細胞呼吸

細胞呼吸（cellular respiration）是指有機物在細胞內經過一系列的氧化分解，生成無機物或小分子有機物，釋放出能量並生成ATP的過程。

在一定範圍內，細胞呼吸強度隨含水量的升高而加強，隨水量的減少而減弱。

基本介紹

• 中文名：細胞呼吸
• 外文名：cellular respiration
• 分類：分子生物學
• 別名：生物的呼吸作用、生物氧化
• 本質：氧化分解有機物，釋放能量。

分類

最終電子受體

細胞呼吸分為發酵、有氧呼吸、無氧呼吸三種（根據最終電子受體不同的分類方式）。有氧呼吸以分子氧（O₂）為最終電子受體，無氧呼吸 以無機氧化物為最終電子受體，發酵 以有機物為最終電子受體。酵母釀酒、同型乳酸發酵、異型乳酸發酵等都是屬於發酵的範疇，而不是無氧呼吸。無氧呼吸指的是，依然進行三羧酸循環，還原輔酶依然經過氧化呼吸鏈，只不過最終的電子受體不是氧氣，而是無機氧化物罷了。其它過程幾乎和有氧呼吸一樣，並且最後產能較有氧呼吸少。簡單的說，並不是沒有利用分子氧的氧化就是無氧呼吸。

有氧呼吸

1概念：指細胞在有氧的參與下，通過多種酶的催化作用，把葡萄糖等的有機物徹底氧化分解產生二氧化碳和水，釋放能量，產生大量ATP的過程。

有氧呼吸的運動

2反應式

有氧呼吸最常利用的物質是葡萄糖，其化學反應式可以簡寫成：

3場所

有氧呼吸的全過程十分複雜，可以概括地分為三個階段，每個階段的化學反應都有對應的酶催化。

第一階段：細胞質基質

第二階段：線粒體基質

第三階段：線粒體內膜

4過程

第一階段：1個分子的葡萄糖分解成2分子的丙酮酸，產生少量[H]，並且釋放放出少量的能量，其餘以熱能散失。這一階段不需要氧的參與，是在細胞質基質中進行的。

第二階段：丙酮酸和水徹底分解成二氧化碳和[H]，並釋放出少量的能量。這一階段不需要氧的參與，是線上粒體基質中和線粒體嵴上進行的。

第三階段：上述兩個階段產生的[H]，經過一系列的化學反應，與氧結合形成水，同時釋放出大量的能量。這一階段需要氧的參與，是線上粒體內膜上進行的。

PS:

[H]是一種十分簡化的表示方式，這一過程實際上是氧化型輔酶I（NAD*）轉化成還原型輔酶I（NADH）。

注意：1mol的葡萄糖將化學能全轉化為ATP中不穩定的化學能，可形成100個，但實際只能轉化為30或32個，所以轉化效率為30℅～40℅，其餘以熱能形式散失。

細胞呼吸

有氧呼吸

無氧呼吸

1概念

細胞在無氧條件下，通過酶的催化作用，把葡萄糖等有機物分解為不徹底的氧化產物，同時釋放出少量能量的過程.

2場所

細胞質基質（浙科版教材稱“細胞溶膠”）

3反應式

（1）C₆H₁₂O₆—(酶)→ 2 C₂H₅OH（酒精）+2 CO₂ + 少量能量

代表生物：大多數植物，酵母菌。

（2）C₆H₁₂O₆—(酶)→ 2 C₃H₆O₃（乳酸）+ 少量能量

代表生物：動物和高等植物的某些器官如馬鈴薯塊莖、甜菜塊根、玉米胚等，乳酸桿菌等。

4過程

第一階段：與有氧呼吸第一階段完全相同。

第二階段：丙酮酸在不同酶的催化作用下，分解成酒精和二氧化碳或轉化成乳酸。

5無氧發酵

這是較常見的一般意義上的無氧呼吸，基本有下面兩種。上述有氧呼吸過程中的第一個過程是不需要氧氣參與的，無氧呼吸便是由葡萄糖分解為丙酮酸（C₃H₄O₃）這一不需要氧氣的過程為基礎，而不具備放能較多可以釋放出還原性氫中的能量的呼吸鏈過程，所以無氧呼吸釋放的能量遠比有氧呼吸少。

