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呼吸作用

2018-11-19 14:00:12     所属分类:植物生理学
典型真核生物细胞的呼吸作用过程总览
典型的植物细胞结构

呼吸作用,又称为细胞呼吸Cellular respiration),是生物体细胞把有机物氧化分解并转化能量的化学过程,也称为释放作用。无论是否自养,细胞内完成生命活动所需的能量,都是来自呼吸作用。真核细胞中,线粒体是与呼吸作用最有关联的细胞器,呼吸作用的几个关键性步骤都在其中进行。

呼吸作用是一种酶促氧化反应。虽名为氧化反应,不论有否氧气参与,都可称作呼吸作用(这是因为在化学上,有电子转移的反应过程,皆可称为氧化)。有氧气参与时的呼吸作用,称之为有氧呼吸;没氧气参与的反应,则称为无氧呼吸

呼吸作用的目的,是透过释放食物里之能量,以制造三磷酸腺苷,即细胞最主要的直接能量供应者。呼吸作用的氢与氧的燃烧,但两者间最大分别是:呼吸作用透过一连串的反应步骤产生能量(ATP),而燃烧则是将能量一次性的释放。在呼吸作用中,三大营养物质:碳水化合物、蛋白质和脂质的基本组成单位──葡萄糖、氨基酸和脂肪酸,被分解成更小的分子,透过数个步骤,将能量转移到还原性氢(化合价为0的氢)中。最后经过一连串的电子传递链,氢被氧化生成水;原本贮存在其中的能量,则转移到ATP分子上,供生命活动使用。

目录

  • 1 研究历史
  • 2 有氧呼吸
    • 2.1 糖酵解作用
    • 2.2 丙酮酸脱羧过程
    • 2.3 三羧酸循环过程
    • 2.4 有氧途径的电子传递链
      • 2.4.1 线粒体穿梭
      • 2.4.2 电子传递链的实质
    • 2.5 总结算
    • 2.6 无氧途径
  • 3 发酵
    • 3.1 酒精发酵
    • 3.2 乳酸发酵
  • 4 其他营养物质的氧化
    • 4.1 脂类的氧化
    • 4.2 氨基酸的氧化
  • 5 演化变迁过程
  • 6 个别生物的特殊适应机制
  • 7 参考文献
  • 8 外部链接
  • 9 参见

研究历史

细胞呼吸作用。
在圈子里的数字表明分子的碳原子数,C6是葡萄糖 C6H12O6,C1是二氧化碳CO2

有氧呼吸

有氧呼吸的过程可以简单归纳如上,但实际上的过程更为复杂。
呼吸作用(红色箭头)是动植物利用由光合作用(绿色箭头)预先合成的化合物中的能量的主要手段。

有氧呼吸产生能量(ATP)是需要氧气的。尽管糖类、脂肪和蛋白质都可以作为反应物而被处理和消耗,然而在糖酵解作用下降解成的丙酮酸却是首选;并且丙酮酸为了被三羧酸循环完全氧化,它还需要进入线粒体。这个过程中由底物水平磷酸化、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和还原型黄素腺嘌呤二核苷酸(FADH2)所产生的能量是在以ATP(三磷酸腺苷)的形式储存起来。

糖类参与的有氧呼吸简化反应如下(反应条件从略):

C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) → 6 CO2 (g) + 6 H2O (l) + 能量 , ΔG = -2880千焦耳(每摩尔葡萄糖)

部分教材会在左边加上6个H2O(水),右边生成的H2O相应为12,以表示每消耗1个葡萄糖分子就有6个水分子参与中间反应,但实际上有氧呼吸的过程复杂得多,中间参与反应的也不只有水,故此处将6H2O约去。

自由能变(ΔG)是负值说明此反应可自发进行。

NADH与FADH2中的还原势通过电子传递链将电子送达作为“最终电子受体”的氧气并被转换为更多的ATP。大多数由有氧呼吸产生出来的ATP是由氧化磷酸化所制造。这个工作是由消耗丙酮酸所产生的能量以推动将质子泵入线粒体膜间隙所产的H+浓度梯度所完成的。接下来这个化学渗透势驱使ATP合酶将腺苷二磷酸以及无机磷酸合成三磷酸腺苷。生物书上常称在细胞呼吸中每氧化一分子葡萄糖可以生成32个ATP分子(两个来自于糖酵解,两个来自于三羧酸循环以及大约34个来自于电子传递系统)。然而,这个最大产量由于质子损失(内膜渗漏)以及推动丙酮酸进入线粒体基质的因素而永远无法达到,现在估计的是每一分子葡萄糖可以生成29~30个ATP分子。

