普通生物學/細胞/呼吸作用

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葡萄糖 + O₂ → CO₂ + H₂O + ATP

能量

• 能量主要存在於 C-H 鍵中（C-O 鍵也有）
• 化學能驅動新陳代謝
  • 自養生物：透過光合作用或相關過程收集能量（植物、藻類、一些細菌）
  • 異養生物：以自養生物產生的能量為生（大多數細菌和原生生物、真菌、動物）
• 消化：將聚合物酶促分解成單體
• 分解代謝：酶促收集能量
• 呼吸作用：從葡萄糖中收集高能電子

呼吸作用

• 將能量從葡萄糖的高能電子轉移到 ATP
• 能量耗盡的電子（以及相關的 H⁺）被捐贈給受體分子
  • 有氧呼吸：氧氣接受電子，形成水
  • 厭氧呼吸：無機分子接受氫/電子
  • 發酵：有機分子接受氫/電子

葡萄糖的呼吸作用

• C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + 能量
• ΔG = -720 kcal/mole 在細胞條件下
• 主要來自 6 個 C-H 鍵
• 無論是燃燒還是分解代謝，能量都相同
• 在細胞中，一些能量產生熱量，大多數能量被轉移到 ATP

替代厭氧呼吸

• 產甲烷菌（古細菌）。
  • CO₂ 是電子受體，形成 CH₄
• 硫細菌
  • SO₄ 還原成 H₂S
  • H₂S 的形成為光合作用的演化奠定了基礎（H₂S 作為電子給體，先於 H₂O）
  • 大約 27 億年前，基於 32S/34S 的比率，只有生物過程產生 32S 富集

糖酵解概述

糖酵解核算

• 氧化
  • 從每個 G3P 轉移兩個電子（一個質子）到 NAD⁺，形成 NADH

2NADH

• 底物水平磷酸化
  • G3P 到丙酮酸形成 2 個 ATP 分子

4 ATP (from 2 G3P) 

–2 ATP（啟動）

 2 ATP (net gain)

總結：糖酵解的淨輸入是 2 個 ATP 分子，用於分裂一個葡萄糖分子。此步驟的淨產出是 2 個 ATP 和 2 個丙酮酸。

NAD⁺ 的再生

• NAD⁺ 還原成 NADH 會耗盡 NAD⁺ 的供應；它必須再生
• 兩種途徑，與丙酮酸的命運相關
  • 有氧氣：進入電子傳遞鏈，形成水（和 ATP）
  • 無氧氣：發酵
• 乳酸
• 乙醇

乳酸形成

細胞厭氧呼吸的結果可能是形成乳酸或酒精。

三羧酸迴圈：概述

• 線粒體的基質
• 啟動步驟
  • 乙醯輔酶 A 與草醯乙酸的結合
  • 異構化反應
• 三羧酸迴圈中的能量提取步驟
  • 每葡萄糖
• 6 NADH
• 2 FADH₂
• 2 ATP（來自 GTP）
• 4 CO₂

ATP 的產生

• 化學滲透（米切爾）
• H⁺（來自 NADH 和 FADH₂）被逆著濃度梯度泵入線粒體膜間隙（產生電勢）
• 透過 ATP 合酶通道擴散回基質驅動 ATP 的合成（ADP + Pi → ATP）
• ATP 透過協助擴散離開線粒體

有氧呼吸的演化

• 先於光合作用的演化（需要 O2；此外，電子傳遞和化學滲透的先前演化）
• 與糖酵解相比，ATP 產生的效率很高
  • 促進了異養生物的演化
  • 促進了真核生物中線粒體透過內共生作用的演化