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碳水化合物、蛋白质和脂质的基本组成单位──葡萄糖、氨基酸和脂肪酸,被分解成更小的分子,透过数个步骤,将能量转移到还原性氢(化合价为-1的氢)中。
最后经过一连串的电子传递链,氢被氧化生成水;
原本贮存在其中的能量,则转移到ATP分子上,供生命活动使用。
过程
植物的作用主要细胞的线粒体进行。
有氧呼吸的全过程,可以分为三个阶段:
第一个阶段(称为糖酵解),一个分子的葡萄糖分解成两个分子的丙酮酸,在分解的过程中产生少量的氢(用[H]表示),同时释放出少量的能量。
这个阶段是在细胞质基质中进行的;
第二个阶段(称为三羧酸循环或柠檬酸循环),丙酮酸经过一系列的反应,分解成二氧化碳和氢,同时释放出少量的能量。
这个阶段是在线粒体基质中进行的;
第三个阶段(呼吸电子传递链),前两个阶段产生的氢,经过一系列的反应,与氧结合而形成水,同时释放出大量的能量。
这个阶段是在线粒体内膜中进行的。
以上三个阶段中的各个化学反应是由不同的酶来催化的。
在生物体内,1mol的葡萄糖在彻底氧化分解以后,共释放出大约2870kJ的能量,其中有1160.52kJ左右的能量储存在ATP中(38个ATP,1molATP储存30.54kJ能量),其余的能量都以热能的形式散失了(呼吸作用产生的能量仅有34%转化为ATP)。
生物进行呼吸作用的主要形式是有氧呼吸。
那么,生物在无氧条件下能不能进行呼吸作用呢?
科学家通过研究发现,生物体内的细胞在无氧条件下能够进行另一类型的呼吸作用——无氧呼吸。
苹果储藏久了,为什么会有酒味?
高等植物在水淹的情况下,可以进行短时间的无氧呼吸,将葡萄糖分解为酒精和二氧化碳,并且释放出少量的能量,以适应缺氧的环境条件。
高等动物和人体在剧烈运动时,尽管呼吸运动和血液循环都大大加强了,但是仍然不能满足骨骼肌对氧的需要,这时骨骼肌内就会出现无氧呼吸。
高等动物和人体的无氧呼吸产生乳酸。
此外,还有一些高等植物的某些器官在进行无氧呼吸时也可以产生乳酸,如马铃薯块茎、甜菜块根等。
植物有氧呼吸过程中,中间产物丙酮酸必须进入线粒体才能被分解成CO2[1]
在远古时期,地球的大气中没有氧气,那时的微生物适应在无氧的条件下生活,所以这些微生物(专性厌氧微生物)体内缺乏氧化酶类,至今仍只能在无氧的条件下生活。
随着地球上绿色植物的出现,大气中出现了氧气,于是也出现了体内具有有氧呼吸酶系统的好氧微生物。
可见,有氧呼吸是在无氧呼吸的基础上发展而成的。
尽管现今生物体的呼吸形式主要是有氧呼吸,但仍保留有无氧呼吸的能力。
由上述分析可以看出,无氧呼吸和有氧呼吸有明显的不同。
产生乳酸的主要有乳酸菌、玉米的胚、马铃薯块茎、甜菜块根和骨骼肌,这就是为什么剧烈运动后腿会发酸。
而产生酒精酒精最主要的是酵母菌、根霉、曲霉。
特别的是硝化细菌是兼性呼吸。
意义
对生物体来说,呼吸作用具有非常重要的生理意义。
植物呼吸作用过程:
有机物(储存能量)+氧(通过线粒体)→二氧化碳+水+能量
化学式有机物(储存能量)(一般为葡萄糖C6H12O6)+6O2→(条件:
酶)6CO2+6H2O+大量能量
无氧呼吸化学式有机物(C6H12O6)→2C2H5OH+2CO2+少量能量(条件:
酶)
有机物(C6H12O6)→2C3H6O3(乳酸)+少量能量(条件:
2呼吸类型编辑
有氧呼吸
生物的呼吸作用包括有氧呼吸和无氧呼吸两种类型。
有氧呼吸是指细胞在氧的参与下,通过酶的催化作用,把糖类等有机物彻底氧化分解,产生出二氧化碳和水,同时释放出大量能量的过程。
