有氧呼吸-定义，步骤，ATP产量，图解，用途

通过

呼吸是一种代谢生化反应，其中复杂的食物物质在活细胞内转化为细胞能量分子(ATP)的形式。它是一系列的氧化还原反应，电子从电子供体转化为受体，最终能量释放并以三磷酸腺苷(ATP)分子的形式保存。一般来说，呼吸被认为是吸入氧气和呼出二氧化碳气体。但是，这被称为呼吸而不是呼吸。

根据需氧量的不同，呼吸可分为两种类型;有氧和无氧呼吸。更准确地说，这种分类是基于在呼吸过程中使用氧或任何其他分子作为电子受体。

无氧呼吸是在无氧状态下发生的细胞呼吸过程。它是一个电子转移到氧分子以外的分子的过程。这是一种更快的方法，但葡萄糖不完全分解，释放的ATP分子更少。主要发生在微生物中。

有氧呼吸
有氧呼吸。

什么是有氧呼吸?

有氧呼吸是在有氧气存在的情况下发生的细胞呼吸过程。

这是一个呼吸过程，电子转移到二氧分子(O2)，产生水分子和能量分子ATP。在这里，葡萄糖分子被完全氧化为能量(ATP)、二氧化碳和水。一般的有氧呼吸过程可以表示为:

C6H12O6(葡萄糖)+ O2(氧气)→6有限公司2(二氧化碳)+ 6 h2O(水)+ ATP(能量)

1分子葡萄糖被氧化为6分子二氧化碳，6分子水和32分子ATP。

它发生在大多数生物中，包括每一种高等植物和动物，以及大多数微生物的有氧和兼性呼吸模式中。它发生在真核生物的线粒体和原核生物细胞的细胞质中。与厌氧型相比，它较慢，但有较高的ATP分子产量。一个葡萄糖分子可以产生32个ATP分子。在这个过程中，葡萄糖、氨基酸和脂肪酸被用作底物，并在氧气存在的情况下代谢。

有氧呼吸步骤

它是一个复杂的多步骤的酶反应过程，发生在四个步骤;糖酵解，丙酮酸氧化，克雷布斯循环和氧化磷酸化。每一步已经是一个复杂的多步酶化学反应过程。

有氧呼吸步骤
有氧呼吸步骤．

糖酵解

词源:源自希腊语“葡萄糖”意义“糖”,“溶解”意义“解散”．

糖酵解是利用几种酶将葡萄糖(或糖原)分子转化为丙酮酸的分解代谢反应的序列。在此过程中，一个葡萄糖分子被催化生成两分子丙酮酸、两分子NADH和两分子ATP。它也被称为“Embden-Meyerhof-Parnas通路”或“EMP途径”。

整体反应可以表示为:

葡萄糖+ 2 nad++2ADP + 2Pi→2丙酮酸+ 2NADH + 2ATP + 2H2O h + 2+

它发生在身体每个细胞的细胞质中。它发生在有氧和无氧条件下。在好氧条件下，丙酮酸产生，而乳酸在厌氧条件下产生。

糖酵解过程图
糖酵解过程图

这是有氧呼吸过程的第一步。这是一个多步反应过程。反应的顺序可以分为三个不同的阶段;

A.能源投资阶段(筹备阶段)

这是葡萄糖转化为的特性,6-bisphosphate在三步反应中使用两分子ATP(因此被称为能量投入阶段)，即:

