生物體內的有機物在細胞內經過一系列的氧化分解，最終生成二氧化碳、尿酸或其他產物，並且釋放出能量的總過程，叫做呼吸作用。呼吸作用，是生物體在細胞內將有機物氧化分解並產生能量的化學過程，是所有的動物和植物都具有的一項生命活動。生物的生命活動都需要消耗能量，這些能量來自生物體內糖類、脂類和蛋白質等的能量，具有十分重要的意義。
基本介紹
- 中文名：呼吸作用
- 外文名：Respiration
- 作用部位：細胞質基質>線粒體基質>線粒體膜
- 分類：有氧呼吸、無氧呼吸
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基本資料
總述
生物的生命活動都需要消耗能量，這些能量來自生物體內糖類、脂類和蛋白質等有機物的氧化分解。生物體內有機物在細胞內經過一系列的氧化分解，最終生成二氧化碳、水或其他產物，並且釋放出能量的總過程，叫做呼吸作用（又叫生物氧化）。
呼吸作用示意圖
呼吸作用示意圖呼吸作用，是生物體細胞把有機物氧化分解並產生能量的化學過程，又稱為細胞呼吸（Cellular respiration）。無論是否自養，細胞內完成生命活動所需的能量，都是來自呼吸作用。真核細胞中，線粒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，不論有無氧氣參與，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，皆可稱為氧化還原反應）。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。
有氧呼吸同樣多的有機化合物，進行無氧呼吸時，其產生的能量，比進行有氧呼吸時要少。有氧呼吸與無氧呼吸是細胞內不同的反應，與生物體沒直接關係。即使是呼吸氧氣的生物，其細胞內，也可以進行無氧呼吸。
呼吸作用的目的，是通過釋放食物里的能量，以製造三磷酸腺苷（ATP），即細胞最主要的直接能量供應者。呼吸作用的過程，可以比擬為氫與氧的燃燒，但兩者間最大分別是：呼吸作用透過一連串的反應步驟，一步步使食物中的能量放出，而非像燃燒般的一次性釋放。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（[H])（化合價為-1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。
過程
植物的呼吸作用主要在細胞的線粒體中進行。有氧呼吸的全過程，可以分為三個階段：第一個階段（稱為糖酵解），一個分子的葡萄糖分解成兩個分子的丙酮酸，在分解的過程中產生少量的氫（用[H]表示），同時釋放出少量的能量。這個階段是在細胞質基質中進行的；第二個階段（稱為三羧酸循環或檸檬酸循環），丙酮酸經過一系列的反應，分解成二氧化碳和氫，同時釋放出少量的能量。這個階段是在線粒體基質中進行的；第三個階段（呼吸電子傳遞鏈），前兩個階段產生的氫，經過一系列的反應，與氧結合而形成水，同時釋放出大量的能量。這個階段是在線粒體內膜中進行的。以上三個階段中的各個化學反應是由不同的酶來催化的。在生物體內，1mol的葡萄糖在徹底氧化分解以後，共釋放出大約2694.7kJ的能量，其中有916.2kJ左右的能量儲存在ATP中（30個ATP，1mol ATP儲存30.54kJ能量），其餘的能量都以熱能的形式散失了(呼吸作用產生的能量僅有34%轉化為ATP）。
