细胞呼吸

电子传递链又称呼吸链，主要成分是线粒体内膜 上的蛋白复合物，这些复合物包含了一系列的电 子传递体。
2 2 2
(FMN (FMN Fe-S) Fe-S)
(Cytc Cytb Fe-S)
(Cytc)
6.5 ATP形成机理和能量形成的统计

底物水平的磷酸化
在磷酸化过程中，相关的酶将底物分子上的磷酸基 团直接转移到ADP分子上。
整个糖酵解中 ATP的形成都 是底物水平的 磷酸化反应； Krebs循环也 有底物水平的 磷酸化。

与电子传递链相偶联的磷酸化
1961 年，英国科学家 Mitchell 提出化学渗透学 说，由此荣获1978年的诺贝尔奖。 跨膜的质子梯度 （浓度差），导致 化学渗透发生； 质子顺梯度从外腔 经ATP合成酶而返回 到线粒体的基质中； 所释放的能使ADP 与磷酸结合生成ATP。
腺嘌呤 核糖 磷酸基团
磷酯键
酸酐键
ATP
ATP是一种极不稳定的的化合物，其磷酸键 相当脆弱，易于断裂；ATP水解时，一个高 能磷酸键断裂，同时释放出能量。每摩尔 ATP 水解形成ADP，可产生-30.5 KJ/mol， 即7.3 Kcal/mol 的能量。一个成年人每天 摄入的食物分子经过细胞呼吸形成的ATP， 可提供大约2200 Kcal的能量。
复习一下有氧呼吸和无氧呼吸，并比较丙 酮酸的去路： 无氧条件下： • 丙酮酸转化为乳酸、乙醇； 有氧条件下： • 丙酮酸在有氧条件下继续氧化生成CO2和水。
所以无氧和有氧呼吸只有在形成丙酮酸以后才 有差异。

Krebs循环 (1937, Hans. Krebs,1953诺贝尔奖)
(三羧酸循环，Tricarboxylic acid cycle,TCA)
细胞呼吸定义为生物细胞消耗氧气来分解食物分 子并获得能量的过程。
通常意义的呼吸运动与细胞呼吸是相互关联的。
生物氧化及氧化还原反应
生物氧化(biological oxidation)：细胞呼 吸是一种典型的生物氧化反应。
生物氧化的特点：
需要氧气；
主要在线粒体中进行，温和条件和
有机化合物ư→6CO2+6H2O+能量（ATP+热量）
动物细胞呼吸的“燃料”：“燃料”包括糖类、脂 肪、蛋白质等。
ATP和ADP分子的相互转换

酵母菌发酵与细胞呼吸 发酵是典型的细胞呼吸过程

在有氧环境中，酵母细胞消耗 氧气来分解葡萄糖并获得能量， 同时产生二氧化碳。
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电子传递链和氧化磷酸化
电子传递链就是通过一系列的氧化还原反应，将高能 电子从NADH 和FADH2最终传递给分子氧，生成水。 同时随着电子能量水平的逐步下降，高能电子所释放 的化学能就通过磷酸化途径贮存到ATP分子中。 氧化磷酸化： （oxidative phosphorylation）。

还原态的 NADH 和 FADH2 等还可将所接受的电子和 氢传递给其他传递体如细胞色素、辅酶Q等。
NAD＋: 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶I NADP＋：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶II FAD＋: 黄素腺嘌呤二核苷酸
6.3 线粒体的结构与功能定位
线粒体是细胞呼吸和能量代谢中心，产能车间。
电子传递链就是通过一系列的氧化还原反应，将高能 电子从NADH 和FADH2最终传递给分子氧，生成水；
生物细胞通过底物水平磷酸化和与电子传递系统偶联的 磷酸化2种途径合成ATP。底物水平的磷酸化是相关的酶 将底物分子上的磷酸基团直接转移到ADP分子上。与电 子传递系统偶联的磷酸化涉及化学渗透过程。 通过上述2种磷酸化途径，1分子葡萄糖通过有氧呼吸共 形成36或38个ATP； 三羧酸循环是糖、脂肪、蛋白质和核酸及其它物质的 共同代谢过程。这些物质可以通过三羧酸循环发生代 谢上的联系。
ATP+H2O ——> ADP+Pi G = -30.5 KJ/mol

ATP作为细胞能量的通货是如何工作的？
吸能反应和ATP 的分解相偶联， 放能反应和ATP 的合成相偶联 。 ＡＴＰ是转移磷 酸基团的“共同 中间体” 。
6.2 细胞呼吸产生能量