  1. 磷酸化的葡萄糖:在这里，葡萄糖被酶磷酸化为葡萄糖- 6 -磷酸“己糖激酶”利用ATP分子。
  2. 葡萄糖-6-磷酸异构化(G-6-P)这里是酶葡萄糖- 6 -磷酸异构酶在Mg存在下催化G-6-P可逆异构化为果糖-6-磷酸+ 2离子。
  3. 果糖-6-磷酸磷酸化(F-6-P):这里，f -6被磷酸化“磷酸果糖激酶”产生果糖- 1,6 -二磷酸的酶。这被称为糖酵解的承诺步骤。

b .分裂阶段

这是一个两步反应，6-碳果糖- 1,6 -二磷酸分子被分裂成两个3碳化合物甘油醛- 3 -磷酸．

  1. 果糖- 1,6 -二磷酸裂解:果糖- 1,6 -二磷酸转化为二磷酸三糖;甘油醛- 3 -磷酸(G - 3 - P)和磷酸二羟基丙酮，由一种叫做"醛缩酶(果糖二磷酸醛缩酶)。
  2. Triosephosphate异构化:酶“triosephosphate异构酶”可逆地将磷酸二羟基丙酮转化为G - 3 - P。

C.发电阶段

这是最后一个阶段甘油醛- 3 -磷酸分子被转化为丙酮酸．它包括以下反应序列:

  1. 甘油醛-3-磷酸(G-3-P)的氧化:G - 3 - P被酶氧化为1,3 -二磷酸甘油酸。甘油醛- 3 -磷酸脱氢酶产生一个NADH分子。
  2. 磷酸基从1,3 -二磷酸向ADP的转移:酶“磷酸甘油酸酯激酶可逆地催化1,3 -二磷酸转化为3 -磷酸甘油酸。在这个过程中会合成一个ATP分子。
  3. 转换3- - - - - -磷酸甘油酸酯来2 -磷酸甘油酸酯:酶“磷酸甘油酸酯变位酶”催化3 -磷酸甘油酸转化为2 -磷酸甘油酸。
  4. 2 -磷酸甘油酸脱水:在可逆反应中，2 -磷酸甘油酸被酶脱水成磷酸烯醇丙酮酸。烯醇酶”。
  5. 丙酮酸的形成:磷酸基从磷酸烯醇式丙酮酸酯到ADP的最终转移产生a丙酮酸分子。它由酶催化丙酮酸激酶。

丙酮酸氧化

第二步丙酮酸被转化为乙酰辅酶a然后进入克雷布斯循环。这一步骤导致糖酵解产生的丙酮酸的氧化脱羧。

首先，丙酮酸被转移到线粒体基质“丙酮酸移位酶”酶。丙酮酸脱氢酶复合物(pyruvate dehydrogenase complex)不可逆转地催化丙酮酸转化为乙酰辅酶a。丙酮酸失去一个碳原子，形成CO分子2．此外,河畔+在这个过程中被还原为NADH。

总体反应可以概括为:

丙酮酸+ NAD++ CoA→乙酰CoA + CO2+ nadh + h+

克雷布斯循环

这是乙酰-辅酶a被氧化为CO的一系列反应2和H2在线粒体基质内以ATP和还原性辅酶NADH和FADH的形式产生能量2．在这一阶段产生20个ATP分子。这是中心有氧途径，连接所有的代谢途径，利用约2/3理查德·道金斯人体消耗的全部氧气中。

它是由德国生物学家和生物化学家汉斯·阿道夫·克雷布斯爵士发现的，因此得名“克雷布斯循环”。

它发生在线粒体基质中，因为所有所需的酶都位于线粒体内。它具有分解代谢和合成代谢反应，因此被认为是一种循环amphibolic有氧氧化代谢途径。它参与糖异生、转胺和分层过程。

三羧酸循环
克雷布斯循环

在反应的第一步产生柠檬酸。因此它也被称为“三羧酸循环(TCA循环)”或“柠檬酸循环”。

它是一个多步骤的氧化反应循环，包括以下步骤:

