能量和功

每个生物都需要能量和有机分子，它们以两种方式使用；

构成生物体所需的其它有机分子的基本组成部分。

化学势能，可以通过呼吸作用分解这些分子释放出来。

这种化学势能以以下方式使用；

肌肉收缩和其他细胞运动

物质的主动运输

合成简单的物质（合成代谢反应）形成复杂物质。

所有生物体中产生能量的反应通常会产生一个中间能量分子ATP。

ATP（腺苷三磷酸）

ATP 由腺嘌呤（有机碱基）和核糖（戊糖）组成，形成腺苷（核苷），然后与三个磷酸基团结合形成 ATP，一个核苷。它是一个小的水溶性分子，易于运输。当一个磷酸基团被移除时，[称为水解] 形成 ADP，并释放 30.6kJ 的能量，这是一个可逆反应，允许 ATP 和 ADP 之间的相互转换 - 公式如下：称为磷酸化。

ATP + H₂O ↔ ADP +H₃PO₄ ΔG = ± 30.6kJ

能量货币

细胞的能量产生反应合成 ATP，ATP 被细胞用于各种形式的工作。细胞以 ATP 进行交易，而不是使用中间体。能量转移过程中损失的能量会转化为热能，以及任何过量的能量，例如，如果产生过多的能量无法产生 ATP。能量货币是细胞的能量需求反应的直接供体，而储存分子是化学能的短期（葡萄糖）或长期（糖原）储存。ATP 失去一个磷酸基团并形成 ADP。

合成

大多数 ATP 是使用电势能合成的，即线粒体和叶绿体中电子载体转移电子的能量。它被存储为跨膜的氢离子浓度差（线粒体和叶绿体的膜基本上不透氢离子）。然后允许氢离子通过其浓度梯度流过一个转运蛋白，该蛋白的一部分是 ATP 合成酶，一种出人意料地合成 ATP 的酶。三个氢离子的转移会在存在 ADP 和磷酸基团的情况下产生一个 ATP 分子，前提是 ADP 和磷酸基团存在于细胞器内部。

作用

ATP 是动物中各种生物过程所必需的，包括：主动运输、分泌、内吞作用、DNA 的合成和复制以及运动。

主动运输

主动运输是指分子运动，被定义为跨膜消耗能量的分子或离子运输，这些运输是逆浓度梯度的，由 ATP 中能量的转移实现的。大多数细胞都有钠钾泵，这些泵由 ATP 维持，以执行许多功能。

肌肉收缩

肌肉收缩过程如下：

肌节通过使细的肌动蛋白丝在粗的肌球蛋白丝上滑动而收缩（肌球蛋白是具有可弯曲头部的一种分子，ATP 酶分子，水解 ATP 为 ADP 和磷酸盐）

1. 钙离子从肌浆网释放，使肌球蛋白头部能够与相邻的肌动蛋白丝部分结合。

2. 然后，头部倾斜 45 度，将肌动蛋白丝相对于肌球蛋白向肌节中心移动约 10nm

3. 数百万个纤维同时进行此动作，使肌肉收缩，释放 ADP 和磷酸盐

4. 另一个 ATP 与头部结合，再次被水解，头部倾斜回其原始位置

5. 当收缩结束时，ATP 被用来将钙离子泵回肌浆网。

在收缩过程中，ATP 会不断地使用磷酸肌酸再生，磷酸肌酸会提供一个磷酸基团给 ADP，使 ADP 变成 ATP 和肌酸。有限的磷酸肌酸供应必须通过呼吸作用中的 ATP 进行补充。肌肉可能无法跟上，因此使用乳酸途径来允许 ATP 的持续形成，但细胞会产生氧债。

呼吸作用

糖酵解

这是葡萄糖的分解，最终会产生两个丙酮酸分子。在第一步中使用 ATP，其中葡萄糖被用 ATP 磷酸化，这使反应更容易。葡萄糖分解为己糖磷酸，然后分解为己糖二磷酸，然后分解为 2 个三碳磷酸分子。然后去除氢并转移到 NAD，每个葡萄糖分子产生两个还原的 NAD。除了两个还原的 NAD 之外，该过程总共产生 4 个 ATP 分子，但需要 2 个 ATP 分子。

总之。葡萄糖 > 葡萄糖-6-磷酸 > 果糖-1-磷酸 > 己糖-1,6-二(s)磷酸 > 2x 三碳磷酸 > 2x 中间化合物 > 2x 丙酮酸。

丙酮酸然后被主动运输到线粒体基质进行连接反应。因此，最终会产生：

2 个 ATP 分子
2 个丙酮酸分子
2 个还原的 NAD 分子 [NADH]