细胞呼吸基本概念
细胞呼吸是生物细胞消耗氧气来分解食物分 子并获得能量的过程，是生物体获得能量的 主要代谢途径。
A
ATP合成酶：
F1
Fo F1
Fo
能量形成的统计
在呼吸链电子传递过程中，电子从最上游的经呼 吸链传递到分子氧： • 每分子NADH释放出的能量可产生3分子ATP； • 每分子的FADH2可产生2分子ATP。
1分子葡萄糖彻底氧化分解所形成的能量统计：
糖酵解：底物水平的磷酸 化产生 4 个 ATP ，己糖活化 消耗 2 个 ATP ，脱氢反应产 生2个NADH，经电子传递链 生成 4 或 6 个 ATP ，净产生 6 或8个ATP； Krebs循环：底物水平的磷 酸化产生 2 个 ATP ，脱氢反 应产生8个NADH和2个FADH2， 8个NADH经电子传递链生成 24个ATP， 2个FADH2经电子 传递链生成 4 个 ATP ，净产 生30个ATP。
在缺氧环境中，酵母菌将葡萄 糖分解成酒精（乙醇）和二氧 化碳。 在有氧环境中，食物分子被充 分氧化，可产生比无氧环境更 多的能量。
人体细胞的呼吸过程
慢跑，细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量， 同时产生二氧化碳和水； 快跑，细胞将葡萄糖分解成乳酸和二氧化碳。
呼吸运动与细胞呼吸
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细胞呼吸
内容 6.1 细胞的能量通货—ATP（参见书第五章 11第三节） 6.2 细胞呼吸产生能量
6.3 线粒体的结构与功能定位
6.4 细胞呼吸的化学过程
6.5 ATP形成机理和能量形成的统计
6.1 细胞的能量通货——ATP
在活细胞中，能量主要贮存在腺嘌呤核苷三磷酸 (adenosine triphosphate,ATP)中，它是高能磷酸化合 物的代表。 ATP是由一分子腺 嘌呤、一分子核糖 和3个相连的磷酸 基团构成的核苷酸。
整个有氧呼吸过程净产生36还是38个ATP取决于 糖酵解阶段产生于细胞质中的NADH穿过线粒体膜 进入呼吸链时是否消耗能量。 • • 按甘油磷酸环路穿过线粒体膜需要消耗2 分子ATP； 按苹果酸-天冬氨酸环路则不需要消耗ATP。
小结
细胞呼吸是生物体获得能量的主要代谢途径，主要在线 粒体中进行，在温和条件和酶的参与调控下，通过一系 列氧化还原反应，将储藏在葡萄糖等中的化学能释放， 并以高能磷酸键的形式贮藏在ATP分子中； 在细胞呼吸过程中，在有氧条件下，细胞对其燃料物 质的彻底氧化形成CO2和H2O。糖酵解不产生CO2 ，CO2 是通过三羧酸循环形成的；而H2O则是在电子传递过 程的最后阶段生成； 三羧酸循环中一系列的脱羧反应是呼吸作用释放CO2 的来源。三羧酸循环过程中释放的CO2不是直接来自 于氧气，而是靠氧化底物中的氧和水分子中的氧来实 现的；
细胞呼吸的3个阶段： 即糖酵解、三羧酸循环以 及电子传递与ATP的合成。 每一步化学反应都需要特 定的酶参与才能完成。

糖酵解 （glycolysis）
淀粉、葡萄糖或其它六碳糖在无氧条件下分 解成丙酮酸的过程，通称为糖酵解。它是一 种在不需要氧气供应的条件下，产生ATP 的 一种供能方式； 它是动物、植物和微生物细胞中葡萄糖分解 的共同代谢途径；
酶的参与；
氧化过程产生的能量一般贮存在
ATP中。
氧化还原反应 获得电子—还原反应；失去电子—氧化反应。
生物体内的氧化反应——细胞中氢及其电子
从一个化合物向另一个化合物转移； 氧化还原反应是呼吸作用和光合作用等代谢 中最基本的反应。
被转移的氢原子所携带的能量储藏在新化学键中
XH2 (还原型底物)＋NAD+→X(氧化型底物)＋NADH＋H+ XH2 (还原型底物)＋NADP+→X(氧化型底物)＋NADPH＋H+ XH2 (还原型底物)＋FAD+→X(氧化型底物)＋FADH2
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下次课内容： “第7章 光合作用”， 请提前做好预习。
糖酵解的酶是在细胞质中，细胞质是糖酵 解进行的场所； 三羧酸循环的酶大部分在线粒体基质中， 三羧酸循环发生在线粒体的基质中；
线粒体的内膜上含有电子传递链及ATP酶复 合体，电子传递过程及ATP的合成发生在线 粒体内膜的表面。
6.4 细胞呼吸的化学过程

概述
细胞呼吸是由一系列化学 反应组成的一个连续完整 的代谢过程；
生物体内的代谢网络
合 成 代 谢 与 分 解 代 谢 组 成 代 谢 网 络
复习参考
1. ATP的结构及作用特点； 2. 细胞呼吸的基本概念； 3. 从呼吸运动理解有氧呼吸和无氧呼吸的区别？ 4. 细胞有氧呼吸的化学过程及细胞内的功能定位； 5. “氧化磷酸化”是如何得名的？氧化磷酸化的具体过程; 6. 通过电子传递过程导致了哪些现象发生； 7. ATP的形成最直接依赖哪一个过程； 8. 糖酵解过程在所有生物中普遍存在的意义； 9. 糖酵解及三羧酸循环的主要产物； 10.葡萄糖生物氧化的能量统计； 11.细胞呼吸过程中产生的CO2主要来自于哪些阶段； 12. “氧气通过细胞呼吸过程又以CO2的形式释放到空气中”， 这种说法对不对？为什么？
线粒体的结构
由内膜和外膜包裹的囊状结构， 囊内是液态的基质； 外膜平整，内膜向内折入形成 一些嵴，内膜上面有ATP酶复 合体； 线粒体分为外膜、内膜、膜间 隙和基质四个功能区。
细胞呼吸的功能定位
对于有氧呼吸来说，包括三个阶段，即糖酵解、 三羧酸循环以及电子传递与ATP的合成。