植物的呼吸作用
植物的呼吸作用生物進行呼吸作用的主要形式是有氧呼吸。那么，生物在無氧條件下能不能進行呼吸作用呢？科學家通過研究發現，生物體內的細胞在無氧條件下能夠進行另一類型的呼吸作用——無氧呼吸。
蘋果儲藏久了，為什麼會有酒味？高等植物在水淹的情況下，可以進行短時間的無氧呼吸，將葡萄糖分解為酒精和二氧化碳，並且釋放出少量的能量，以適應缺氧的環境條件。高等動物和人體在劇烈運動時，儘管呼吸運動和血液循環都大大加強了，但是仍然不能滿足骨骼肌對氧的需要，這時骨骼肌內就會出現無氧呼吸。高等動物和人體的無氧呼吸產生乳酸。此外，還有一些高等植物的某些器官在進行無氧呼吸時也可以產生乳酸，如馬鈴薯塊莖、甜菜塊根等。
植物有氧呼吸過程中，中間產物丙酮酸必須進入線粒體才能被分解成CO2
無氧呼吸與有氧呼吸：
在遠古時期，地球的大氣中沒有氧氣，那時的微生物適應在無氧的條件下生活，所以這些微生物(專性厭氧微生物）體內缺乏氧化酶類，至今仍只能在無氧的條件下生活。隨著地球上綠色植物的出現，大氣中出現了氧氣，於是也出現了體內具有有氧呼吸酶系統的好氧微生物。可見，有氧呼吸是在無氧呼吸的基礎上發展而成的。儘管現今生物體的呼吸形式主要是有氧呼吸，但仍保留有無氧呼吸的能力。由上述分析可以看出，無氧呼吸和有氧呼吸有明顯的不同。
呼吸作用
呼吸作用意義
對生物體來說，呼吸作用具有非常重要的生理意義。
植物呼吸作用過程：有機物+氧→二氧化碳+水+能量
無氧呼吸反應式：
酶
能量（少量）
呼吸類型
有氧呼吸
呼吸作用圖解
生物進行呼吸作用的主要形式是有氧呼吸。有氧呼吸是指細胞在氧的參與下，通過酶的催化作用，把糖類等有機物徹底氧化分解，產生出二氧化碳和水，同時釋放出大量能量的過程。有氧呼吸是高等動物和植物進行呼吸作用的主要形式，因此，通常所說的呼吸作用就是指有氧呼吸。細胞進行有氧呼吸的主要場所是線粒體。一般說來，葡萄糖是細胞進行有氧呼吸時最常利用的物質。
有氧呼吸的全過程，可以分為三個階段：第一個階段，一個分子的葡萄糖分解成兩個分子的丙酮酸，在分解的過程中產生少量的還原氫（用[H]表示），同時釋放出少量的能量，這個階段是在細胞質基質中進行的；第二個階段，第一階段產生的丙酮酸在酶的催化作用下與水結合，產生二氧化碳和大量還原氫，這個階段是線上粒體基質中進行的；第三個階段，前兩個階段產生的氫，經過一系列的反應，在酶的催化下與氧結合而形成水，同時釋放出大量的能量，這個階段是線上粒體內膜上進行的。以上三個階段中的各個化學反應是由不同的酶來催化的。在mol的葡萄糖在徹底氧化分解以後，共釋放出約2870kJ的能量，其中有1161kJ左右的能量儲存在ATP中，其餘的能量都以熱能的形式散失了。
有氧呼吸過程中能量變化
在有氧呼吸過程中，葡萄糖徹底氧化分解，1mol的葡萄糖在徹底氧化分解以後，共釋放出約2870kJ的能量，其中有1161kJ的能量儲存在ATP中，其餘的能量都以熱能的形式散失了。
有氧呼吸公式
第一階段 C6H12O6酶→細胞質基質=2丙酮酸+4[H]+能量（2ATP）【大學裡4[H]是2個NADH和2個H+】
第二階段 2丙酮酸+6H2O酶→線粒體基質=6CO2+20[H]+能量（2ATP）
第三階段 24[H]+6O2酶→線粒體內膜=12H2O+能量（34ATP）
總反應式 C6H12O6+6H2O+6O2酶→6CO2+12H2O+大量能量（38ATP）
