植物の呼吸とエネルギー代謝

植物は動物と同様に呼吸を行い、光合成で生成された糖を酸化して、成長を促進するエネルギーと炭素骨格を放出します。その過程には、代替呼吸経路などの特徴的な機能があります。

Definition

植物の呼吸とは、有機分子を酸化的分解してATPとしてエネルギーを放出し、炭素骨格を供給することであり、エネルギー代謝とは、植物内で化学エネルギーを貯蔵、伝達、利用するより広範な経路のネットワークを指します。

Scope

このトピックでは、植物における解糖系、トリカルボン酸（TCA）回路、ミトコンドリア電子伝達と酸化的リン酸化、細胞質および色素体経路、ならびに代替酸化酵素や呼吸と光合成の相互作用を含む植物特有の機能について扱います。

Core questions

• 解糖系とTCA回路はどのように糖を分解してエネルギーを放出するのか？
• ミトコンドリア電子伝達系はどのようにATPを生成し、どのように調節されているのか？
• 植物特有の代替酸化酵素経路の役割とは何か？

Key theories

酸化的リン酸化

呼吸基質の酸化によって生じた電子は、ミトコンドリア電子伝達系を通過し、プロトンをポンプします。このプロトンがATP合成酵素を通って戻ることで、細胞のATPの大部分が生成されます。

植物における呼吸の柔軟性

植物は、主要な経路が制限されている場合でも呼吸を継続できる、追加の非エネルギー保存経路（特に代替酸化酵素）を備えており、過剰なエネルギーを放散し、代謝のバランスを保ちます。

Mechanisms

細胞質での解糖系はグルコースをピルビン酸に変換し、ATPとNADHを生成します。ピルビン酸はミトコンドリアに入り、そこでTCA回路によって二酸化炭素に完全に酸化され、NADHとFADH2を生成します。これらの還元された電子伝達体は電子伝達系に供給され、プロトンをポンプしてATP合成酵素を駆動します。植物のミトコンドリアには、代替酸化酵素とロテノン耐性脱水素酵素も含まれており、これらは電子伝達系の一部を迂回することで、比例的なATP生産なしに炭素の流れとレドックスバランスを維持することを可能にします。

Clinical relevance

呼吸は、作物の光合成産物のうち収穫可能なバイオマスとしてどれだけ保持されるかを決定し、貯蔵された果物、野菜、穀物が呼吸を続け劣化するため、収穫後の損失を左右します。呼吸を管理することで貯蔵寿命を延ばすことができます。

History

クレブスによるクエン酸回路の解明とミッチェルによる化学浸透説は、細胞呼吸の枠組みを確立しました。これは、代替酸化酵素やその他の植物特有の呼吸成分の発見によって植物に拡張されました。

Key figures

• Hans Krebs
• Peter Mitchell

Seminal works

• buchanan2015
• taiz2015

Frequently asked questions

植物は夜間に呼吸しますか？

はい、植物は細胞の活動を維持するために昼夜を問わず継続的に呼吸しますが、夜間は光合成がないため、この呼吸は正味の二酸化炭素放出と酸素吸収をもたらします。

代替酸化酵素とは何ですか？

代替酸化酵素は、電子がエネルギー保存経路の一部を迂回することを可能にし、そのエネルギーを熱として放出する植物の呼吸酵素です。これは代謝のバランスを保ち、一部の植物では花の香りを揮発させるための熱を生成します。