细胞呼吸

**呼吸作用（respiration）** （Cellular respiration），是生物體細胞把有機物氧化分解並轉化能量的化學過程，也稱為**釋放作用**。無論是否自營，細胞內完成生命活動所需要的能量，都是來自呼吸作用。真核細胞中，粒線體是與呼吸作用最有關聯的胞器，呼吸作用的幾個關鍵性步驟都在其中進行。

呼吸作用是一種酶促氧化反應。雖名為氧化反應，不論有否氧氣參與，都可稱作呼吸作用（這是因為在化學上，有電子轉移的反應過程，皆可稱為氧化）。有氧氣參與時的呼吸作用，稱之為**有氧呼吸**；沒氧氣參與的反應，則稱為**無氧呼吸**。

呼吸作用的目的，是透過釋放食物裡之能量，以製造三磷酸腺苷，即細胞最主要的直接能量供應者。呼吸作用與氫氧的燃燒之間最大分別是：呼吸作用透過一連串的反應步驟產生能量（ATP），而燃燒則是將能量一次性的釋放。在呼吸作用中，三大營養物質：碳水化合物、蛋白質和脂質的基本組成單位──葡萄糖、胺基酸和脂肪酸，被分解成更小的分子，透過數個步驟，將能量轉移到還原性氫（化合價為 0 的氫）中。最後經過一連串的電子傳遞鏈，氫被氧化生成水；原本貯存在其中的能量，則轉移到 ATP 分子上，供生命活動使用。

## 應用

包紮傷口時，需要使用透氣的消毒紗布或 OK 繃等敷料。以避免厭氧菌的繁殖，如破傷風芽孢桿菌。

這種病菌只能進行無氧呼吸，皮膚破損較深或被鏽釘扎傷病菌就容易大量繁殖。

利用麥芽，葡萄，糧食和酵母菌以及發酵罐等，在控制通氣的情況下可以生產各種酒；利用澱粉醋酸桿菌或麩胺酸棒狀桿菌以及發酵罐控制通氣的情況下，可以生產食醋或味精。

花盆裡的土壤板結後空氣不足會影響根系生長，需要及時鬆土透氣，有利於植物更好吸收氧氣。

稻田定期排水，避免水稻幼根因缺氧而變黑腐爛。

提倡慢跑等有氧運動的原因之一是不知因劇烈運動而導致氧的不足，二是肌細胞無氧呼吸產生大量乳酸。乳酸的大量積累會使肌肉酸脹乏力。

## 研究歷史

## 有氧呼吸

對於絕大多數生物來說，有氧呼吸是細胞呼吸的主要形式。其主要場所是粒線體。有氧呼吸產生能量（ATP）是需要氧氣的。儘管醣類、脂肪和蛋白質都可以作為反應物而被處理和消耗，然而在糖解作用下降解成的丙酮酸卻是首選；並且丙酮酸為了被三羧酸循環完全氧化，它還需要進入粒線體。這個過程中由受質級磷酸化、還原型菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸（FADH2）所產生的能量是在以 ATP（三磷酸腺苷）的形式儲存起來。

醣類參與的有氧呼吸簡化反應如下（反應條件從略）：

　
: C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) → 6 CO2 (g) + 6 H2O (l) + 能量，ΔG = -2880 千焦耳 (每莫耳葡萄糖)

部分資料會在左邊加上 6 個 H2O（水），右邊生成的 H2O 相應為 12，以表示每消耗 1 個葡萄糖分子就有 6 個水分子參與中間反應，但實際上有氧呼吸的過程複雜得多，中間參與反應的也不只有水，故此處將 6H2O 約去。

自由能變（ΔG）是負值說明此反應可自發進行。

**簡介**

有氧呼吸的全過程十分複雜，可以**概括為三個階段**，每一個階段都化學反應，都有多種相應的酶催化。

**第一階段**

一分子的葡萄糖分解成二分子的丙酮酸，產生少量的 NADH，並釋放出少量能量。這一階段不需要氧的參與是在細胞質基質中進行的。

**第二階段**

丙酮酸可將水徹底分解成二氧化碳和 NADH, 並釋放少量能量。這一階段不需要氧的參與，是在粒線體基質中進行的。

**第三階段**

上述兩階段產生的 NADH 經過一系列化學反應，與氧結合形成水，同時放出大量能量。這一階段需要兩個參與是在粒線體內膜上進行的。

**H+ 濃度梯度，電子傳遞鏈與 ATP 合成**

NADH 與 FADH2 中的還原勢通過電子傳遞鏈將電子送達作為「最終電子受體」的氧氣並被轉換為更多的 ATP。大多數由有氧呼吸產生出來的 ATP 是由氧化磷酸化所製造。