有氧呼吸詳細內容
有氧呼吸
指物質在細胞內的氧化分解，具體表現為氧的消耗和二氧化碳、水及三磷酸腺苷（ATP）的生成，又稱細胞呼吸。其根本意義在於給機體提供可利用的能量。細胞呼吸可分為3個階段，在第1階段中，各種能源物質循不同的分解代謝途徑轉變成乙醯輔酶A。在第2階段中，乙醯輔酶A（乙醯CoA）的二碳乙醯基，通過三羧酸循環轉變為CO2和氫原子。在第3階段中，氫原子進入電子傳遞鏈（呼吸鏈），最後傳遞給氧，與之生成水；同時通過電子傳遞過程伴隨發生的氧化磷酸化作用產生ATP分子。生物體主要通過脫羧反應產生CO2，即代謝物先轉變成含有羧基（-COOH）的羧酸，然後在專一的脫羧酶催化下，從羧基中脫去CO2。細胞中的氧化反應可以“脫氫”、“加氧”或“失電子”等多種方式進行，而以脫氫方式最為普遍，也最重要。在細胞呼吸的第1階段中包括一些脫羧和氧化反應，但在三羧酸循環中更為集中。三羧酸循環是在需氧生物中普遍存在的環狀反應序列。循環由連續的酶促反應組成，反應中間物質都是含有3個羧基的三羧酸或含有2個羧基的二羧酸，故稱三羧酸循環。因檸檬酸是環上物質，又稱檸檬酸循環。也可用發現者的名字命名為克雷布斯循環。在循環開始時，一個乙醯基以乙醯-CoA的形式，與一分子四碳化合物草醯乙酸縮合成六碳三羧基化合物檸檬酸。檸檬酸然後轉變成另一個六碳三羧酸異檸檬酸。異檸檬酸脫氫並失去CO2，生成五碳二羧酸α-酮戊二酸。後者再脫去1個CO2，產生四碳二羧酸琥珀酸。最後琥珀酸經過三步反應，脫去2對氫又轉變成草醯乙酸。再生的草醯乙酸可與另一分子的乙醯CoA反應，開始另一次循環。循環每運行一周，消耗一分子乙醯基（二碳），產生2分子CO2和4對氫。草醯乙酸參加了循環反應，但沒有淨消耗。如果沒有其他反應消除草醯乙酸，理論上一分子草醯乙酸可以引起無限的乙醯基進行氧化。環上的羧酸化合物都有催化作用，只要小量即可推動循環。凡能轉變成乙醯CoA或三羧酸循環上任何一種催化劑的物質，都能參加這循環而被氧化。所以此循環是各種物質氧化的共同機制，也是各種物質代謝相互聯繫的機制。三羧酸循環必須在有氧的情況下進行。環上脫下的氫進入呼吸鏈，最後與氧結合成水並產生ATP，這個過程是生物體內能量的主要來源。呼吸鏈由一系列按特定順序排列的結合蛋白質組成。鏈中每個成員，從前面的成員接受氫或電子，又傳遞給下一個成員，最後傳遞給氧。在電子傳遞的過程中，逐步釋放自由能，同時將其中大部分能量，通過氧化磷酸化作用貯存在ATP分子中。不同生物，甚至同一生物的不同組織的呼吸鏈都可能不同。有的呼吸鏈只含有一種酶，也有的呼吸鏈含有多種酶。但大多數呼吸鏈由下列成分組成，即：煙醯胺脫氫酶類、黃素蛋白類、鐵硫蛋白類、輔酶Q和細胞色素類。這些結合蛋白質的輔基（或輔酶）部分，在呼吸鏈上不斷地被氧化和還原，起著傳遞氫（遞氫體）或電子（遞電子體）的作用。其蛋白質部分，則決定酶的專一性。為簡化起見，書寫呼吸鏈時常略去其蛋白質部分。上圖即是存在最廣泛的NADH呼吸鏈和另一種FADH2呼吸鏈。圖中用MH2代表任一還原型代謝物，如蘋果酸。可在專一的煙醯胺脫氫酶（蘋果酸脫氫酶）的催化下，脫去一對氫成為氧化產物M（草醯乙酸）。這類脫氫酶，以NAD+（煙醯胺腺嘌呤二核苷酸）或NADP+（煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）為輔酶。這兩種輔酶都含有煙醯胺（維生素PP）。在脫氫反應中，輔酶可接受1個氫和1個電子成為還原型輔酶，剩餘的1個H+留在液體介質中。