無氧呼吸過程

酒精發酵

丙酮酸（C₃H₄O₃）在脫羧過程後不生成乙醯輔酶A，而是生成乙醛，乙醛接受還原性氫被還原為酒精。

乳酸發酵

一些生物的呼吸過程，典型的是我們熟知的乳酸菌。在乳酸發酵中，丙酮酸直接生成乳酸，這是一個被氧化的過程，同樣可以生成很少的ATP，人體內也存在這一過程，劇烈運動時肌肉供氧不足，便會通過這一過程得到能量，生成的乳酸導致肌肉酸痛。

意義

(1)為生物體各項生命活動提供直接能源物質——ATP。

(2)為體內的其他化合物的合成提供原料。

(3)維持恆溫動物的體溫。

套用

有氧呼吸原理的套用

（1）作物栽培要及時鬆土透氣，利用根系的有氧呼吸，促進水和無機鹽的吸收；稻田需定期排水，否則會因根進行無氧呼吸產生大量酒精而對細胞有毒害作用，使根腐爛。

（2）提倡有氧運動的原因之一是不因為會 因為劇烈運動，使細胞無氧呼吸積累過多的乳酸而使肌肉酸脹無力。

（3）饅頭、麵包的過程中利用酵母發麵使麵包饅頭變得鬆軟可口。

無氧呼吸原理的套用

（1）選用“創可貼”、透氣的紗布包紮傷口，為傷口創造透氣的環境，避免厭氧病原菌的繁殖，利於傷口癒合。

（2）酵母菌、既可以進行有氧呼吸，又可進行無氧呼吸。有氧時，進行有氧呼吸，大量繁殖；無氧時，進行無氧呼吸，產生酒精或食醋。所以生產中，在控制通氣的情況下，可生產各種酒食醋等。

（3）豆腐乳的製作是利用了真菌的無氧呼吸發酵生成多種營養物質的原理。

影響因素

內因

由遺傳決定→酶活性。
1同一生物不同生長發育時期呼吸速率不同

2同一生物不同器官呼吸速率不同。

3不同生物呼吸速率不同。

外因

溫度

細胞呼吸是由酶催化的一系列反應過程，因此細胞呼吸對溫度的變化很敏感。
在一定範圍內，細胞呼吸隨溫度的升高而加快，但超過最適溫度後，細胞呼吸將急劇減弱，直至停止。

氧氣濃度

氧氣促進需氧呼吸，抑制厭氧呼吸，在一定範圍內呼吸強度隨著氧氣濃度升高而增大。

CO2濃度

增加CO2濃度對有氧呼吸有抑制作用。

階段

細胞呼吸可分為3個階段。

在第1階段中，各種能源物質循不同的分解代謝途徑轉變成乙醯輔酶A。

在第2階段中，乙醯輔酶A（乙醯CoA）的二碳乙醯基，通過三羧酸循環轉變為CO₂和氫原子。在第3階段中，氫原子進入電子傳遞鏈（呼吸鏈），最後傳遞給氧，與之生成水；同時通過電子傳遞過程伴隨發生的氧化磷酸化作用產生ATP分子。

生物體主要通過脫羧反應產生CO₂，即代謝物先轉變成含有羧基（-COOH）的羧酸，然後在專一的脫羧酶催化下，從羧基中脫去CO₂。細胞中的氧化反應可以“脫氫”、“加氧”或“失電子”等多種方式進行，而以脫氫方式最為普遍，也最重要。

在細胞呼吸的第1階段中包括一些脫羧和氧化反應，但在三羧酸循環中更為集中。三羧酸循環是在需氧生物中普遍存在的環狀反應序列。循環由連續的酶促反應組成，反應中間物質都是含有3個羧基的三羧酸或含有2個羧基的二羧酸，故稱三羧酸循環。因檸檬酸是環上物質，又稱檸檬酸循環。也可用發現者的名字命名為克雷布斯循環。

呼吸鏈

右圖即是存在最廣泛的NADH呼吸鏈和另一種FADH2呼吸鏈。圖中用MH2代表任一還原型代謝物，如蘋果酸。可在專一的煙醯胺脫氫酶（蘋果酸脫氫酶）的催化下，脫去一對氫成為氧化產物M（ 草醯乙酸）。這類脫氫酶，以NAD⁺（煙醯胺腺嘌呤二核苷酸）或NADP⁺（煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）為輔酶。這兩種輔酶都含有煙醯胺（維生素PP）。在脫氫反應中，輔酶可接受1個氫和1個電子成為還原型輔酶，剩餘的1個H⁺留在液體介質中。

呼吸鏈

反應式如下：