有氧代谢能量转换效率约为40%[1][2],大约比无氧代谢(每摩尔葡萄糖大约生成2摩尔ATP)的效率要高19倍。他们都有糖酵解这一起始途但有氧代谢继续进行了三羧酸循环以及氧化磷酸化步骤。糖酵解后反应发生在真核细胞的线粒体以及原核细胞的胞浆中。

葡萄糖是生物体内基本的能量来源,葡萄糖的有氧分解是呼吸作用的典型,因此下面用葡萄糖作为例子讲解。

糖酵解作用

在糖酵解作用中,一分子葡萄糖经过一系列反应,最终生成了两分子的丙酮酸(CH3COCOOH),以及两分子ATP。此反应在细胞质中进行,并不需氧气参与。糖酵解作用又可粗略分为两阶段,第一阶段是葡萄糖转变成3-磷酸甘油醛,过程中消耗了2分子ATP,此为投资阶段。第二阶段是甘油醛三磷酸转变成丙酮酸,过程中产生了4分子ATP和两分子NADH,是为放能阶段,最后反应净得2分子ATP和2分子NADH。

[3]

丙酮酸脱羧过程

在这一过程中,一分子的丙酮酸(CH3COCOOH)脱去一个羧基,生成一分子的二氧化碳和一分子的乙酰辅酶A。

三羧酸循环过程

二碳的乙酰辅酶A与四碳的草酰乙酸结合,生成了六碳的柠檬酸。柠檬酸经过一系列脱羧和脱氢的酶促反应,最终仍变成四碳的草酰乙酸。草酰乙酸不被消耗,仅仅用于生成中间产物而已。

[3]

有氧途径的电子传递链

经过上述的分解过程,产生的能量只是很少的一部分,还有大量能量随着分解过程被转移到几种辅酶所携带的质子也就是还原性氢上。这些携带还原性氢的辅酶在细胞线粒体内膜上经过一系列被称做电子传递链的酶,将氢经过不同的细胞色素最终传递给氧原子生成水分子。

线粒体穿梭

电子传递链的实质

电子传递链是细胞线粒体内膜上一系列通道蛋白和酶的总称,在某些原核细胞中,细胞以细胞质膜内褶完成类似的活动。 电子传递链的实质是将高能电子经过一系列受体传递,电位逐渐降低,最后与质子和氧原子结合生成水。化学渗透假说较好的解释了ATP合成:电子通过线粒体内膜被传递的同时,导致了膜内外的电势差,引起质子的穿膜移动推动ATP合成酶合成ATP,这一过程通过内膜上的通道蛋白和一个ADP磷酸化的过程耦联,当电子被传递,可以导致生成ATP,这一过程被称为氧化磷酸化

总结算

各物质细胞呼吸概览及以葡萄糖计算生成ATP数量的总结算(理想情况下)。
步骤 辅酶
收获
ATP
收获
ATP来源
糖酵解
(细胞质)
-1 用去一个ATP以磷酸化葡萄糖(glucose)
-1 用去一个ATP以磷酸化果糖-6-磷酸(F-6-P)
+2NADH 两分子甘油醛-3-磷酸(G-3-P)被氧化脱氢
+2 两分子的甘油酸-1,3-二磷酸(1,3-BP)去磷酸化
+2 两分子磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)去磷酸化
丙酮酸脱羧(线粒体) +2NADH 丙酮酸氧化脱羧
三羧酸循环(线粒体) +2NADH 异柠檬酸脱氢
+2NADH α-酮戊二酸氧化脱羧
+2 琥珀酰辅酶A分解为琥珀酸生成GTP(GTP=ATP)
+2FADH2 琥珀酸氧化脱氢
+2NADH 苹果酸氧化脱氢
氧化磷酸化(线粒体) -2NADH +6 糖酵解中产生的两分子NADH经苹果酸-天冬氨酸穿梭到线粒体电子传递链中生成6分子ATP
-2NADH +6 线粒体中丙酮酸脱氢生成的两分子NADH到线粒体电子传递链中生成6分子ATP
-2FADH2 +4 琥珀酸被氧化生成的两分子FADH2到线粒体电子传递链中生成4分子ATP
-6NADH +18 异柠檬酸、α-酮戊二酸和苹果酸氧化脱氢生成的到线粒体电子传递链中生成18分子ATP
总收获 38 注意:这是实际情况(每个NADH生成2.5ATP、每个FADH2生成1.5ATP)下生成的ATP数,如果糖酵解生成的两个NADH走甘油磷酸穿梭进入线粒体的话,则还要少生成两个ATP。

