[科普中国]-细胞呼吸

细胞呼吸（cellular respiration）是指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他产物，释放出能量并生成ATP的过程。1

在一定范围内，细胞呼吸强度随含水量的升高而加强，随水量的减少而减弱。

分类最终电子受体细胞呼吸分为发酵、有氧呼吸、无氧呼吸三种（根据最终电子受体不同的分类方式）。有氧呼吸以分子氧（O2）为最终电子受体，无氧呼吸 以无机氧化物为最终电子受体，发酵 以有机物为最终电子受体。酵母酿酒、同型乳酸发酵、异型乳酸发酵等都是属于发酵的范畴，而不是无氧呼吸。无氧呼吸指的是，依然进行三羧酸循环，还原辅酶依然经过氧化呼吸链，只不过最终的电子受体不是氧气，而是无机氧化物罢了。其它过程几乎和有氧呼吸一样，并且最后产能较有氧呼吸少。简单的说，并不是没有利用分子氧的氧化就是无氧呼吸。

有氧呼吸1概念：指细胞在有氧的参与下，通过多种酶的催化作用，把葡萄糖等的有机物彻底氧化分解产生二氧化碳和水，释放能量，产生大量ATP的过程。1

2反应式

有氧呼吸最常利用的物质是葡萄糖，其化学反应式可以简写成：

3场所

有氧呼吸的全过程十分复杂，可以概括地分为三个阶段，每个阶段的化学反应都有对应的酶催化。

第一阶段：细胞质基质

第二阶段：线粒体基质

第三阶段：线粒体内膜1

4过程

第一阶段：1个分子的葡萄糖分解成2分子的丙酮酸，产生少量[H]，并且释放放出少量的能量，其余以热能散失。这一阶段不需要氧的参与，是在细胞质基质中进行的。

第二阶段：丙酮酸和水彻底分解成二氧化碳和[H]，并释放出少量的能量。这一阶段不需要氧的参与，是在线粒体基质中进行的。

第三阶段：上述两个阶段产生的[H]，经过一系列的化学反应，与氧结合形成水，同时释放出大量的能量。这一阶段需要氧的参与，是在线粒体内膜上进行的。1

PS:

[H]是一种十分简化的表示方式，这一过程实际上是氧化型辅酶I（NAD*）转化成还原型辅酶I（NADH）。

注意：1mol的葡萄糖将化学能全转化为ATP中不稳定的化学能，可形成100个，但实际只能转化为30或32个，所以转化效率为30℅～40℅，其余以热能形式散失。1

无氧呼吸1概念

细胞在无氧条件下，通过酶的催化作用，把葡萄糖等有机物分解为不彻底的氧化产物，同时释放出少量能量的过程.1

2场所

细胞质基质1（浙科版教材称“细胞溶胶”）

3****反应式

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

代表生物：大多数植物，酵母菌。

（2）C6H12O6—(酶)→ 2 C3H6O3（乳酸）+ 少量能量

代表生物：动物和高等植物的某些器官如马铃薯块茎、甜菜块根、玉米胚等1，乳酸杆菌等。

4过程

第一阶段：与有氧呼吸第一阶段完全相同。

第二阶段：丙酮酸在不同酶的催化作用下，分解成酒精和二氧化碳或转化成乳酸。1

5无氧发酵

这是较常见的一般意义上的无氧呼吸，基本有下面两种。上述有氧呼吸过程中的第一个过程是不需要氧气参与的，无氧呼吸便是由葡萄糖分解为丙酮酸（C3H4O3）这一不需要氧气的过程为基础，而不具备放能较多可以释放出还原性氢中的能量的呼吸链过程，所以无氧呼吸释放的能量远比有氧呼吸少。

酒精发酵

丙酮酸（C3H4O3）在脱羧过程后不生成乙酰辅酶A，而是生成乙醛，乙醛接受还原性氢被还原为酒精。

乳酸发酵

一些生物的呼吸过程，典型的是我们熟知的乳酸菌。在乳酸发酵中，丙酮酸直接生成乳酸，这是一个被氧化的过程，同样可以生成很少的ATP，人体内也存在这一过程，剧烈运动时肌肉供氧不足，便会通过这一过程得到能量，生成的乳酸导致肌肉酸痛。2

