细胞呼吸[1].doc

细胞呼吸一、呼吸作用概念呼吸作用是指活细胞内的有机物，在酶的催化下，逐步氧化分解有机物并释放能量的过程。在呼吸作用的过程中，葡萄糖分子并不是像体外燃烧那样一下子就氧化成CO2和H2O，而是要经过一系列复杂的化学反应，进行能量的逐级、缓慢释放。依据呼吸过程中是否有氧参与，可将呼吸作用分为有氧呼吸和无氧呼吸两种类型。二、有氧呼吸有氧呼吸是指活细胞利用O2，将某些有机物彻底氧化分解，形成CO2和H2O，同时释放大量能量的过程。呼吸作用中被氧化的有机物称为呼吸底物，例如糖类、有机酸、蛋白质、脂肪都可以作为呼吸底物。一般来说，葡萄糖是最常利用的呼吸底物。细胞有氧呼吸的全过程可分为以下三个步骤：糖酵解（EMP）：将1分子葡萄糖分解为2分子丙酮酸，并发生氧化（脱氢）和生成少量ATP。反应进行的场所是细胞质基质。柠檬酸循环（TCA）：丙酮酸彻底分解为CO2和氢（被传递氢的辅酶携带着），同时生成少量的ATP。反应进行的场所是线粒体基质。氧化磷酸化：氢（氢离子和电子）被传递给氧以生成水，并且放出大部分的能量，以生成大量ATP。反应进行的场所是线粒体内膜。（一）糖酵解糖酵解是葡萄糖氧化的第一阶段，在细胞质基质中进行，不需要氧。研究糖酵解途径有三位生物化学家：Embden，Meyerhof和Parnas，因此又把糖酵解途径称为Embden-Meyerhof-Parnas途径，简称EMP途径。1葡萄糖磷酸化虽然葡萄糖的氧化分解是放能反应，但葡萄糖是比较稳定的化合物，要使它氧化放能，必须先给予活化能来推动这个反应，使葡萄糖从稳定状态变为活跃状态，这个活化能是由ATP提供的。1分子ATP的磷酸通过葡萄糖激酶（己糖激酶）的催化而连到葡萄糖分子的6位碳上，使葡萄糖成为葡萄糖6磷酸。这是个耗能反应，1分子ATP水解1个高能磷酸键，用于使磷酸与葡萄糖结合，由于葡萄糖中的磷酸键不是高能的，所以写成直线。2葡萄糖6磷酸经异构酶的催化而变为它的同分异构体果糖6磷酸。3果糖6磷酸在磷酸果糖激酶的催化下，用ATP磷酸化，生成果糖一1，6二磷酸。补充：激酶的特点葡萄糖激酶和果糖磷酸激酶催化的反应均是不可逆反应，因此为限速酶。补充：糖原的分解糖原在磷酸化酶的催化下生成1-P-葡萄糖，在1，6-2P-葡萄糖的参与下，由葡萄糖磷酸变位酶催化，生成6-P-葡萄糖，从而参与糖酵解。补充：肌糖元与葡萄糖因为肌肉缺乏葡萄糖-6-磷酸酶，不能直接形成葡萄糖，所以肌糖原不能直接补充血糖。肌糖原分解出6-磷酸葡萄糖后，经糖酵解途径进入代谢。4醛缩酶催化果糖一1，6二磷酸裂解，产生2分子的三碳化合物，它们分别是磷酸二羟丙酮和3磷酸甘油醛（PGALd），这两者可以互相转化，处于平衡状态，以参加进一步的代谢。53磷酸甘油醛（PGALd）氧化和磷酸化，生成1，3二磷酸甘油酸。2分子3磷酸甘油醛被氧化，脱下2个H同时放出能，H由辅酶NAD接受而成为还原态的NADHH，产生的一部分能则贮存于自身的高能磷酸键中，生成1，3二磷酸甘油酸（DPGA）。这一分子中新形成的键是高能的，所以用曲线表示。（即PGALd分子从细胞质基质中吸收一个磷酸，形成高能磷酸键）61，3二磷酸甘油酸的高能磷酸键转移至ADP，产生ATP和3磷酸甘油酸，这一反应称为底物水平磷酸化。73磷酸甘油酸变构为2磷酸甘油酸。82磷酸甘油酸在烯醇化酶的催化下生成磷酸烯醇式丙酮酸，它的磷酸键吸收了自由能而变成了高能磷酸键。9磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶的催化下，发生第二次底物水平磷酸化，生成2分子ATP和2分子丙酮酸。该反应不可逆，因此丙酮酸激酶是酵解途径的第三个调节酶。10糖酵解的结果糖酵解过程的总结果是：1分子的葡萄糖分解为2分子丙酮酸，产生了2分子NADHH，净生成2分子ATP。总反应为：葡萄糖2ADP2Pi2NAD2丙酮酸2ATP2NADH2H2H2O补充：糖酵解与发酵的区别酵解酶系统将葡萄糖降解成丙酮酸，并生成ATP的过程。