细胞的呼吸作用

细胞的呼吸作用

1、细胞呼吸的概念

无论是哪类生活细胞，都必须分解细胞内的有机物以获得能量来维持各项生命活动。细胞氧化有机物以获得能量并产生二氧化碳和水的过程称为细胞呼吸。细胞呼吸是一个复杂的，有多种酶对参与的多步骤过程。

如果选择适当的催化剂可以使葡萄糖一步氧化成水和二氧化碳，而实际上在细胞中，葡萄糖的氧化是要远非如此简单，而是经过许多步骤才完成的。其全程可概括地分为四个阶段：糖酵解，丙酮酸氧化脱羧，柠檬酸循环，氧化磷酸化。这些过程是由酶负责催化的一系列生物化学反应。

2、细胞呼吸全过程

（1）糖酵解：这是葡萄糖氧化的第一阶段，包括一系列的反应，都是在细胞质基质中发生，这时不需要氧的参与，每一反应都有特定的酶催化，经过这一过程的一系列反应，一分子葡萄糖（六碳化合物）最终分解为两分子的丙酮酸（三碳化合物），同时净产生2个ATP 和2个NAD+还原成2个NADH+H+。具体而言，糖酵解可分为两个步骤：

①葡萄糖经过两次磷酸化，并且发生异构化以后，转变成1，6-二磷酸果糖。这就是说，一个六碳化合物变成带有两个磷酸的化合物。这一过程要消耗两分子ATP。

②1，6-二磷酸果糖是不稳定的化合物，它在醛缩酶的作用下，很容易分解成为两个磷酸丙糖，即磷酸二羟丙酮和磷酸甘油醛。这两者可以互相转化，处于平衡状态。当磷酸甘油醛进一步转化而被消耗掉的时候，磷酸二羟丙酮也就跟着转变为磷酸甘油醛，参加到以后的反应中去。由磷酸甘油醛转变为磷酸甘油酸的时候，脱出的氢被氧化型辅酶Ⅰ（NAD）携带着，成为还原型辅酶Ⅰ（NADH ＋H＋）。在这个氧化过程中放出的能量被ATP携带着。以后在磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸的反应中也生成ATP。

在由葡萄糖到丙酮酸的整个过程中，能位是逐步下降的，但只有上述这两个反应的能位下降较大，足以生成ATP，其他反应则只有微小的下降，不足以生成ATP。因此一分子1、6_二磷酸果糖实际上可以形成两分子丙酮酸，共得到四分子ATP，但在糖酵解的开始阶段用掉两分子ATP，所以一分子葡萄糖经过糖酵解净得两分子ATP。

（2）丙酮酸氧化脱羧

葡萄糖经过酵解过程只释放出不足1/4的化学能，大部分还保留在2个丙酮酸分子和2个NADH中。丙酮酸是呼吸过程中的一个重要的中转站。在有氧条件下，它经脱羧氧化产生乙酰辅酶A后，可进入三羧酸循环进一步氧化分解放能；在无氧条件下，它被NADH还原成为乳酸，或者在脱去羧基（放出CO2）以后转变成为乙醛，乙醛再被还原成为乙醇丙酮酸在进入三羧酸循环之前，先要氧化脱羧、脱氢，与辅酶A结合成为活化的乙酰辅酶A（乙酰-CoA）。这一过程是在线粒体基质中进行的，所产生的乙酰辅酶A即进入柠檬酸循环（又叫TCA循环、Krebs循环或三羧酸循环）。

（3）三羧酸循环

三羧酸循环的最初中间产物是柠檬酸（这是一种三羧基酸），所以这个过程又叫柠檬酸循环，还有为了纪念这一途径的发现者Hans Krebs，所以这个过程又叫Krebs循环。

这一过程也包括一系列的酶促反应，丙酮酸的3个碳在转变为乙酰辅酶A时脱去了1个，在通过这一循环中继续脱去2个，这样葡萄糖中的碳就被完全氧化了。柠檬酸循环发生在线粒体基质中，柠檬酸循环途径中的酶，除琥珀酸脱氢酶，定位于线粒体内膜外，其它酶存在于线粒体基质中。通过一次柠檬酸循环，由葡萄糖产生的2个乙酰辅酶A，共产生4个二氧化碳分子，6个NAHD分子，2个FADH2和2个GTP分子（底物磷酸化产生的）。

三羧酸循环的简化过程是：丙酮酸在经过氧化（脱氢）和脱羧（放出CO2）以后生成乙

酰辅酶A（即乙酰CoA）。乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合形成柠檬酸（C6）、柠檬酸脱水形成顺乌头酸，顺乌头酸加水再形成异柠檬酸；然后异柠檬酸氧化脱羧形成а-酮戊二酸（C5），а-酮戊二酸再氧化脱羧形成琥珀酸（C4），琥珀酸经过脱氢氧化最终成为草酰乙酸。草酰乙酸可以再与乙酞辅酶A相结合，再次进入二羧酸循环。这样下去，循环不已。这样每一分子葡萄糖经过糖酵解生成两分子丙酮酸，然后这两个丙酮酸氧化脱羧生成的乙酰辅酶A，都进入三羧酸循环、共产生六分子CO2。

在三羧酸循环中，一共发生5次脱氢，其中四次脱出的氢被NAD携带着，另一次（从琥珀酸）脱出的氢被黄酶（FAD）携带着，以后在氧化磷酸化过程中被被氧化为水。另外，在а-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酸的时候、也形成一分子ATP。

在丙酮酸脱羧氧化和三羧酸循环的整个过程中，只有丙酮酸被彻底分解、其他酸不被彻底分解，所以它们只要有少量存在，就可以推动这个循环继续进行下去。其它的酸就象工厂里的传送带一样，把丙酮酸分子向前传送，并且逐步分解。

（4）氧化磷酸化

一分子葡萄糖经糖酵解中生成2分子NADH ，在丙酮酸氧化脱羧和三羧酸循环中共生成8个NADH和2个FADH2。NADH和FADH2中的高能电子沿着存在于线粒体内膜上的一系列电子传递体的氧化还原反应从高能水平向低能水平传递，最后传递到分子氧，最终还原性与氧结合而生成水。在这一过程，高能电子所释放的能量就通过磷酸而被储存在ATP 中，ATP的形成是发生在线粒体内膜上的，这里发生的磷酸化作用是和氧化过程的电子传递密切相关，因而称为氧化磷酸化。存在于线粒体内膜上的一系列电子传递体称为电子传递链，氧分子是电子传递链中最后的电子受体。一个NADH分子经过电子传递后可生成3个ATP，而一个FADH2分子经过电传递后可生成2个ATP分子。

3、细胞呼吸过程能量的转换率

通过上面的分析我们知道，每氧化1mol 的葡萄糖，生成6mol的二氧化碳和6mol的水，同时生成38mol 的ATP。1mol的ADP形成ATP，一般要求约30.5kJ的能量，那么38mol 的ATP就要求：38×30.5=1159kJ的能量，注意课本中提到的数字是1161

．．．．kJ。每氧化1mol 葡萄糖所放出来的总能量是2870kJ，其中只有1159kJ被保留在ATP内，供给植物生命活动

之用。所以呼吸作用的能量转化效率只有40.5%左右，其余部分的能量以热能状态散失掉了。我们应该认识到，细胞中这种能量转换率是比较高的，因为人类发明的内燃机，其热能转化率最高也就是在25%左右。