這個工作是由消耗丙酮酸所產生的能量以推動將質子泵入粒線體膜間隙所產的 H+ 濃度梯度所完成的。接下來這個化學滲透勢驅使 ATP 合酶將腺苷二磷酸以及無機磷酸合成三磷酸腺苷。

生物書上常稱在細胞呼吸中每氧化一分子葡萄糖可以生成 38 個 ATP 分子（2 個來自於糖解，2 個來自於三羧酸循環以及大約 34 個來自於電子傳遞系統）。

然而，這個最大產量由於質子損失（內膜滲漏）以及推動丙酮酸進入粒線體基質的因素而永遠無法達到，現在估計每一分子葡萄糖主要只能生成 29～30 個 ATP 分子。不過對人類而言一分子葡萄糖生成 30 或 32 或 36 或 38 個 ATP 都是可能的。

有氧代謝能量轉換效率約為 40%，大約比無氧代謝（每莫耳葡萄糖大約生成 2 莫耳 ATP）的效率要高 19 倍。他們都有糖解這一起始途但有氧代謝繼續進行了三羧酸循環以及氧化磷酸化步驟。糖解後反應發生在真核細胞的粒線體以及原核細胞的胞漿中。

葡萄糖是生物體內基本的能量來源，葡萄糖的有氧分解是呼吸作用的典型，因此下面用葡萄糖作為例子講解。

## 無氧發酵

**請注意：本段文字所描述的是在氧氣不足情況下所進行的發酵作用，無氧呼吸為最終電子接受者不為氧氣的呼吸作用，請小心分別**

 
除酵母菌以外，很多細菌和真菌能進行無氧發酵。此外馬鈴薯塊莖，蘋果果實等植物器官的細胞以及動物骨骼肌的肌細胞等，除了能夠進行有氧呼吸，在缺氧條件下也能進行無氧發酵。一般無氧發酵最常利用的物質也是葡萄糖。

無氧發酵的全過程可以概括的分為兩個階段，這兩個階段需要**不同酶的催化**，但都在**細胞質基質**中進行。

**第一階段**

與_有氧呼吸第一階段_完全相同。

**第二階段**

丙酮酸在不同酶的催化下分解成酒精，二氧化碳或轉化成乳酸。無論是哪種有機產物，無氧發酵都只在第一階段生成少量的能量和少量 ATP。葡萄糖分子中的大部分能量則存留有機產物中。

無氧發酵的化學反應是可以概括為以下兩種。反應物一般是葡萄糖。

C6H12O6-（酶）→2C3H6O3（乳酸）（少量能量）

C6H12O6-（酶）→2EtOH+2CO2 （少量能量）

酵母菌，醋酸菌等微生物的無氧發酵中，產生酒精的叫做酒精發酵，產生乳酸的叫做乳酸發酵。

無氧發酵產生的乳酸或酒精對細胞有毒害作用。因此發酵過程中醋酸和酒精的產量不高。例如，用酵母菌發酵，使葡萄汁變葡萄酒，當酒精含量達到 12%~16%，發酵就停止了。

 

 

### 糖解作用

在糖解作用中，一分子葡萄糖經過一系列反應，最終生成了兩分子的丙酮酸（CH3COCOOH），以及兩分子 ATP。此反應在細胞質中進行，並不需氧氣參與。糖解作用又可粗略分為兩階段，第一階段是葡萄糖轉變成 3 - 磷酸甘油醛，過程中消耗了 2 分子 ATP，此為投資階段。第二階段是甘油醛三磷酸轉變成丙酮酸，過程中產生了 4 分子 ATP 和兩分子 NADH，是為放能階段，最後反應淨得 2 分子 ATP 和 2 分子 NADH。

　
: $\mathrm {Glucose+2\ NAD^{+}+2\ ADP+2\ P_{i}\longrightarrow } $ $\mathrm {2\ Pyruvate+2\ NADH+2\mathbb {H} ^{+}+2\ ATP+2\ H_{2}O} $

### 丙酮酸脫羧過程

在這一過程中，一分子的丙酮酸（CH3COCOOH）脫去一個羧基，生成一分子的二氧化碳和一分子的乙醯輔酶 A。

　
: $\mathrm {2\ Pyruvate+2\ NAD^{+}+2\ CoA\longrightarrow } $ $\mathrm {2\ Acetyl{\text{-}}CoA+2\ CO_{2}+2\ NADH+2\ H^{+}} $

### 三羧酸循環過程

二碳的乙醯輔酶 A 與四碳的草醯乙酸結合，生成了六碳的檸檬酸。檸檬酸經過一系列脫羧和去氫的酶促反應，最終仍變成四碳的草醯乙酸。草醯乙酸不被消耗，僅僅用於生成中間產物而已。