无氧途径

某些生物(某些细菌)电子传递链最终的电子接受者并非氧气,而是硝酸根或硫酸根之类的氧化态物质,以氧化磷酸化合成ATP。发酵作用没有氧气参与,许多版本的高中以下教科书,将无氧呼吸与发酵作用混为一谈。但是某些领域中,发酵作用与无氧呼吸仍作为同义词。

发酵

酒精发酵

细胞行无氧呼吸的其中一条路径,丙酮酸(CH3COCOOH)在脱羧过程后不生成乙酰辅酶A,而是生成乙醛,乙醛接受还原性氢被还原为酒精。在该过程中,糖酵解将一分子的葡萄糖分解成两分子的丙酮酸,丙酮酸在酶的作用下释放出二氧化碳后转变成乙醛,乙醛再被NADH还原成乙醇(酒精)。

这里的NAD+之再生可供应糖酵解作用所需。

过程:

  1. C6H12O6(葡萄糖) + 2 NAD+ → 2 CH3COCOOH(丙酮酸) + 2 NADH + 2 ATP + 2 H+
  2. 2CH3COCOOH(丙酮酸) → 2 CO2 + 2 CH3CHO(乙醛)
  3. 2CH3CHO(乙醛) + 2 NADH + 2 H+ → 2 C2H5OH(乙醇) + 2 NAD+

乳酸发酵

一些生物的呼吸过程,典型的是我们熟知的乳酸菌,是细胞行无氧呼吸的另一条路径。在乳酸发酵中,丙酮酸直接生成乳酸,这是一个被还原的过程,同时间使NADH被氧化为NAD+,这样糖酵解作用才有材料进行。人体内也存在这一过程,剧烈运动时肌肉供氧不足,便会通过这一过程还原作用所需材料,再透过糖酵解得到持续的能量,生成的乳酸可以在人体里短时间累积,等到又有氧气了,乳酸会被再次转化为丙酮酸盐,然后通过有氧的方式释放出全部的能量。

过程:

  1. C6H12O6(葡萄糖) + 2 NAD+ → 2 CH3COCOOH(丙酮酸) + 2 NADH + 2 ATP + 2 H+
  2. 2 CH3COCOOH(丙酮酸) + 2 NADH + 2 H+ → 2 CH3CHOHCOOH(乳酸) + 2 NAD+

过程中,糖酵解将一分子的葡萄糖分解成两分子的丙酮酸,丙酮酸直接被NADH还原形成乳酸盐(lactate)暂存,而没有二氧化碳释出。

其他营养物质的氧化

脂类的氧化

脂类物质水解生成脂肪酸和甘油。其中,甘油经磷酸基的激活和酶促反应转化为磷酸二羟丙酮,后脱水变为丙酮酸,丙酮酸参加上述的呼吸过程。脂肪酸长链分子则是反复被脱去一端的两个碳原子生成乙醘辅酶A,参加克氏循环。

氨基酸的氧化

各种氨基酸可以分别经过脱氨基或脱羧基作用被氧化,脱氨基生成的氨对细胞有毒害作用,必须被排出体外或转化为其他无害物质。含碳部分的转化根据氨基酸的不同而各异,但最终都是通过某些途径成为柠檬酸循环中的物质参与循环。 可见,各种营养物质的氧化路线到最后都是相同的。生物体内的诸多能量代谢具有相当高的一致性。

演化变迁过程

个别生物的特殊适应机制

特殊途径
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