NAD++2H(2H++2e)NADH+H+
NADP++2H(2H++2e)NADPH+H+
黃素蛋白類是以黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）或黃素單核苷酸（FMN）為輔基的脫氫酶，其輔基中含核黃素（維生素B2）。NADH脫氫酶就是一種黃素蛋白，可以將NADH的氫原子加到輔基FMN上，在NADH呼吸鏈中起遞氫體作用。琥珀酸脫氫酶也是一種黃素蛋白，可以將底物琥珀酸的1對氫原子直接加到輔基FAD上，使其氧化生成延胡索酸。FADH2繼續將H傳遞給FADH2呼吸鏈中的下一個成員，所以FADH2呼吸鏈比NADH呼吸鏈短，伴隨著呼吸鏈產生的ATP也略少。鐵硫蛋白類的活性部位含硫及非卟啉鐵，故稱鐵硫中心。其作用是通過鐵的變價傳遞電子：Fe³+=e++Fe²+。這類蛋白質在線粒體內膜上，常和黃素脫氫酶或細胞色素結合成複合物。在從NADH到氧的呼吸鏈中，有多個不同的鐵硫中心，有的在NADH脫氫酶中，有的和細胞色素b及c1有關。輔酶Q是一種脂溶性醌類化合物，因廣泛存在於生物界故又名泛醌。其分子中的苯醌結構能可逆地加氫還原成對苯二酚衍生物，在呼吸鏈中起中間傳遞體的作用。細胞色素是一類以鐵卟啉（與血紅素的結構類似）為輔基的紅色或棕色蛋白質，在呼吸鏈中依靠鐵的化合價變化而傳遞電子：Fe³+=e+Fe²+。發現的細胞色素有 b、c、c1、aa3等多種。這些細胞色素的蛋白質結構、輔基結構及輔基與蛋白質部分的連線方式均有差異。在典型的呼吸鏈中，其順序是b→c1→c→aa3→O2。還不能把a和a3分開，而且只有aa3能直接被分子氧氧化，故將a和a3寫在一起並稱之為細胞色素氧化酶。生物界各種呼吸鏈的差異主要在於組分不同，或缺少某些中間傳遞體，或中間傳遞體的成分不同。如在分枝桿菌中用維生素K代替輔酶Q；又如許多細菌沒有完整的細胞色素系統。呼吸鏈的組成雖然有許多差異，但其傳遞電子的順序卻基本一致。生物進化越高級，呼吸鏈就越完善。與呼吸鏈偶聯的ATP生成作用叫做氧化磷酸化。NADH呼吸鏈每傳遞1對氫原子到氧，產生3個ATP分子。FADH2呼吸鏈則只生成2個ATP分子。
無氧呼吸
無氧呼吸一般是指細胞在無氧條件下，通過酶的催化作用，把葡萄糖等有機物質分解成為不徹底的氧化產物，同時釋放出少量能量的過程。這個過程對於高等植物、高等動物和人來說，稱為無氧呼吸。如果用於微生物（如乳酸菌、酵母菌），則習慣上稱為發酵。細胞進行無氧呼吸的場所是細胞質基質。
蘋果儲藏久了會有酒味；高等植物在水淹的情況下，可以進行短時間的無氧呼吸，將葡萄糖分解為酒精和二氧化碳，並且釋放出少量的能量，以適應缺氧的環境條件；高等動物和人體在劇烈運動時，儘管呼吸運動和血液循環都大大加強了，但是仍然不能滿足骨骼肌對氧的需要，這時骨骼肌內就會出現無氧呼吸。高等動物和人體的無氧呼吸產生乳酸。此外，還有一些高等植物的某些器官在進行無氧呼吸時也可以產生乳酸，如馬鈴薯塊莖、甜菜塊根等。
植物的呼吸作用
無氧呼吸的全過程，可以分為兩個階段：第一個階段與有氧呼吸的第一個階段完全相同；第二個階段是丙酮酸在不同酶的催化下，分解成酒精和二氧化碳，或者轉化成乳酸。以上兩個階段中的各個化學反應是由不同的酶來催化的。在無氧呼吸中，葡萄糖氧化分解時所釋放出的能量，比有氧呼吸釋放出的要少得多。例如，1mol的葡萄糖在分解成乳酸以後，共放出196.65kJ的能量，其中有61.08kJ的能量儲存在ATP中，其餘的能量都以熱能的形式散失了。