有氧呼吸是高等动物和植物进行呼吸作用的主要形式,因此,通常所说的呼吸作用就是指有氧呼吸。
细胞进行有氧呼吸的主要场所是线粒体。
一般说来,葡萄糖是细胞进行有氧呼吸时最常利用的物质。
第一个阶段,一个分子的葡萄糖分解成两个分子的丙酮酸,在分解的过程中产生少量的还原氢(用[H]表示),同时释放出少量的能量。
第二个阶段;
第三个阶段,前两个阶段产生的氢,经过一系列的反应,在酶的催化下与氧结合而形成水,同时释放出大量的能量。
这个阶段是在线粒体内膜上进行的。
在mol的葡萄糖在彻底氧化分解以后,共释放出约2870kJ的能量,其中有1161kJ左右的能量储存在ATP中,其余的能量都以热能的形式散失了。
有氧呼吸过程中能量变化
在有氧呼吸过程中,葡萄糖彻底氧化分解,1mol的葡萄糖在彻底氧化分解以后,共释放出约2870kJ的能量,其中有1161kJ的能量储存在ATP中,其余的能量都以热能的形式散失了。
有氧呼吸公式
第一阶段C6H12O6酶→细胞质基质=2丙酮酸+4[H]+能量(2ATP)
【大学里4[H]是2个NADH和2个H+】
第二阶段2丙酮酸+6H₂O酶→线粒体基质=6CO₂+20[H]+能量(2ATP)
第三阶段24[H]+6O₂酶→线粒体内膜=12H₂O+能量(34ATP)
总反应式C6H12O6+6H₂O+6O₂酶→6CO₂+12H₂O+大量能量(38ATP)
有氧呼吸详细内容
有氧呼吸-介绍指物质在细胞内的氧化分解,具体表现为氧的消耗和二氧化碳、水及三磷酸腺苷(ATP)的生成,又称细胞呼吸。
其根本意义在于给机体提供可利用的能量。
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。
也可用发现者的名子命名为克雷布斯循环。
在循环开始时,一个乙酰基以乙酰-CoA的形式,与一分子四碳化合物草酰乙酸缩合成六碳三羧基化合物柠檬酸。
柠檬酸然后转变成另一个六碳三羧酸异柠檬酸。
异柠檬酸脱氢并失去CO2,生成五碳二羧酸α-酮戊二酸。
后者再脱去1个CO2,产生四碳二羧酸琥珀酸。
最后琥珀酸经过三步反应,脱去2对氢又转变成草酰乙酸。
再生的草酰乙酸可与另一分子的乙酰CoA反应,开始另一次循环。
循环每运行一周,消耗一分子乙酰基(二碳),产生2分子CO2和4对氢。
草酰乙酸参加了循环反应,但没有净消耗。
如果没有其他反应消除草酰乙酸,理论上一分子草酰乙酸可以引起无限的乙酰基进行氧化。
环上的羧酸化合物都有催化作用,只要小量即可推动循环。
凡能转变成乙酰CoA或三羧酸循环上任何一种催化剂的物质,都能参加这循环而被氧化。
所以此循环是各种物质氧化的共同机制,也是各种物质代谢相互联系的机制。
三羧酸循环必须在有氧的情况下进行。
环上脱下的氢进入呼吸链,最后与氧结合成水并产生ATP,这个过程是生物体内能量的主要来源。
呼吸链由一系列按特定顺序排列的结合蛋白质组成。
链中每个成员,从前面的成员接受氢或电子,又传递给下一个成员,最后传递给氧。
在电子传递的过程中,逐步释放自由能,同时将其中大部分能量,通过氧化磷酸化作用贮存在ATP分子中。
不同生物,甚至同一生物的不同组织的呼吸链都可能不同。
有的呼吸链只含有一种酶,也有的呼吸链含有多种酶。
但大多数呼吸链由下列成分组成,即:
烟酰胺脱氢酶类、黄素蛋白类、铁硫蛋白类、辅酶Q和细胞色素类。
这些结合蛋白质的辅基(或辅酶)部分,在呼吸链上不断地被氧化和还原,起着传递氢(递氢体)或电子(递电子体)的作用。
其蛋白质部分,则决定酶的专一性。
为简化起见,书写呼吸链时常略去其蛋白质部分。
上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。
