細胞呼吸

細胞呼吸

細胞呼吸(cell respiration),是指在細胞內,氧化葡萄糖、脂肪酸等生物大分子以獲取能並產生CO2的過程,也稱之為生物氧化,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,其根本意義在於給機體提供可利用的能量。

基本信息

(圖)細胞呼吸細胞呼吸

概念

細胞呼吸(cellular respiration)是指細胞在有氧條件下從食物分子(主要指葡萄糖)中區的能量的過程。糖類,脂質和蛋白質有機物在活細胞內氧化分解為CO2和水或分解為不徹底的氧化產物,且伴隨著能量的釋放

分類

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),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,而是硝酸根之類的罷了,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。

過程概述

(圖)細胞呼吸細胞呼吸過程圖

細胞呼吸的全過程可以分為四個部分:

1、糖酵解(glycolysis);

2、丙酮酸氧化脫羧(oxidation and decarboxylation of pyruvate);

3、檸檬酸循環(citric acid cycle)(三羧酸循環);

4、電子傳遞鏈(chain of electron transport)。

糖酵解

糖酵解途徑是指細胞在細胞質中分解葡萄糖生成丙酮酸的過程,此過程中伴有少量ATP的生成。總反應為:葡萄糖+2ATP+2ADP+2Pi+2NAD+ ——>2丙酮酸+4ATP+2NADH+2H++2H2O

丙酮酸氧化脫羧


該過程發生線上粒體的基質中,釋放出1分子CO2,生成一分子NADH+H+。丙酮酸脫氫酶。糖酵解過程釋放的能量不足1/4。

三羧酸循環


線上粒體基質中進行,因為在這個循環中幾個主要的中間代謝物是含有三個羧基的有機酸,所以叫做三羧酸循環;有由於器中第一個生成物是檸檬酸,因此又稱為檸檬酸循環。

主要事件順序為:

(1)乙醯CoA與草醯乙酸結合,生成六碳的檸檬酸,放出CoA。檸檬酸合成酶。

(2)檸檬酸先失去一個H2O而成順烏頭酸,再結合一個H2O轉化為異檸檬酸。順烏頭酸酶

(3)異檸檬酸發生脫氫、脫羧反應,生成5碳的a-酮戊二酸,放出一個CO2,生成一個NADH+H+。 異檸檬酸脫氫酶

(4) a-酮戊二酸發生脫氫、脫羧反應,並和CoA結合,生成含高能硫鍵的4碳琥珀醯CoA,放出一個CO2,生成一個NADH+H+。 酮戊二酸脫氫酶

(5)碳琥珀醯CoA脫去CoA和高能硫鍵,放出的能通過GTP轉入ATP琥珀醯輔酶A合成酶

(6)琥珀酸脫氫生成延胡索酸,生成1分子FADH2,琥珀酸脫氫酶

(7)延胡索酸和水化合而成蘋果酸。延胡索酸酶

(8)蘋果酸氧化脫氫,生成草酸乙酸,生成1分子NADH+H+。蘋果酸脫氫酶。

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。

消耗

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

產生類型

有氧呼吸

(圖)細胞呼吸細胞呼吸實驗

概念:指細胞在氧的參與下,通過酶的催化作用,把糖類等有機物徹底氧化分解釋放出大量能量的過程

第一階段: C6 H12 O6(酶)============2C3 H4 O3 +4[H] + ATP(少量)

第二階段:2C3 H4 O3+ 6H2O(酶)=======6CO2 + 20[H] + ATP(少量)

第三階段:24[H]+6O2(酶)=============12H2O + ATP(大量)

有氧呼吸 場 所 反應物 產 物 釋能

第一階段 細胞質基 C6H12O6 丙酮酸,[H],ATP 少量

第二階段 線粒體 丙酮酸,水 CO2, [H],ATP 少量

第三階段 線粒體 [H],O2 水,ATP 大量

總反應式:

C6H12O6 + 6H2O + 6O2(酶)========6 CO2 + 12H2O + 能量

無氧呼吸

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.

場所:細胞質基質

過程:

第一階段:與有氧呼吸第一階段相同。

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乳酸。

方程式: C6H12O6 (酶)========2C2H5OH(酒精)+2 CO2 + 能量

代表生物:大多數植物

C6H12O6(酶)========2C3H6O3(乳酸)+ 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。

特點及意義

細胞呼吸的特點:

有機物在的催化下,在溫和的條件下氧化分解,能量逐步釋放出來,沒有出現劇烈的發光,發熱現象。

細胞呼吸的本質:

氧化分解有機物釋放能量。

細胞呼吸的意義

為生物體的生命活動提供能量;為體內的其他化合物的合成提供原料。

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