^{+}$ が不足すると解糖系は止まる）。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
酸素を使わずにグルコースなどの有機物を分解して ATP を得るはたらきについて述べた文として正しいものを、次のア〜オから 1 つ選べ。
- ア　酵母のアルコール発酵の反応は、ミトコンドリアの中で起こる
- イ　乳酸発酵では、ピルビン酸から二酸化炭素が放出されて乳酸ができる
- ウ　発酵では NADH から $NA D^{+}$ が再生されないので、解糖系はすぐに止まる
- エ　アルコール発酵では、ピルビン酸から二酸化炭素が除かれたあと、還元されてエタノールができる
- オ　激しい運動をしている筋肉の解糖では、ピルビン酸がエタノールに変えられる

この技能を使う問題

難易度 2（教科書の章末問題レベル）

次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、下のア〜カから 1 つ選べ。

ヒトの骨格筋では、激しい運動などで酸素の供給が不足すると、グルコースが乳酸にまで分解される反応（解糖）が盛んになる。この反応は、筋細胞の（ a ）で進む。グルコースがピルビン酸に分解される過程では $NA D^{+}$ が $NADH$ に変わる。一方、ピルビン酸が乳酸に変わる過程では、 $NADH$ がもつ電子と水素がピルビン酸に渡され、（ b ）。このため、酸素がなくてもグルコースの分解が続き、ATP がつくられ続ける。

	a	b
ア	ミトコンドリアのマトリックス	二酸化炭素が放出される
イ	ミトコンドリアのマトリックス	$NA D^{+}$ が再生される
ウ	ミトコンドリアのマトリックス	ATP が合成される
エ	細胞質基質	二酸化炭素が放出される
オ	細胞質基質	$NA D^{+}$ が再生される
カ	細胞質基質	ATP が合成される

難易度 3（共通テストレベル）
酵母は、酸素が十分にない条件ではアルコール発酵を行う。アルコール発酵では、まず解糖系で 1 分子のグルコースが 2 分子のピルビン酸に分解される。次に、ピルビン酸から（ a ）が取り除かれてアセトアルデヒドが生じ、アセトアルデヒドが（ b ）によって還元されてエタノールになる。この反応によって解糖系で必要な物質が再びつくられるため、酸素がなくても解糖系を続けることができる。
文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
a b
ア水 $NADH$
イ二酸化炭素 $NA D^{+}$
ウ二酸化炭素 $NADH$
エ水 $NA D^{+}$

	a	b
ア	水	$NADH$
イ	二酸化炭素	$NA D^{+}$
ウ	二酸化炭素	$NADH$
エ	水	$NA D^{+}$