细胞的呼吸作用

在我们的细胞当中，时时刻刻都在进行着很多生命活动。在这些生命活动当中，他们都需要一个动力来驱动他们完成这一系列的生命活动。而这个动力就是我们所讲的能量。在我们之前的学习中，我们了解到我们细胞当中直接能源物质就是ATP分子。ATP也就是三磷酸腺苷，是一种高能磷酸化合物，它通过和ADP的相互转化，可以使我们对于能量的利用更加高效。我们可以将APP理解成是一种在细胞当中流通的能量“货币”。“货币”通常由“大额支票”兑换而成，这个“大额支票”指的就是我们体内的那些糖类等有机物这些储能物质。而这些储能物质通过呼吸作用，发生一系列的化学反应，导致这些储能物质中的众多化学键断裂释放出能量，而这部分能量就用于合成ATP。

那从“大额支票”那样的储能物质，变到ATP这样可在细胞中流通的能量“货币”是如何实现的呢？也就是说呼吸作用是如何在我们的细胞当中运作的呢？

我们以葡萄糖举例，一个结构复杂的葡萄糖分子，如何才能释放出如此多的能量，同时又生成二氧化碳和水呢？是一点一点按步骤拆分化学键，还是直接让所有的化学键都断裂掉？显然是前者，因为后者这样释放的巨大能量，大部分都会以热能的形式耗散出去，对于能量的耗散浪费非常严重，而利用率则少之又少。那储能分子葡萄糖如何分阶段分步骤的释放自己的能量呢？

从有机大分子变到有机小分子再到无机小分子和能量，这每个步骤都意味着稳固的化学键要断裂，但是如此稳固的化学键如何断裂以此来释放能量呢？在我们之前的学习中，我们了解到，如果想要使一种物质的化学键断裂，其实就是要它发生化学反应，而发生化学反应，就是要使一个分子从常态变成容易发生反应的活跃态，而这样的转变需要消耗一部分能量。

于是我们猜想。储能分子要变成。无机小分子和能量。要先磷酸化，也就是先给这个储能分子赋能，让它变成活跃态，变得不稳定，这样不稳定之后就容易裂解，在裂解后，再进行氧化。

而这样一系列的场所，根据我们之前的学习，我们也猜想是发生在线粒体中的。

那如何证明和探究呢？我们需要证明两点一点，就是要确定反应的场所。而第2点就是要利用同位素标记质谱法来追踪。葡萄糖分子测定其在代谢途径中的流动情况。我们知道在生物体中很多化学反应都需要酶的催化，所以我们可以通过荧光法等对相关酶的活性进行分析，来判断其发生了怎样的化学变化。

通过将酵母菌研磨，差速离心，我们得到了细胞，基质和线粒体，分别把完整的酵母菌，线粒体和上清液放入甲乙丙三组试管中，向三组试管中分别加入等量的葡萄糖通过氧气。检测三组试管的产物，最后结果是甲试管没有葡萄糖产生二氧化碳，乙试管有葡萄糖不产生二氧化碳，丙试管无葡萄糖却不产生二氧化碳。

通过分析，我们发现在真核细胞中，细胞呼吸的全过程并不是只发生在线粒体中的。细胞呼吸首先发生在细胞质基质中。通过检测我们发现，细胞呼吸作用的第一阶段的产物是丙酮酸，而其场所就是细胞质基质。

一摩尔的葡萄糖加两摩尔的ATP，分子在酶的作用下，可以生成两摩尔的丙酮酸和少量能量，这其中的能量包括两摩尔的ATP和热能。在化学反应中反应前后的原子个数，种类都不变，但是在这个反应中却少了4个氢离子，那这4个氢离子去哪了呢？氢离子作为一个带电体，在原体内是非常危险的。而这样一个危险的带电体，就会和氧化性辅酶结合变成还原性辅酶。而在过酸，过碱，高温等环境，会使还原性辅酶将电子释放出来，又变回氧化性辅酶，我们用这个[H]来表示氧化性辅酶和还原型辅酶。所以细胞呼吸第一阶段的场所是细胞的机制，而且化学表达式是C₆H₁₂O₆→2C3H403+[H]+少量能量，这一过程称为糖酵解。

而随后丙酮酸的去路就分为了两个方向，第1个方向是继续在细胞质基质中进行无氧呼吸，而第2个就是进入线粒体进行有氧呼吸，最终产生二氧化碳水和能量。

R细胞无氧呼吸产生的产物有两种，第1种是在乙醇脱氢酶的作用下，两摩尔的丙酮酸会生成两摩尔的酒精C2H5OH和两摩尔二氧化碳，而第2种物则是在乳酸脱氢酶的作用下，两摩尔的丙酮酸会生成两摩尔的乳酸C3H6O3，第1种就是我们常说的酒精发酵，而第2种就是乳酸发酵。在没有氧气参与的情况下，葡萄糖等有机物经过不安全分解释放少量能量的过程就是无氧呼吸。