它是动物、植物、微生物细胞中葡萄糖分解产生能量的共同代谢途径。在好氧有机体中，丙酮酸进入线粒体，经三羧酸循环被彻底氧化成CO2和H2O，产生的NADH经呼吸链氧化而产生ATP和水，所以酵解是三羧酸循环和氧化磷酸化的前奏。若供氧不足，NADH把丙酮酸还原成乳酸（乳酸发酵）或酒精（酒精发酵）。葡萄糖经过糖酵解过程只放出了不足1/4的化学能，大部分能量还保存在2个丙酮酸分子和2个NADH中。糖酵解发生在细胞质中，而丙酮酸的继续氧化包括三羧酸循环和电子传递两个过程，则是在线粒体中进行的。（二）丙酮酸脱羧生成乙酰CoA丙酮酸在进入三羧酸循环之前，先要经过线粒体外膜的孔蛋白进入线粒体膜间隙，然后在运输蛋白的作用下穿过内膜进入线粒体基质。在线粒体基质中氧化脱羧（脱氢、脱羧），释放出1分子CO2（这是细胞呼吸最早释放出来的CO2），同时还发生1分子NAD的还原，并与辅酶A结合成乙酰辅酶A（简写为乙酰CoA）。此反应在真核细胞的线粒体基质中进行，是连接糖酵解与TCA的中心环节。（三）三羧酸循环柠檬酸循环的得名是由于在这个循环中有一个关键的中间代谢物柠檬酸。柠檬酸是一种三羧酸，所以这一循环又称为三羧酸循环（简称为TCA循环）。TCA循环的起始底物乙酰CoA不仅是糖代谢的中间产物，也是脂肪酸和某些氨基酸的代谢产物。因此，TCA循环是糖、脂肪、蛋白质三大类物质的共同氧化途径。柠檬酸循环共有八步反应（如果连上丙酮酸与CoA结合生成乙酰CoA的过程，也可认为是九步），主要顺序为：1乙酰CoA与草酰乙酸结合，生成六碳的柠檬酸，释放CoA。2柠檬酸分子不能进行脱氢反应，它先失去1分子H2O成为顺乌头酸，再结合1分子H2O转变为异柠檬酸。3异柠檬酸同时进行脱氢和脱羧反应，生成五碳的酮戊二酸，放出1分子CO2，同时1分子NAD被还原为NADHH。4a酮戊二酸进行脱氢和脱羧，并和CoA结合，生成含有1分子高能硫键的四碳化合物，即琥珀酸CoA，同时释放出一个CO2，并且将NAD还原为NADHH。5琥珀酰CoA脱去CoA和高能硫键而成为琥珀酸，放出的能量则进入高能磷酸键中，即生成三磷酸鸟苷（GTP），GTP再将高能磷酸转入ADP产生ATP。这也是底物水平磷酸化的过程。6琥珀酸脱氢生成延胡索酸。催化这一反应的琥珀酸脱氢酶的辅酶是FAD，而不是NAD，所以在这里是FAD接受氢而生成FADH2。7延胡索酸和水生成苹果酸。8苹果酸氧化脱氢，生成草酰乙酸，亦即草酰乙酸再生，可重新与新的乙酰CoA分子结合，开始新一轮循环。在这一反应过程中，1分子NAD还原为NADHH。9三羧酸循环中物质、能量的变化柠檬酸循环的原料是二碳的乙酰CoA，释放2分子CO2，8个氢（8个质子和8个电子），其中4个来自乙酰CoA，另4个来自水分子。这些氢被传递到电子受体上，生成3分子NADHH和1分子FADH2。此外，柠檬酸循环还底物水平的磷酸化生成了1分子ATP。由于1分子葡萄糖分子产生2分子乙酰CoA，所以1分子葡萄糖分子在柠檬酸循环中共产生4分子CO2，6分子NADHH，2分子FADH2和2分子ATP。总共：一次底物水平的磷酸化、二次脱羧反应，三个调节位点，四次脱氢反应。补充：生物体内二氧化碳的生成并不是物质中的碳与氧气结合而来，而是来源于有机物的脱羧。其中有些脱羧反应不伴有氧化，而有些则伴有氧化，称为氧化脱羧。（四）电子传递系统和氧化磷酸化葡萄糖经过糖酵解和柠檬酸循环，氧化所产生的能量一部分储存在ATP中，一部分还保留在NADH和FADH2中。NADHH和FADH2中H通过呼吸链（电子传递链）的传递，最终传递给氧分子形成水，并同时产生大量的能量以促使ATP的生成。1呼吸链（电子传递链）呼吸链位于线粒体内膜，由一组排列有序的H+和电子递体（酶与辅酶）构成的功能单位。呼吸链由多种氧化还原酶组成，如烟酰胺脱氢酶、黄素脱氢酶、铁硫蛋白、辅酶Q和细胞色素等。（1）烟酰胺脱氢酶以NAD+和NADP+为辅酶，催化底物脱氢，从而形成NADH或NADPH。