能量和功

每個生物都需要能量和有機分子，它們以兩種方式使用；

構成生物體所需的其它有機分子的基本組成部分。

化學勢能，可以透過呼吸作用分解這些分子釋放出來。

這種化學勢能以以下方式使用；

肌肉收縮和其他細胞運動

物質的主動運輸

合成簡單的物質（合成代謝反應）形成複雜物質。

所有生物體中產生能量的反應通常會產生一箇中間能量分子ATP。

ATP（腺苷三磷酸）

ATP 由腺嘌呤（有機鹼基）和核糖（戊糖）組成，形成腺苷（核苷），然後與三個磷酸基團結合形成 ATP，一個核苷。它是一個小的水溶性分子，易於運輸。當一個磷酸基團被移除時，[稱為水解] 形成 ADP，並釋放 30.6kJ 的能量，這是一個可逆反應，允許 ATP 和 ADP 之間的相互轉換 - 公式如下：稱為磷酸化。

ATP + H₂O ↔ ADP +H₃PO₄ ΔG = ± 30.6kJ

能量貨幣

細胞的能量產生反應合成 ATP，ATP 被細胞用於各種形式的工作。細胞以 ATP 進行交易，而不是使用中間體。能量轉移過程中損失的能量會轉化為熱能，以及任何過量的能量，例如，如果產生過多的能量無法產生 ATP。能量貨幣是細胞的能量需求反應的直接供體，而儲存分子是化學能的短期（葡萄糖）或長期（糖原）儲存。ATP 失去一個磷酸基團並形成 ADP。

合成

大多數 ATP 是使用電勢能合成的，即線粒體和葉綠體中電子載體轉移電子的能量。它被儲存為跨膜的氫離子濃度差（線粒體和葉綠體的膜基本上不透氫離子）。然後允許氫離子透過其濃度梯度流過一個轉運蛋白，該蛋白的一部分是 ATP 合成酶，一種出人意料地合成 ATP 的酶。三個氫離子的轉移會在存在 ADP 和磷酸基團的情況下產生一個 ATP 分子，前提是 ADP 和磷酸基團存在於細胞器內部。

作用

ATP 是動物中各種生物過程所必需的，包括：主動運輸、分泌、內吞作用、DNA 的合成和複製以及運動。

主動運輸

主動運輸是指分子運動，被定義為跨膜消耗能量的分子或離子運輸，這些運輸是逆濃度梯度的，由 ATP 中能量的轉移實現的。大多數細胞都有鈉鉀泵，這些泵由 ATP 維持，以執行許多功能。

肌肉收縮

肌肉收縮過程如下：

肌節透過使細的肌動蛋白絲在粗的肌球蛋白絲上滑動而收縮（肌球蛋白是具有可彎曲頭部的一種分子，ATP 酶分子，水解 ATP 為 ADP 和磷酸鹽）

1. 鈣離子從肌漿網釋放，使肌球蛋白頭部能夠與相鄰的肌動蛋白絲部分結合。

2. 然後，頭部傾斜 45 度，將肌動蛋白絲相對於肌球蛋白向肌節中心移動約 10nm

3. 數百萬個纖維同時進行此動作，使肌肉收縮，釋放 ADP 和磷酸鹽

4. 另一個 ATP 與頭部結合，再次被水解，頭部傾斜回其原始位置

5. 當收縮結束時，ATP 被用來將鈣離子泵回肌漿網。

在收縮過程中，ATP 會不斷地使用磷酸肌酸再生，磷酸肌酸會提供一個磷酸基團給 ADP，使 ADP 變成 ATP 和肌酸。有限的磷酸肌酸供應必須透過呼吸作用中的 ATP 進行補充。肌肉可能無法跟上，因此使用乳酸途徑來允許 ATP 的持續形成，但細胞會產生氧債。

呼吸作用

糖酵解

這是葡萄糖的分解，最終會產生兩個丙酮酸分子。在第一步中使用 ATP，其中葡萄糖被用 ATP 磷酸化，這使反應更容易。葡萄糖分解為己糖磷酸，然後分解為己糖二磷酸，然後分解為 2 個三碳磷酸分子。然後去除氫並轉移到 NAD，每個葡萄糖分子產生兩個還原的 NAD。除了兩個還原的 NAD 之外，該過程總共產生 4 個 ATP 分子，但需要 2 個 ATP 分子。

總之。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 中間化合物 > 2x 丙酮酸。

丙酮酸然後被主動運輸到線粒體基質進行連線反應。因此，最終會產生：

2 個 ATP 分子
2 個丙酮酸分子
2 個還原的 NAD 分子 [NADH]

