普通生物学/细胞/呼吸作用

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葡萄糖 + O₂ → CO₂ + H₂O + ATP

能量

• 能量主要存在于 C-H 键中（C-O 键也有）
• 化学能驱动新陈代谢
  • 自养生物：通过光合作用或相关过程收集能量（植物、藻类、一些细菌）
  • 异养生物：以自养生物产生的能量为生（大多数细菌和原生生物、真菌、动物）
• 消化：将聚合物酶促分解成单体
• 分解代谢：酶促收集能量
• 呼吸作用：从葡萄糖中收集高能电子

呼吸作用

• 将能量从葡萄糖的高能电子转移到 ATP
• 能量耗尽的电子（以及相关的 H⁺）被捐赠给受体分子
  • 有氧呼吸：氧气接受电子，形成水
  • 厌氧呼吸：无机分子接受氢/电子
  • 发酵：有机分子接受氢/电子

葡萄糖的呼吸作用

• C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + 能量
• ΔG = -720 kcal/mole 在细胞条件下
• 主要来自 6 个 C-H 键
• 无论是燃烧还是分解代谢，能量都相同
• 在细胞中，一些能量产生热量，大多数能量被转移到 ATP

替代厌氧呼吸

• 产甲烷菌（古细菌）。
  • CO₂ 是电子受体，形成 CH₄
• 硫细菌
  • SO₄ 还原成 H₂S
  • H₂S 的形成为光合作用的演化奠定了基础（H₂S 作为电子给体，先于 H₂O）
  • 大约 27 亿年前，基于 32S/34S 的比率，只有生物过程产生 32S 富集

糖酵解概述

糖酵解核算

• 氧化
  • 从每个 G3P 转移两个电子（一个质子）到 NAD⁺，形成 NADH

2NADH

• 底物水平磷酸化
  • G3P 到丙酮酸形成 2 个 ATP 分子

4 ATP (from 2 G3P) 

–2 ATP（启动）

 2 ATP (net gain)

总结：糖酵解的净输入是 2 个 ATP 分子，用于分裂一个葡萄糖分子。此步骤的净产出是 2 个 ATP 和 2 个丙酮酸。

NAD⁺ 的再生

• NAD⁺ 还原成 NADH 会耗尽 NAD⁺ 的供应；它必须再生
• 两种途径，与丙酮酸的命运相关
  • 有氧气：进入电子传递链，形成水（和 ATP）
  • 无氧气：发酵
• 乳酸
• 乙醇

乳酸形成

细胞厌氧呼吸的结果可能是形成乳酸或酒精。

三羧酸循环：概述

• 线粒体的基质
• 启动步骤
  • 乙酰辅酶 A 与草酰乙酸的结合
  • 异构化反应
• 三羧酸循环中的能量提取步骤
  • 每葡萄糖
• 6 NADH
• 2 FADH₂
• 2 ATP（来自 GTP）
• 4 CO₂

ATP 的产生

• 化学渗透（米切尔）
• H⁺（来自 NADH 和 FADH₂）被逆着浓度梯度泵入线粒体膜间隙（产生电势）
• 通过 ATP 合酶通道扩散回基质驱动 ATP 的合成（ADP + Pi → ATP）
• ATP 通过协助扩散离开线粒体

有氧呼吸的演化

• 先于光合作用的演化（需要 O2；此外，电子传递和化学渗透的先前演化）
• 与糖酵解相比，ATP 产生的效率很高
  • 促进了异养生物的演化
  • 促进了真核生物中线粒体通过内共生作用的演化