NAD+ + 2H+ + 2e NADH + H+多数脱氢酶以NAD+为辅酶，少数以NADP+为辅酶（如光合作用）。（2）黄素脱氢酶以FMN（黄素单核苷酸）或FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）为辅基。例如，催化琥珀酸为延胡索酸时，形成FADH2，夺取NADH中的H+、2e，形成FMNH2。（3）铁硫蛋白铁硫蛋白含非卟啉铁和硫，借铁的变价进行电子的传递。Fe3+ + e Fe2+常与黄素酶和细胞色素结构成复合物发挥任用。（4）辅酶Q（泛醌）电子传递链上唯一的非蛋白质成分。辅酶Q不仅可以接受FMNH2上的氢（NADH脱氢酶），还可以接受线粒体FADH2上的氢（如琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶以及其它黄素酶类）。（5）细胞色素类细胞色素类是呼吸链中将电子从辅酶Q传递到O2的专一酶类。细胞色素类是含铁的电子传递体，铁原子处于卟啉的结构中心，借铁的变价进行电子的传递。至少含有5种不同的细胞色素：b、c、c1、.a、a3.。细胞色素a、a3是以复合物的形式存在，又称细胞色素氧化酶，将电子从细胞色素c传到分子O2 。在呼吸链中酶或传递体作用时，实际上是以辅基或辅酶的变化（氧化还原变化）来表达反应机制的。2呼吸链（电子传递链）的种类重要的呼吸链有两种，一是尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸呼吸链，另一个是黄素腺嘌呤二核苷酸呼吸链。7NADH呼吸链最广，FAD呼吸链只能催化某些代谢物脱氢，不能催化NADH或NADPH脱氢。3氧化磷酸化在电子的传递过程中，各个电子传递体的能量水平也在逐步下降，它们所释放的能量的一部分就被保留下来而形成ATP，它是需氧生物合成ATP的主要途径。所发生的磷酸化作用是和氧化过程的电子传递紧密相关的，所以称为氧化磷酸化。补充：区分氧化磷酸化、底物磷酸化和光合磷酸化。ATP的形成是发生在线粒体内膜上。关于氧化磷酸化的机制，目前公认的是化学渗透学说。其主要论点是认为呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧（膜间隙），造成了膜内外两侧间跨膜的电化学势差，后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP与Pi合成ATP。每2个质子顺着电化学梯度，从膜间隙进入线粒体基质中所放出的能量可合成一个ATP分子。一个NADHH分子经过电子传递链后，可积累6个质子，因而共可生成3个ATP分子；而一个FADH2分子经过电子传递链后，只积累4个质子，因而只可以生成2个ATP分子。补充：P/O比值P/O比例是指在氧化磷酸化过程中，每消耗1摩尔氧所消耗无机磷的摩尔数，即合成ATP的摩尔数。氢原子通过NADH呼吸链传递，P/O比值为3；若通过FADH2呼吸链传递，P/O比值为2。4有氧呼吸中ATP数的计算反应酶ATP消耗产生ATP方式ATP数量合计糖 酵 解已糖激酶1-18磷酸果糖激酶1-1磷酸甘油醛脱氢酶NADH呼吸链氧化磷酸化23磷酸甘油酸激酶底物水平磷酸化21丙酮酸激酶底物水平磷酸化21TCA循环丙酮酸脱氢酶复合物NADH2330异柠檬酸脱氢酶NADH23-酮戊二酸脱氢酶复合物NADH23琥珀酸脱氢酶FADH222苹果酸脱氢酶NADH23琥珀酰CoA合成酶底物水平磷酸化21在肝脏等组织细胞中，1分子葡萄糖有氧呼吸时净产生38分子ATP。而在骨骼肌、脑细胞中，净产生36分子ATP。5胞浆中NADH的转移NADH不能自由通过线粒体内膜，因此，在细胞质基质中产生的NADH必须借助某些能自由通过线粒体内膜的物质才能被转入线粒体，这就是所谓穿梭机制，体内主要有两种穿梭机制。（1）磷酸甘油穿梭该穿梭机制主要在脑及骨骼肌中。它是借助于磷酸甘油与磷酸二羟丙酮之间的氧化还原。最终1个NADH生成2个ATP。所以葡萄糖在这些组织中彻底氧化所产生的ATP