　
: $\mathrm {2\ Acetyl{\text{-}}CoA+6\ NAD^{+}+2\ FAD+2\ GDP+2\ P_{i}+4\ H_{2}O\longrightarrow } $ $\mathrm {4\ CO_{2}+6\ NADH+6\ H^{+}+2\ FADH_{2}+2\ GTP+2\ CoA} $

### 有氧途徑的電子傳遞鏈

經過上述的分解過程，產生的能量只是很少的一部分，還有大量能量隨著分解過程被轉移到幾種輔酶所攜帶的質子也就是還原性氫上。這些攜帶還原性氫的輔酶在細胞粒線體內膜上經過一系列被稱做電子傳遞鏈的酶，將氫經過不同的細胞色素最終傳遞給氧原子生成水分子。

#### 電子傳遞鏈的實質

電子傳遞鏈是細胞粒線體內膜上一系列通道蛋白和酶的總稱，在某些原核細胞中，細胞以細胞質膜內褶完成類似的活動。
電子傳遞鏈的實質是將高能電子經過一系列受體傳遞，電位逐漸降低，最後與質子和氧原子結合生成水。化學滲透假說較好的解釋了 ATP 合成：電子通過粒線體內膜被傳遞的同時，導致了膜內外的電勢差，引起質子的穿膜移動推動 ATP 合成酶合成 ATP，這一過程通過內膜上的通道蛋白和一個 ADP 磷酸化的過程耦聯，當電子被傳遞，可以導致生成 ATP，這一過程被稱為**氧化磷酸化**。

　
: $\mathrm {10\ NADH+10\ H^{+}+2\ FADH_{2}+26\ ADP+26\ P_{i}+6\ O_{2}\longrightarrow } $ $\mathrm {10\ NAD^{+}+2\ FAD+12\ H_{2}O+26\ ATP} $

### 總結算

### 無氧途徑

某些細菌（例如：放線菌）電子傳遞鏈最終的電子接受者並非氧氣，而是硝酸根或硫酸根之類的氧化態物質，以氧化磷酸化合成 ATP。

### 酒精發酵

細胞行無氧呼吸的其中一條路徑，丙酮酸（CH3COCOOH）在脫羧過程後不生成乙醯輔酶 A，而是生成乙醛，乙醛接受還原性氫被還原為酒精。在該過程中，糖解將一分子的葡萄糖分解成兩分子的丙酮酸，丙酮酸在酶的作用下釋放出二氧化碳後轉變成乙醛，乙醛再被 NADH 還原成乙醇（酒精）。

這裡的 NAD+ 之再生可供應糖解作用所需。

過程：

1. C6H12O6（葡萄糖） + 2 NAD+ → 2 CH3COCOOH（丙酮酸） + 2 NADH + 2 ATP + 2 H+
2. 2CH3COCOOH（丙酮酸） → 2 CO2 + 2 CH3CHO（乙醛）
3. 2CH3CHO（乙醛） + 2 NADH + 2 H+ → 2 C2H5OH（乙醇） + 2 NAD+

### 乳酸發酵

一些生物的呼吸過程，典型的是我們熟知的乳酸菌，是細胞行無氧呼吸的另一條路徑。在乳酸發酵中，丙酮酸直接生成乳酸，這是一個被還原的過程，同時間使 NADH 被氧化為 NAD+，這樣糖解作用才有材料進行。人體內也存在這一過程，劇烈運動時肌肉供氧不足，便會通過這一過程還原作用所需材料，再透過糖解得到持續的能量，生成的乳酸可以在人體裡短時間累積，等到又有氧氣了，乳酸會被再次轉化為丙酮酸鹽，然後通過有氧的方式釋放出全部的能量。

過程：

1. C6H12O6（葡萄糖） + 2 NAD+ → 2 CH3COCOOH（丙酮酸） + 2 NADH + 2 ATP + 2 H+
2. 2 CH3COCOOH（丙酮酸） + 2 NADH + 2 H+ → 2 CH3CHOHCOOH（乳酸） + 2 NAD+

過程中，糖解將一分子的葡萄糖分解成兩分子的丙酮酸，丙酮酸直接被 NADH 還原形成乳酸鹽（lactate）暫存，而沒有二氧化碳釋出。

## 其他營養物質的氧化

### 脂類的氧化

脂類物質水解生成脂肪酸和甘油。其中，甘油經磷酸基的活化和酶促反應轉化為磷酸二羥丙酮，後脫水變為丙酮酸，丙酮酸參加上述的呼吸過程。脂肪酸長鏈分子則是反覆被脫去一端的兩個碳原子生成乙醘輔酶 A，參加克氏循環。