在我们生物体中更多的还是以有氧呼吸为主，巴斯德效应就是有氧呼吸会抑制无氧呼吸，也就是说丙酮酸在有氧呼吸中会优先进入线粒体，进行有氧呼吸。

那丙酮酸进入线粒体之后是如何在与氧气的反应下，最终生成二氧化碳，水和大量能量的呢？

我们猜想丙酮酸进入线粒体后进一步磷酸化，然后氧化分解。在丙酮酸分解适能的过程中，同时产生大量的[H]和CO2，最终产生了二氧化碳，水和能量。

和我们第一阶段的探究方法一样，我们首先需要确定反应的场所，其次，我们需要通过同位素标记质谱法以及荧光法等等来进行代谢通量的分析，和对相关酶活性的分析，以此来判断从丙酮酸到二氧化碳，水和能量是如何实现的。

我们使用超声波将线粒体破碎，分离出线粒体，膜状结构和线粒体，基质分别加入三支试管中。再向每支试管加入等量的丙酮酸荧光素和荧光素酶，一段时间后检测各试管的变化情况。1号试管中只有线粒体膜状结构，丙酮酸的量不变也没有产生荧光。2号试管中有线粒体基质，丙酮酸的量减少，有二氧化碳生成，微弱的荧光出现。在3号试管中有线粒体膜状结构和线粒体基质，我们发现丙酮酸的量减少，由二氧化碳生成，较强荧光出现。我们发现在线粒体基质中可以产生二氧化碳，那为什么3号试管会有较强荧光出现呢？当我们分析荧光素发光原理时，我们发现荧光素之所以可以发光，是因为其将电能转化为了光能，而电能就是细胞内的电子，也就是[H]。

通过同位素标记质谱法，我们进一步发现了丙酮酸转化为二氧化碳和[H]的原理，也就是三羧酸循环，同时也被称为柠檬酸循环，其中有8个步骤需要8种不同的酶。在这个循环中使用了三份水，并且进入的乙酰辅酶a，在该循环当中都会产生三个氧化性辅酶NADH和一个FADH2加三个二氧化碳。

这就是有氧呼吸的第二阶段，其反应物是丙酮酸和水生成物是二氧化碳，少量ATP和[H]。其场所是线粒体基质。

但是由于在第二阶段在能量方面并没有得到巨大回报，所以三羧酸循环的产物将继续氧化磷酸化，产生有氧呼吸大部分ATP。

在第2阶段产生的大量的[H]，会在线粒体内膜上进行电子的链式传递。而这样的链式传递会使内外膜间质中的质子浓度大于线粒体基质内浓度从而产生跨膜的质子梯度，而这个质子梯度也可以利用其自身的由电位势能，来帮助一些物质进行运输。同时由于内外膜间质中的质子浓度要大于线粒体基质内的浓度，所以质子就会顺质子梯度，重新进入线粒体机制，而其唯一的途径就是通过质子氢泵。质子氢泵不仅仅只能运输氢离子，其同时也是ATP合成酶。而由于氢离子及质子自身所带的电能可以为APP合成酶提供更多的动力，使ADP大量的转化为ATP，促进了两者之间相互转化的速率。氢离子在电子传递链中会与氧气结合生成水，同时产生大量ATP（38个）。细胞有氧呼吸就到此为止了。在这个过程中，细胞在氧的参与下，通过多种酶的催化作用，把葡萄糖等有机物彻底氧化分解，产生二氧化碳和水释放能量，产生了大量的ATP。而这个过程我们就将其命名为有氧呼吸。其总反应的化学表达式可以写为C6H12O6+6H2O+6O2—酶→6CO2+12H2O+能量（38个ATP及热能）

在探究完有氧呼吸后，我产生了一个问题：我们都知道燃烧的本质，就使物质和氧气发生化学反应，同样都是发生氧化还原反应，体外燃烧和有氧呼吸的区别是什么呢？这两者区别是显而易见的，与体外燃烧而言，如果我们去燃烧有机物，它会生成二氧化碳和水，同时也会一次性释放大量的能量，这就是为什么我们可以看见火，可以感受到热。而在我们的体内，同样也是生成二氧化碳和水以及大量能量，但是有氧呼吸相较于体外燃烧而言，就显得过程更加温和，而能量也并非一次大量释放，而是逐步释放，同时还有一部分能量储存在了ATP中。虽然仍然有大部分的能量以热能的形式耗散掉浪费掉，但是有氧呼吸相较于体外燃烧而言，其能量的逐步释放已经阻止了一大部分能量的耗散。有氧呼吸可以使有机物中能量缓慢有序的释放，以此来维持细胞的相对稳定状态，并保证有机物中能量得到充分的利用。

那既然我们身体中的有氧呼吸可以为我们提供如此诸多能量，同时也不会产生酒精乳酸等来破坏我们的身体，那我们为什么还要保持着无氧呼吸的功能呢？这就体现了生命体自身的抗逆性。比如当我们在进行无氧运动时。我们体内的肌肉细胞是无法获得充足的氧气来为他提供能量的，但是我们的肌肉细胞并没有因此就不运作或者直接死亡，这就是无氧呼吸所带给我们的。无氧呼吸使得我们的细胞在氧气不充足的情况下，仍然可以存活一段时间。

以上就是细胞呼吸作用的过程了，我们每天都在吃饭喝水，运动学习等等进行各种各样的活动，而在这些活动背后支持我们的就是细胞的呼吸作用，在细胞的呼吸作用中，尤其是有氧呼吸中，有一系列的相当繁琐复杂的化学反应，而这些化学反应在我们的体内却可以有序高效的进行。这不禁又一次让我们感慨生命体的奇妙与伟大之处。