NAD++2H(2H++2e)NADH+H+
NADP++2H(2H++2e)NADPH+H+
黄素蛋白类是以黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)或黄素单核苷酸(FMN)为辅基的脱氢酶,其辅基中含核黄素(维生素B2)。
NADH脱氢酶就是一种黄素蛋白,可以将NADH的氢原子加到辅基FMN上,在NADH呼吸链中起递氢体作用。
琥珀酸脱氢酶也是一种黄素蛋白,可以将底物琥珀酸的1对氢原子直接加到辅基FAD上,使其氧化生成延胡索酸。
FADH2继续将H传递给FADH2呼吸链中的下一个成员,所以FADH2呼吸链比NADH呼吸链短,伴随着呼吸链产生的ATP也略少。
铁硫蛋白类的活性部位含硫及非卟啉铁,故称铁硫中心。
其作用是通过铁的变价传递电子:
Fe&
sup3;
+=e++Fe&
sup2;
+。
这类蛋白质在线粒体内膜上,常和黄素脱氢酶或细胞色素结合成复合物。
在从NADH到氧的呼吸链中,有多个不同的铁硫中心,有的在NADH脱氢酶中,有的和细胞色素b及c1有关。
辅酶Q是一种脂溶性醌类化合物,因广泛存在于生物界故又名泛醌。
其分子中的苯醌结构能可逆地加氢还原成对苯二酚衍生物,在呼吸链中起中间传递体的作用。
细胞色素是一类以铁卟啉(与血红素的结构类似)为辅基的红色或棕色蛋白质,在呼吸链中依靠铁的化合价变化而传递电子:
+=e+Fe&
发现的细胞色素有b、c、c1、aa3等多种。
这些细胞色素的蛋白质结构、辅基结构及辅基与蛋白质部分的连接方式均有差异。
在典型的呼吸链中,其顺序是b→c1→c→aa3→O₂。
还不能把a和a3分开,而且只有aa3能直接被分子氧氧化,故将a和a3写在一起并称之为细胞色素氧化酶。
生物界各种呼吸链的差异主要在于组分不同,或缺少某些中间传递体,或中间传递体的成分不同。
如在分枝杆菌中用维生素K代替辅酶Q;
又如许多细菌没有完整的细胞色素系统。
呼吸链的组成虽然有许多差异,但其传递电子的顺序却基本一致。
生物进化越高级,呼吸链就越完善。
与呼吸链偶联的ATP生成作用叫做氧化磷酸化。
NADH呼吸链每传递1对氢原子到氧,产生3个ATP分子。
FADH2呼吸链则只生成2个ATP分子。
无氧呼吸
无氧呼吸一般是指细胞在无氧条件下,通过酶的催化作用,把葡萄糖等有机物质分解成为不彻底的氧化产物,同时释放出少量能量的过程。
这个过程对于高等植物、高等动物和人来说,称为无氧呼吸。
如果用于微生物(如乳酸菌、酵母菌),则习惯上称为发酵。
细胞进行无氧呼吸的场所是细胞质基质。
苹果储藏久了会有酒味;
高等植物在水淹的情况下,可以进行短时间的无氧呼吸,将葡萄糖分解为酒精和二氧化碳,并且释放出少量的能量,以适应缺氧的环境条件;
植物的呼吸作用
无氧呼吸的全过程,可以分为两个阶段:
第一个阶段与有氧呼吸的第一个阶段完全相同;
第二个阶段是丙酮酸在不同酶的催化下,分解成酒精和二氧化碳,或者转化成乳酸。
以上两个阶段中的各个化学反应是由不同的酶来催化的。
在无氧呼吸中,葡萄糖氧化分解时所释放出的能量,比有氧呼吸释放出的要少得多。
例如,1mol的葡萄糖在分解成乳酸以后,共放出196.65kJ的能量,其中有61.08kJ的能量储存在ATP中,其余的能量都以热能的形式散失了。
二者的区别
无氧呼吸:
指生活细胞对有机物进行的不完全的氧化。
这个过程没有分子氧参与,其氧化后的不完全氧化产物主要是酒精。
总反应式:
C6H12O6→2C₂H5OH+2CO₂+226千焦耳(54千卡)在高等植物中常将无氧呼吸称为发酵。