  1. 柠檬酸的形成:乙酰辅酶a和草酰乙酸被酶浓缩。柠檬酸合成酶”柠檬酸的产生。
  2. 异构化的柠檬酸:酶”顺乌头酸酶”将柠檬酸异构化为异柠檬酸(异柠檬酸)，通过形成顺乌头的中间过程，再水合形成异柠檬酸。
  3. -酮戊二酸的形成:异柠檬酸首先脱氢生成草酰琥珀酸，然后通过酶脱氢生成-酮戊二酸“异柠檬酸脱氢酶”。一个一氧化碳分子2NADH在这个过程中形成。
  4. -酮戊二酸转化为琥珀酰CoA: -酮戊二酸脱氢酶对-酮戊二酸进行氧化脱羧，生成琥珀酰CoA和CO2。当NAD+作为电子受体时，NADH被释放出来。
  5. 琥珀酸的形成:琥珀酰CoA通过“琥珀酸硫激酶”转化为琥珀酸。GDP的一个分子被磷酸化为GTP, GTP又被核苷二磷酸激酶转化为ATP。
  6. 琥珀酸的氧化:“琥珀酸脱氢酶”将琥珀酸(琥珀酸)氧化为富马酸(富马酸)。在这个过程中产生一个FADH2分子。
  7. 富马酸的水合作用:富马酸酶催化富马酸水合生成苹果酸(苹果酸)。
  8. 苹果酸的氧化:最后，“苹果酸脱氢酶”将苹果酸氧化为草酰乙酸(草酰乙酸)。NADH的第三次合成也是最后一次合成发生在这一阶段。

氧化磷酸化

它是由几种酶催化的一系列生化反应，其中电子从NADH和FADH这样的电子载体转移到一个氧分子(O2)，在此过程中释放ATP分子。

一般来说，氧化磷酸化被理解为电子传递链。广泛地说，氧化磷酸化是包括电子传递链(ETC)和化学渗透的耦合反应系列。

ETC转移电子并产生质子梯度，利用ATP合酶ADP和质子梯度产生的能量在一个称为化学渗透的过程中合成ATP。

它发生在细胞膜内的线粒体内。这是有氧细胞呼吸的最后一步。

一个。电子传递链

ETC是一系列将电子从电子给体(NADH和FADH)转移到电子受体(O2)通过氧化还原反应，并将这种电子转移与质子(H+)穿过线粒体膜。

ETC涉及五种不同的酶复合物，分别是I, II, III, IV和V。复合物I - IV是电子载体，而复合物V负责ATP的合成。此外，还有其他的移动电子载体，如NADH、辅酶Q、细胞色素C和氧。

电子传递链(ETC)
电子传递链

ETC的整体反应如下:

1.交付的电子;底物如NADH和FADH将电子转移到辅基FMN辅酶上。辅酶FMN接受2个电子和1个质子，形成FMNH2．

NADH + H++ FMN→河畔++ FMNH2

2.运输的电子；一个铁硫(FeS)蛋白参与FMNH的电子转移2到辅酶q。被氧化的铁中有6种Fe3 +或减少铁2 +的形式。所有这些FeS蛋白都与细胞色素(b, c1, c, a, a3)相关，并参与电子运输。

3.水分子的形成；在最后阶段，被传输的电子被氧分子接受。这就把O分开了2成两个啊- - - - - -并与自由质子(H+)形成水分子。这个反应是放能的，产生的能量用于产生ATP。

b .化学渗透

在这个过程中，质子梯度产生的能量被用来产生ATP。电子在ETC中的转移与质子(H+)形成质子梯度。

H的运动+沿着电化学梯度向下的离子会激活ATP合酶，催化ADP磷酸化形成ATP分子。

有氧呼吸中ATP的产生

在有氧呼吸过程中，atp在两个水平上通过氧化磷酸化产生;第一在基板层，第二在ETC层。

第一种被称为底物链接氧化磷酸化，发生在糖酵解途径和TCA循环中。在糖酵解途径中，G-3-P被G-3-P脱氢酶氧化后，会加入一个高能量的磷酸基，在接下来的反应中，磷酸基转移到ADP上，产生ATP分子。

substrate-linked氧化磷酸化
Substrate-linked氧化磷酸化

在另一个反应中，2-磷酸甘油酸脱水过程中释放的能量将低能的磷酸键转化为高能的磷酸键，并在下一个反应中转化为ADP，产生ATP分子。

脱水的2-phosphoglycerate
脱水的2-phosphoglycerate

在TCA循环中，α-酮戊二酸氧化过程中释放的能量用于琥珀酸和辅酶a之间形成高能量键。在接下来的反应中，CoA被分离，能量被释放，用于将GDP磷酸化为GTP。

氧化α酮戊二酸
氧化α酮戊二酸

第二个水平被称为氧化磷酸化在ETC水平。在化学渗透过程中，糖酵解和TCA循环中形成的还原等价物在ETC中被氧化，再加上ADT的磷酸化产生ATP。

有氧呼吸中每个葡萄糖分子的总ATP产率可以总结为:

在糖酵解
消耗ATP = 2个ATP
产生ATP = 4个ATP
产生的NADH = 2 NADH = 2 × 2.5 = 5个atp
丙酮酸的氧化脱羧
NADH产生= 2nadh = 2 × 2.5 = 5个atp
在(TCA)克雷布斯循环中
由于2乙酰辅酶a是由一个葡萄糖分子形成的，所以产生ATP的数量是一个TCA循环产生ATP的两倍。
产生的总NADH = 2 × 3nadh = 6 × 2.5 = 15个atp
总FADH2产生= 2 x 1 FADH2= 2 x 1.5 = 3个atp
产生的总直接atp = 2个atp
氧化磷酸化过程中NADH和FADH2转换为上述已包括的atp。
总ATP产率= 7(糖酵解)+ 5(氧化脱羧)+ 20 (TCA)
= 32个atp

有氧呼吸的应用

  • 首先，它被用于有氧生物细胞中以ATP的形式产生能量。
  • 有限公司2在这个过程中释放出来的气体被绿色植物用于光合作用。
  • 产生几种中间化合物、辅酶和有机酸。
  • 它们被用于合成反应中由氨基酸合成蛋白质。
  • 它们被用于好氧堆肥和生物降解过程。

参考文献

  1. Nelson, d.l.， & Cox, m.m.(2017)。Lehninger生物化学原理(第七版)。w·h·弗里曼。
  2. Satyanarayana,(2013)。生物化学。爱思唯尔健康科学。https://books.google.com.np/books?id=Bd9XAwAAQBAJ
  3. 呼吸-生物呼吸的类型和阶段
  4. 呼吸-定义，类型，流程图和阶段
  5. 呼吸和气体交换- KS3生物学- BBC一口大小- BBC一口大小
  6. Patwa, A.， & Shah, A.(2015)。与麻醉有关的呼吸系统解剖学和生理学。印度麻醉杂志，59(9)，533-541。https://doi.org/10.4103/0019-5049.165849
  7. Kelly DJ, Hughes NJ, Poole RK。微有氧生理学:有氧呼吸、无氧呼吸和二氧化碳代谢。In: Mobley HLT, Mendz GL, Hazell SL, editors。幽门螺杆菌:生理学与遗传学。华盛顿:ASM出版社;2001.第十章。可以从https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK2411/
  8. 金衢生，《美国科学杂志》2012年6月号，312 (6)573-628;DOI: https://doi.org/10.2475/06.2012.01
  9. (14) (PDF)好氧和无氧呼吸的区别(researchgatee.net)
  10. 有氧呼吸:定义、过程和意义(embibe.com)
  11. 有氧呼吸-最终指南|生物学字典
  12. 有氧呼吸-定义，过程和步骤|生物学(vedantu.com)
  13. 什么是有氧呼吸?-定义、图表和步骤(byjus.com)
  14. Wilson D. F.(2017)。氧化磷酸化:在细胞和组织代谢中的调节和作用。生理学报，595(23)，7023-7038。https://doi.org/10.1113/JP273839
  15. 氧化磷酸化-定义，氧化磷酸化步骤(byjus.com)
  16. 有氧呼吸和无氧呼吸的重要性- QS研究
  17. 现实生活中的应用-呼吸-厌氧呼吸，厌氧细菌，人类和厌氧呼吸

留下你的评论

本网站使用Akismet来减少垃圾邮件。了解如何处理您的评论数据．