意义(1)为生物体各项生命活动提供直接能源物质——ATP。

(2)为体内的其他化合物的合成提供原料。

(3)维持恒温动物的体温。

应用有氧呼吸原理的应用

（1）作物栽培要及时松土透气，利用根系的有氧呼吸，促进水和无机盐的吸收；稻田需定期排水，否则会因根进行无氧呼吸产生大量酒精而对细胞有毒害作用，使根腐烂。1

（2）提倡有氧运动的原因之一是不因为会 因为剧烈运动，使细胞无氧呼吸积累过多的乳酸而使肌肉酸胀无力。

（3）馒头、面包的过程中利用酵母发面使面包馒头变得松软可口。

无氧呼吸原理的应用

（1）选用“创可贴”、透气的纱布包扎伤口，为伤口创造透气的环境，避免厌氧病原菌的繁殖，利于伤口愈合。

（2）酵母菌、既可以进行有氧呼吸，又可进行无氧呼吸。有氧时，进行有氧呼吸，大量繁殖；无氧时，进行无氧呼吸，产生酒精或食醋。所以生产中，在控制通气的情况下，可生产各种酒食醋等。1

（3）豆腐乳的制作是利用了真菌的无氧呼吸发酵生成多种营养物质的原理。

影响因素内因由遗传决定→酶活性。
1同一生物不同生长发育时期呼吸速率不同

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。

外因温度

细胞呼吸是由酶催化的一系列反应过程，因此细胞呼吸对温度的变化很敏感。
在一定范围内，细胞呼吸随温度的升高而加快，但超过最适温度后，细胞呼吸将急剧减弱，直至停止。

氧气浓度

氧气促进需氧呼吸，抑制厌氧呼吸，在一定范围内呼吸强度随着氧气浓度升高而增大。

CO2浓度****

增加CO2浓度对有氧呼吸有抑制作用。

阶段细胞呼吸可分为3个阶段。

在第1阶段中，各种能源物质循不同的分解代谢途径转变成乙酰辅酶A。

在第2阶段中，乙酰辅酶A（乙酰CoA）的二碳乙酰基，通过三羧酸循环转变为CO2和氢原子。在第3阶段中，氢原子进入电子传递链（呼吸链），最后传递给氧，与之生成水；同时通过电子传递过程伴随发生的氧化磷酸化作用产生ATP分子。

生物体主要通过脱羧反应产生CO2，即代谢物先转变成含有羧基（-COOH）的羧酸，然后在专一的脱羧酶催化下，从羧基中脱去CO2。细胞中的氧化反应可以“脱氢”、“加氧”或“失电子”等多种方式进行，而以脱氢方式最为普遍，也最重要。

在细胞呼吸的第1阶段中包括一些脱羧和氧化反应，但在三羧酸循环中更为集中。三羧酸循环是在需氧生物中普遍存在的环状反应序列。循环由连续的酶促反应组成，反应中间物质都是含有3个羧基的三羧酸或含有2个羧基的二羧酸，故称三羧酸循环。因柠檬酸是环上物质，又称柠檬酸循环。也可用发现者的名字命名为克雷布斯循环。

呼吸链右图即是存在最广泛的NADH呼吸链和另一种FADH2呼吸链。图中用MH2代表任一还原型代谢物，如苹果酸。可在专一的烟酰胺脱氢酶（苹果酸脱氢酶）的催化下，脱去一对氢成为氧化产物M（ 草酰乙酸）。这类脱氢酶，以NAD+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）或NADP+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）为辅酶。这两种辅酶都含有烟酰胺（维生素PP）。在脱氢反应中，辅酶可接受1个氢和1个电子成为还原型辅酶，剩余的1个H+留在液体介质中。

反应式如下：

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本词条内容贡献者为:

李少斌 - 副教授 - 长江大学生命科学学院