连接反应

丙酮酸和 NAD 进入发生在线粒体基质中的连接循环，在那里它被脱羧、脱氢并与辅酶 A 结合形成乙酰辅酶 A。产生 CO₂，NAD 被还原。乙酰辅酶 A 充当乙酰基向三羧酸循环的载体。从丙酮酸中去除的氢现在被转移到 NAD。

因此，最终：[作为 2 个丙酮酸分子]

产生 2 个 NADH
产生 2 个 Co₂

三羧酸循环

三羧酸循环（也称为柠檬酸循环或三羧酸循环）是一个封闭的酶控制反应途径；

1. 乙酸盐 [来自乙酰辅酶 A] 与一个四碳化合物（草酰乙酸）结合形成一个六碳化合物（柠檬酸）

2. 柠檬酸被脱羧和脱氢（氢还原 NAD 和 FAD），产生 CO₂ 和 NADH 和 FADH。

3. 通过 SLP [底物水平磷酸化] 产生 ATP

4. 草酰乙酸再生以与连接反应中另一个乙酰辅酶 A 结合。

对于每个三羧酸循环的循环，三个 NAD 分子和一个 FAD 被还原，产生两个二氧化碳分子，并通过中间化合物产生一个 ATP 分子。释放的氢用于氧化磷酸化，为 ATP 的合成提供能量。三羧酸循环的反应不使用氧气。但是，在最后阶段（即氧化磷酸化）需要氧气。

氧化磷酸化

电子传递链为 ADP 磷酸化为 ATP 提供能量，这发生在线粒体膜中。还原的 NAD/FAD 被传递到电子传递链，在那里从两个氢载体中去除氢，并被分解为氢离子和电子。电子被传递到一系列电子载体，而氢离子保留在线粒体基质中。一旦电子被转移到氧气，一个氢离子将从溶液中被吸引以将氧气还原为水。

电子沿着电子载体系列的转移，从较高的载体传递到较低的载体，释放能量，使其可用于将 ADP + 磷酸盐转化为 ATP。每个还原的 NAD 分子平均产生 2.5 个 ATP 分子，而每个还原的 FAD 分子平均产生 1.5 个 ATP 分子。

化学渗透

来自电子传递链的能量被用来将氢离子从线粒体基质泵入质膜和嵴之间的区域 - 氢离子的浓度变得高于基质中的浓度，存在浓度梯度。然后允许氢离子通过具有 ATP 合成酶的蛋白质通道，当离子穿过时，它们的电能被用来合成 ATP。三个氢离子的能量被用来将一个 ADP 磷酸化为 ATP。

无氧呼吸

哺乳动物

丙酮酸 > 乳酸

丙酮酸通过乳酸脱氢酶被脱氢，在哺乳动物中产生乳酸。丙酮酸接受 2 个 H，允许 NADH > NAD + 2H。这对哺乳动物在生物学上非常有用，因为在无氧呼吸过程中，连接反应、三羧酸循环和氧化磷酸化无法进行；因为它们都依赖于 O₂ 或进行这些过程的产物。生物学上的作用是 NAD 被再氧化，这意味着它现在可以在糖酵解中接受 2 个 H，这使得糖酵解能够释放 2 个 ATP，使哺乳动物能够在没有氧气的情况下继续呼吸和产生 ATP。

酵母

丙酮酸 > 乙醛 > 乙醇

丙酮酸通过丙酮酸脱羧酶被脱羧，产生乙醛 [副产物为 CO2]
乙醛从 NADH 中接受 2 个 H 原子，因此变成乙醇并重新氧化 NAD。

酵母是一种“兼性厌氧菌”，可以在没有氧气的环境中生存，但如果乙醇浓度超过 15%，它就会被杀死。

呼吸底物

所有细胞的主要呼吸底物都是碳水化合物，通常以六碳糖（如葡萄糖）的形式存在。虽然葡萄糖并非所有细胞都必需，但许多细胞可以氧化脂类和氨基酸。

能量值

有氧呼吸中释放的能量通常来自将还原的 NAD 和还原的 FAD 传入电子传递链时，氢被氧化成水的过程。因此，氢键断裂越多，能量就越多 - 脂类由于其长脂肪酸链，其能量密度是碳水化合物的两倍多。

呼吸商

有氧呼吸的总方程式表明，氧气消耗量 = 二氧化碳产生量，因此它们的比例为 1:1。其他底物并非如此，可以使用呼吸商来确定用于能量的物质，呼吸商为：

$Respiratory\,Quotient={\frac {volume\,of\,carbon\,dioxide\,per\,unit\,time}{volume\,of\,oxygen\,per\,unit\,time}}$

高呼吸商值通常表明正在发生无氧呼吸。

呼吸底物	呼吸商
碳水化合物	1
脂肪	0.7 - 0.72
蛋白质	0.8 - 0.9
羧酸	1.33 - 4.0