### 胺基酸的氧化

各種胺基酸可以分別經過脫胺基或脫羧基作用被氧化，去胺基生成的氨對細胞有毒害作用，必須被排出體外或轉化為其他無害物質。含碳部分的轉化根據胺基酸的不同而各異，但最終都是通過某些途徑成為檸檬酸循環中的物質參與循環。
可見，各種營養物質的氧化路線到最後都是相同的。生物體內的諸多能量代謝具有相當高的一致性。

## 演化變遷過程

**鯽魚**：

約 800 萬年前，鯽魚祖先體內發生了一次全基因組複製事件，所有的基因都多了一個副本。兩個 PDHC 基因中的一個繼續執行原有的功能，另一個則進化出了無氧代謝產生乙醇的功能。變異的 PDHC 基因在環境中缺乏氧氣時啟動，表現出特定的丙酮酸脫羧酶（PDC），乙醇去氫酶 8a3（ADH8a3）也選擇性地僅在大量產生乙醇的組織中表現。

綜上，由於全基因組的複製，鯽魚的祖先獲得了一組額外的 E1α 和 E1β 亞單位，進化成了一種獨立於丙酮酸去氫酶的丙酮酸脫羧酶，促進缺氧時乙醛的形成，然後乙醛可以有效地轉化為乙醇。

## 個別生物的特殊適應機制

**1. 鯽魚，無氧呼吸產生酒精禦寒**

大多數脊椎動物在缺氧狀態下只能存活數分鐘，而鯽魚卻能夠在冰封的水中度過四到五個月的漫長冬季。

鯽屬（_Carassius_）魚類用肌肉產生酒精，這一生物化學反應能幫助它們適應所在的極端環境。

大多數脊椎動物骨骼肌無氧呼吸的產物是乳酸，乳酸堆積會導致肌肉酸痛，甚至血液 pH 過低進而出現嚴重的代謝酸中毒。特別地，鯽魚骨骼肌無氧呼吸的終產物則是乙醇。

缺氧時，金魚的非乙醇代謝組織（如大腦、肝臟和心臟）細胞中進行正常的乳酸發酵，丙酮酸在乳酸去氫酶（LDH）催化下生成乳酸，乳酸能夠通過血液循環被運輸到乙醇代謝組織（如骨骼肌）細胞中，在乳酸去氫酶（LDH）催化下重新氧化成丙酮酸。丙酮酸進入粒線體，在丙酮酸脫羧酶（PDC）催化下形成乙醛，然後乙醛在乙醇去氫酶 8a3（ADH8a3）作用下轉為乙醇。乙醇可通過魚鰓自由擴散到周圍的水體中，避免了乳酸在體內積累導致中毒。

鯽魚骨骼肌具有將乳酸轉化為乙醇的能力，這種不尋常能力背後的分子機理是什麼呢？科學家把金魚分別暴露在氧氣充足的水、缺氧的水和缺氧後再充氧的水中，隨後檢查了金魚的骨骼肌、肝臟、心臟和大腦等部位。

通過在這些部位的隨機取樣來區分蛋白質功能的變化與產生酒精的不同組織之間的相關性發現，金魚骨骼肌粒線體中存在兩組可以引導碳水化合物分解的蛋白質，其中一組織蛋白質與其他物種類似，而另一組織蛋白質在缺氧條件下被活化，催化丙酮酸形成乙醛進而形成乙醇。

進一步的遺傳分析表明，金魚生產乙醇的能力源自一個「釀酒」基因，該基因由丙酮酸去氫酶（PDHC）基因的一個基因副本進化而來。金魚因此獲得了在缺氧環境中將乳酸轉化為乙醇的能力，在避免了乳酸積累的同時又使其成為少數能利用惡劣環境生存的魚類，從而減少了競爭，並可以躲避其他魚類的捕食。

2.**鮭居尾孢蟲，不需要氧氣的動物**

以色列特拉維夫大學動物學家 Dayana Yahalomi 的研究小組首次證實，一種經常出現在鮭魚肌肉組織中的寄生蟲 —— 鮭居尾孢蟲，具有完全不依賴於氧氣、細胞內沒有粒線體甚至完全沒有粒線體 DNA 的奇特性質。該寄生蟲是目前地球上已知的所有厭氧生物中結構最為複雜，最為高等的一種，它是首個被發現的「厭氧動物」。該成果於 2020 年 2 月 24 日在美國國家科學院院刊（PNAS）上發表。

## 參考文獻

## 外部連結

* Respiration and Fermentation (英文)

## 參見

* 呼吸運動
* 新陳代謝
* 光合作用