なぜ酸素は生命にとって不可欠なのでしょうか?

酸素と生命の進化

約24億年前、地球の大気中に酸素が出現（大酸化）特殊な細胞構造と多細胞生物の選択と開発が可能になりました。好気呼吸（酸素を使用する）によるエネルギー効率がこの開発を可能にしました。

ザ二酸素私たちが呼吸する酸素ガスの分子形態である (O₂) は、細胞のエネルギー生成において中心的な役割を果たしているため、ほとんどの生物にとって不可欠です。このプロセスは、好気性細胞呼吸、主に真核細胞のミトコンドリアで起こります。

酸素がなければ、私たちの細胞は、すべての生物学的機能に動力を供給する普遍的なエネルギー分子である ATP (アデノシン三リン酸) を効率的に生成できません。

エネルギー生産における酸素の役割

酸素は、ミトコンドリアの内膜に位置する電子伝達系の最後の電子受容体です。 したがって、酸素は呼吸鎖の最後の電子受容体として機能し、エネルギー分子からのエネルギーの生成を可能にします。アデノシン三リン酸(ATP)。

の生産ATP(C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃) よりグルコース(C₆H₁₂O₆) および二酸素(O₂) は、好気性細胞呼吸 (解糖によって生成される 30 ～ 38 ATP) と呼ばれる複雑なプロセスです。 酸素がないと、エネルギー収量は大幅に低下します (解糖あたりの ATP はわずか 2 つです)。

この変化が好気性生物のエネルギー代謝の鍵となります。

エネルギーは電子の形で放出されます

グルコース (C₆H₁₂O₆) は、電子 (12 個の酸化可能な C-H 結合) が豊富な化学構造です。代謝分解中にグルコース結合が切断され、酸素などの受容体のために電子を容易に放出します。

ミトコンドリア呼吸鎖を介して酸素 (O₂) に移動した電子は、陽子 (H⁺) の勾配を生成します。 H⁺の流れはATP合成酵素を促進します。 O₂ は e⁻ の排出と勾配の維持を保証します。

ATP (アデノシン三リン酸) の式の内訳。

ATP (C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃)

• アデニン（窒素塩基）：C₅H₅N₅
• リボース（糖）：C₅H₁₀O₅
• 三リン酸塩 (PO₄ 基 3 つ): 3 × (PO₃⁻) = P₃O₁₀⁻³

注： :
ΔG = –2870 kJ/mol のマイナス記号は、化学系の進化中の熱力学的ポテンシャル、正確にはギブズ自由エネルギーの変化を示します。

出典: Nelson & Cox (Lehninger、2021)、Berg et al. (生化学、2019)、CRC ハンドブック (2022)、アトキンス (2020)、NIH ODS (2023)。

酸素欠乏に対する組織の抵抗力の変化

酸素欠乏（低酸素）はすぐに細胞機能不全を引き起こします。酸素がなくなってほんの数分が経過すると、脳細胞が死滅し始めるため、窒息はすぐに死に至るのです。

• 脳: O₂ がなければ 3 ～ 5 分で神経細胞が死滅します (非常に高いエネルギー要求)。
• 心臓: 心筋細胞の ATP 不足 (高いエネルギー要求) により、収縮は 10 ～ 20 分以内に停止します。
• 肝臓: 肝臓壊死、解毒および濾過は 30 ～ 60 分以内に損なわれます (中程度のエネルギー必要量)。
• 腎臓: 1 ～ 2 時間以内の急性腎不全 (中程度のエネルギー必要量)。
• 筋肉：激しい運動をしたときのけいれん、痛み、収縮の抑制（必要なエネルギーが変化する）。

例外

ほとんどの多細胞生物は高いエネルギー要求を好気呼吸に依存しているため、完全に嫌気性の多細胞生物は非常にまれです。ただし、ヘネグヤ・サルミニコーラ（サケ寄生虫）、ロリシフェラ（酸素欠乏性海底生態系）、深層堆積線虫、嫌気性菌類など、主に極度に酸素が乏しい環境では、いくつかの注目すべき例外が存在します。

出典: Nelson & Cox (Lehninger、2021)、EFSA (2023)、ANSES (2022)、NIH Dietary Supplements (2023)、CRC Handbook。