連線反應

丙酮酸和 NAD 進入發生線上粒體基質中的連線迴圈，在那裡它被脫羧、脫氫並與輔酶 A 結合形成乙醯輔酶 A。產生 CO₂，NAD 被還原。乙醯輔酶 A 充當乙醯基向三羧酸迴圈的載體。從丙酮酸中去除的氫現在被轉移到 NAD。

因此，最終：[作為 2 個丙酮酸分子]

產生 2 個 NADH
產生 2 個 Co₂

三羧酸迴圈

三羧酸迴圈（也稱為檸檬酸迴圈或三羧酸迴圈）是一個封閉的酶控制反應途徑；

1. 乙酸鹽 [來自乙醯輔酶 A] 與一個四碳化合物（草醯乙酸）結合形成一個六碳化合物（檸檬酸）

2. 檸檬酸被脫羧和脫氫（氫還原 NAD 和 FAD），產生 CO₂ 和 NADH 和 FADH。

3. 透過 SLP [底物水平磷酸化] 產生 ATP

4. 草醯乙酸再生以與連線反應中另一個乙醯輔酶 A 結合。

對於每個三羧酸迴圈的迴圈，三個 NAD 分子和一個 FAD 被還原，產生兩個二氧化碳分子，並透過中間化合物產生一個 ATP 分子。釋放的氫用於氧化磷酸化，為 ATP 的合成提供能量。三羧酸迴圈的反應不使用氧氣。但是，在最後階段（即氧化磷酸化）需要氧氣。

氧化磷酸化

電子傳遞鏈為 ADP 磷酸化為 ATP 提供能量，這發生線上粒體膜中。還原的 NAD/FAD 被傳遞到電子傳遞鏈，在那裡從兩個氫載體中去除氫，並被分解為氫離子和電子。電子被傳遞到一系列電子載體，而氫離子保留線上粒體基質中。一旦電子被轉移到氧氣，一個氫離子將從溶液中被吸引以將氧氣還原為水。

電子沿著電子載體系列的轉移，從較高的載體傳遞到較低的載體，釋放能量，使其可用於將 ADP + 磷酸鹽轉化為 ATP。每個還原的 NAD 分子平均產生 2.5 個 ATP 分子，而每個還原的 FAD 分子平均產生 1.5 個 ATP 分子。

化學滲透

來自電子傳遞鏈的能量被用來將氫離子從線粒體基質泵入質膜和嵴之間的區域 - 氫離子的濃度變得高於基質中的濃度，存在濃度梯度。然後允許氫離子透過具有 ATP 合成酶的蛋白質通道，當離子穿過時，它們的電能被用來合成 ATP。三個氫離子的能量被用來將一個 ADP 磷酸化為 ATP。

無氧呼吸

哺乳動物

丙酮酸 > 乳酸

丙酮酸透過乳酸脫氫酶被脫氫，在哺乳動物中產生乳酸。丙酮酸接受 2 個 H，允許 NADH > NAD + 2H。這對哺乳動物在生物學上非常有用，因為在無氧呼吸過程中，連線反應、三羧酸迴圈和氧化磷酸化無法進行；因為它們都依賴於 O₂ 或進行這些過程的產物。生物學上的作用是 NAD 被再氧化，這意味著它現在可以在糖酵解中接受 2 個 H，這使得糖酵解能夠釋放 2 個 ATP，使哺乳動物能夠在沒有氧氣的情況下繼續呼吸和產生 ATP。

酵母

丙酮酸 > 乙醛 > 乙醇

丙酮酸透過丙酮酸脫羧酶被脫羧，產生乙醛 [副產物為 CO2]
乙醛從 NADH 中接受 2 個 H 原子，因此變成乙醇並重新氧化 NAD。

酵母是一種“兼性厭氧菌”，可以在沒有氧氣的環境中生存，但如果乙醇濃度超過 15%，它就會被殺死。

呼吸底物

所有細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。雖然葡萄糖並非所有細胞都必需，但許多細胞可以氧化脂類和氨基酸。

能量值

有氧呼吸中釋放的能量通常來自將還原的 NAD 和還原的 FAD 傳入電子傳遞鏈時，氫被氧化成水的過程。因此，氫鍵斷裂越多，能量就越多 - 脂類由於其長脂肪酸鏈，其能量密度是碳水化合物的兩倍多。

呼吸商

有氧呼吸的總方程式表明，氧氣消耗量 = 二氧化碳產生量，因此它們的比例為 1:1。其他底物並非如此，可以使用呼吸商來確定用於能量的物質，呼吸商為：

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

高呼吸商值通常表明正在發生無氧呼吸。

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