其不完全氧化产物为酒精时,称为酒精发酵;
为乳酸则称为乳酸发酵。
在缺氧条件下,只能进行无氧呼吸,暂时维持其生命活动。
无氧呼吸最终会使植物受到危害,其原因,一方面可能是由于有机物进行不完全氧化、产生的能量较少。
于是,由于巴斯德效应,加速糖酵解速率,以补偿低的ATP产额。
随之又会造成不完全氧化产物的积累,对细胞产生毒性;
此外,也加速了对糖的消耗,有耗尽呼吸底物的危险。
有氧呼吸:
有氧呼吸是指细胞在氧气的参与下,通过酶的催化作用,把糖类等有机物彻底氧化分解,产生出二氧化碳和水,同时释放出大量的能量的过程。
有氧呼吸是高等动植物进行呼吸作用的主要形式。
无氧呼吸公式:
酒精发酵:
C6H12O6→2C₂H5OH+2CO₂+能量
(箭头上标:
乳酸发酵:
C6H12O6→2C₃H6O₃+能量
有氧呼吸公式:
C6H12O6+6H₂O+6O₂酶→6CO₂+12H₂O+38ATP
有氧呼吸主要在线粒体内,而无氧呼吸主要在细胞基质内.
有氧呼吸需要分子氧参加,而无氧呼吸不需要分子氧参加
有氧呼吸分解产物是二氧化碳和水,无氧呼吸分解产物是:
酒精和CO₂或者乳酸
有氧呼吸释放能量较多,无氧呼吸释放能量较少.
历史发展过程
无氧呼吸和有氧呼吸的过程虽然有明显的不同,但是并不是完全不同。
从葡萄糖到丙酮酸,这个阶段完全相同,只是从丙酮酸开始,它们才分别沿着不同的途径形成不同的产物:
在有氧条件下,丙酮酸彻底氧化分解成二氧化碳和水,全过程释放较多的能量;
在无氧条件下,丙酮酸则分解成为酒精和二氧化碳,或者转化成乳酸,全过程释放较少的能量。
3意义编辑
呼吸作用
对生物体来说,呼吸作用具有非常重要的生理意义
第一
呼吸作用能为生物体的生命活动提供能量。
呼吸作用释放出来的能量,一部分转变为热能而散失,另一部分储存在ATP中。
当ATP在酶的作用下分解时,就把储存的能量释放出来,用于生物体的各项生命活动,如细胞的分裂,植株的生长,矿质元素的吸收,肌肉的收缩,神经冲动的传导等。
第二
呼吸过程能为体内其他化合物的合成提供原料。
在呼吸过程中所产生的一些中间产物,可以成为合成体内一些重要化合物的原料。
例如,葡萄糖分解时的中间产物丙酮酸是合成氨基酸的原料。
同时,保持大气中二氧化碳和氧气的含量保持平衡。
应用
发酵工程:
发酵工程是指采用工程技术手段,利用生物,主要是微生物的某些功能,为人类生产有用的生物产品,或者直接用微生物参与控制某些工业生产过程的一种技术。
人们熟知的利用酵母菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精,利用乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶,利用真菌大规模生产青霉素等都是这方面的例子。
随着科学技术的进步,发酵技术也有了很大的发展,并且已经进入能够人为控制和改造微生物,使这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。
现代发酵工程作为现代生物技术的一个重要组成部分,具有广阔的应用前景。
例如,利用DNA重组技术有目的地改造原有的菌种并且提高其产量;
利用微生物发酵生产药品,如人的胰岛素、干扰素和生长素等。
呼吸作用的文字式和化学式
文字式:
葡萄糖+氧气=二氧化碳+水+能量(催化剂:
化学式:
C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O+能量(催化剂:
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