區別
有氧呼吸：
有氧呼吸是指細胞在氧氣的參與下，通過酶的催化作用，把糖類等有機物徹底氧化分解，產生出二氧化碳和水，同時釋放出大量的能量的過程。有氧呼吸是高等動植物進行呼吸作用的主要形式。
無氧呼吸：
指生活細胞對有機物進行的不完全的氧化。這個過程沒有分子氧參與，其氧化後的不完全氧化產物主要是酒精。總反應式：C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+226千焦耳（54千卡）在高等植物中常將無氧呼吸稱為發酵。其不完全氧化產物為酒精時，稱為酒精發酵；為乳酸則稱為乳酸發酵。在缺氧條件下，只能進行無氧呼吸，暫時維持其生命活動。無氧呼吸最終會使植物受到危害，其原因，一方面可能是由於有機物進行不完全氧化、產生的能量較少。於是，由於巴斯德效應，加速糖酵解速率，以補償低的ATP產額。隨之又會造成不完全氧化產物的積累，對細胞產生毒性；此外，也加速了對糖的消耗，有耗盡呼吸底物的危險。
無氧呼吸公式：
酒精發酵：→酶→能量（少量）
乳酸發酵：→酶→能量（少量)
（箭頭上標：酶）
有氧呼吸公式：C6H12O6+6H2O+6O2酶→6CO2+12H2O+38ATP
有氧呼吸主要在線粒體內，而無氧呼吸主要在細胞基質內.
有氧呼吸需要分子氧參加，而無氧呼吸不需要分子氧參加
有氧呼吸分解產物是二氧化碳和水，無氧呼吸分解產物是：酒精和CO2或者乳酸
有氧呼吸釋放能量較多，無氧呼吸釋放能量較少.
無氧呼吸和有氧呼吸的過程雖然有明顯的不同，但是並不是完全不同。從葡萄糖到丙酮酸，這個階段完全相同，只是從丙酮酸開始，它們才分別沿著不同的途徑形成不同的產物：在有氧條件下，丙酮酸徹底氧化分解成二氧化碳和水，全過程釋放較多的能量；在無氧條件下，丙酮酸則分解成為酒精和二氧化碳，或者轉化成乳酸，全過程釋放較少的能量。
意義
呼吸作用
對生物體來說，呼吸作用具有非常重要的生理意義
呼吸作用第一
呼吸作用能為生物體的生命活動提供能量。呼吸作用釋放出來的能量，一部分轉變為熱能而散失，另一部分儲存在ATP中。當ATP在酶的作用下分解時，就把儲存的能量釋放出來，用於生物體的各項生命活動，如細胞的分裂，植株的生長，礦質元素的吸收，肌肉收縮，神經衝動的傳導等。
第二
呼吸過程能為體內其他化合物的合成提供原料。在呼吸過程中所產生的一些中間產物，可以成為合成體內一些重要化合物的原料。例如，葡萄糖分解時的中間產物丙酮酸是合成胺基酸的原料。同時，保持大氣中二氧化碳和氧氣的含量保持平衡。
套用
發酵工程：發酵工程是指採用工程技術手段，利用生物，主要是微生物的某些功能，為人類生產有用的生物產品，或者直接用微生物參與控制某些工業生產過程的一種技術。人們熟知的利用酵母菌發酵製造啤酒、果酒、工業酒精，利用乳酸菌發酵製造乳酪和酸牛奶，利用真菌大規模生產青黴素等都是這方面的例子。隨著科學技術的進步，發酵技術也有了很大的發展，並且已經進入能夠人為控制和改造微生物，使這些微生物為人類生產產品的現代發酵工程階段。現代發酵工程作為現代生物技術的一個重要組成部分，具有廣闊的套用前景。例如，利用DNA重組技術有目的地改造原有的菌種並且提高其產量；利用微生物發酵生產藥品，如人的胰島素、干擾素和生長素等。
一種工業發酵罐
一種工業發酵罐