有氧呼吸

有氧呼吸

有氧呼吸是指細胞在氧氣的參與下,通過酶的催化作用,把某些有機物徹底氧化分解,放出二氧化碳並形成水,同時釋放出大量能量的過程。有氧呼吸是高等動、植物進行呼吸作用的主要形式,通常所說的呼吸作用就是指有氧呼吸。有氧呼吸在細胞質基質和線粒體中進行,且線粒體是細胞進行有氧呼吸的主要場所。因此,通常所說的呼吸作用就是指有氧呼吸,細胞進行有氧呼吸的主要場所是線粒體,一般說來,葡萄糖是細胞進行有氧呼吸時最常利用的物質。

基本信息

簡介

有氧呼吸,指物質在細胞內的氧化分解,具體表現為氧的消耗和二氧化碳、水及三磷酸腺苷(ATP)的生成,又稱細胞呼吸。其根本意義在於給機體提供可利用的能量。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。

過程

(圖)有氧呼吸有氧呼吸的過程

有氧呼吸是高等動、植物進行呼吸作用的主要形式,通常所說的呼吸作用就是指有氧呼吸。

有氧呼吸的三個階段
A、第一階段:在細胞質的基質中,一個分子的葡萄糖分解成兩個分子的丙酮酸,同時脫下4個[H]酶;在葡萄糖分解的過程中釋放出少量的能量,其中一部分能量用於合成ATP,產生少量的ATP。反應式:C6H12O6酶→2丙酮酸+4[H]+少量能量

B、第二階段:丙酮酸進入線粒體的基質中,兩分子丙酮酸和6個水分子中的氫全部脫下,共脫下20個[H],丙酮被氧化分解成二氧化碳;在此過程釋放少量的能量,其中一部分用於合成ATP,產生少量的能量。反應式:2丙酮酸+6H2O酶→20[H]+6CO2+少量能量

C、第三階段:在線粒體的內膜上,前兩階段脫下的共24個[H]與從外界吸收或葉綠體光合作用產生的6個O2結合成水;在此過程中釋放大量的能量,其中一部分能量用於合成ATP,產生大量的能量。反應式:24[H]+6O2酶→12H2O+大量能量

[H]是一中十分簡化的表示方式。這一過程中實際上是氧化型輔酶Ⅰ(NAD+)轉化成還原性輔酶Ⅰ(NADH)。
有氧呼吸主要線上粒體內,而無氧呼吸主要在細胞基質內.
有氧呼吸需要分子氧參加,而無氧呼吸不需要分子氧參加
有氧呼吸分解產物是二氧化碳和水,無氧呼吸分解產物是:酒精或者乳酸
有氧呼吸釋放能量較多,無氧呼吸釋放能量較少。

公式

第一階段 C6H12O6→細胞質基質=2丙酮酸+4[H]+能量(2ATP)
第二階段 2丙酮酸+6H2O酶→線粒體基質=6CO2+20[H]+能量(2ATP)
第三階段 24[H]+6O2酶→線粒體內膜=12H2O+能量(34ATP)
總反應式 C6H12O6+6H2O+6O2酶→6CO2+12H2O+大量能量(38ATP)

反應

(圖)有氧呼吸有氧呼吸

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。也可用發現者的名子命名為克雷布斯循環。在循環開始時,一個乙醯基以乙醯-CoA的形式,與一分子四碳化合物草醯乙酸縮合成六碳三羧基化合物檸檬酸。檸檬酸然後轉變成另一個六碳三羧酸異檸檬酸。異檸檬酸脫氫並失去CO2,生成五碳二羧酸α-酮戊二酸。後者再脫去1個CO2,產生四碳二羧酸琥珀酸。最後琥珀酸經過三步反應,脫去2對氫又轉變成草醯乙酸。再生的草醯乙酸可與另一分子的乙醯CoA反應,開始另一次循環。循環每運行一周,消耗一分子乙醯基(二碳),產生2分子CO2和4對氫。草醯乙酸參加了循環反應,但沒有淨消耗。如果沒有其他反應消除草醯乙酸,理論上一分子草醯乙酸可以引起無限的乙醯基進行氧化。環上的羧酸化合物都有催化作用,只要小量即可推動循環。凡能轉變成乙醯CoA或三羧酸循環上任何一種催化劑的物質,都能參加這循環而被氧化。所以此循環是各種物質氧化的共同機制,也是各種物質代謝相互聯繫的機制。三羧酸循環必須在有氧的情況下進行。環上脫下的氫進入呼吸鏈,最後與氧結合成水並產生ATP,這個過程是生物體內能量的主要來源。

呼吸鏈

(圖)有氧呼吸有氧呼吸

呼吸鏈由一系列按特定順序排列的結合蛋白質組成。鏈中每個成員,從前面的成員接受氫或電子,又傳遞給下一個成員,最後傳遞給氧。在電子傳遞的過程中,逐步釋放自由能,同時將其中大部分能量,通過氧化磷酸化作用貯存在ATP分子中。不同生物,甚至同一生物的不同組織的呼吸鏈都可能不同。有的呼吸鏈只含有一種酶,也有的呼吸鏈含有多種酶。但大多數呼吸鏈由下列成分組成,即:煙醯胺脫氫酶類、黃素蛋白類、鐵硫蛋白類、輔酶Q和細胞色素類。這些結合蛋白質的輔基(或輔酶)部分,在呼吸鏈上不斷地被氧化和還原,起著傳遞氫(遞氫體)或電子(遞電子體)的作用。其蛋白質部分,則決定酶的專一性。為簡化起見,書寫呼吸鏈時常略去其蛋白質部分。上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。

意義

(圖)有氧呼吸有氧呼吸

第一,有氧呼吸提供植物生命活動所需要的大部分能量。植物的生長、發育,細胞的分裂和伸長,有機物的運輸與合成,礦質營養的吸收和運輸等過程都需要能量,這些能量主要是通過植物的呼吸作用提供的。植物的呼吸作用釋放能量的速度較慢,而且是逐步釋放,適於細胞利用。釋放的能量,一部分轉變為熱能散失掉,一部分以三磷酸腺苷的形式暫時貯存

第二,有氧呼吸提供了合成新物質的原料。呼吸過程產生的一系列中間產物,可以作為植物體內合成各種重要化合物的原料。呼吸作用是植物體內各種有機物相互轉化的樞紐。

第三,有氧呼吸還能促進傷口癒合,增強植物的抗病能力。

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