可视化理解呼吸作用
呼吸作用（cellular respiration），是生物体细胞把有机物氧化分解并转化能量的化学过程，细胞内完成生命活动所需要的能量都是来自呼吸作用。呼吸作用是一种酶促氧化反应。虽名为氧化反应，不论有否氧气参与，都可称作呼吸作用（这是因为在化学上，有电子转移的反应过程，皆可称为氧化反应）。有氧气参与时的呼吸作用，称之为有氧呼吸；没氧气参与的反应，则称为无氧呼吸。简单理解，呼吸作用就是制造ATP。♻️
呼吸作用的原理
制造ATP就像烧木柴。烧木柴时，你点燃富含氢和碳的物质，打断它们的化学键，把剩下的分子碎片和氧气混在一起，生成二氧化碳、水和热。糖在线粒体里燃烧降解的时候，化学键也被打断，也和氧混在一起，形成了二氧化碳和水。但是在线粒体里，糖的一半能量转化为热能，另一半则被储存在ATP的磷酸键中。为了完成这样的任务，酶着实地手刃糖分子，攫取它的氢原子。从这些氢原子脱离出来的电子沿着线粒体的膜流动，最终产出ATP。
呼吸作用文字方程式：有机化合物 + 氧气 ⟶ 二氧化碳 + 水 + 能量
生物的呼吸作用可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种氧化反应。有氧呼吸极简反应如下：
$C_6H_{12}O_6(s) + 6O_2(g) \rightarrow 6CO_2(g) + 6H_2O(l) + 能量$
线粒体
呼吸作用的关键参与者是细胞内部的线粒体。线粒体是真核生物进行氧化代谢的部位，是糖类、脂肪和氨基酸最终氧化释放能量的场所。线粒体负责的最终氧化的共同途径是三羧酸循环与氧化磷酸化，分别对应有氧呼吸的第二、三阶段。细胞质基质中完成的糖酵解和在线粒体基质中完成的三羧酸循环在会产还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced nicotinarnide adenine dinucleotide，NADH）和还原型黄素腺嘌呤二核苷酸（reduced flavin adenosine dinucleotide，FADH2）等高能分子，而氧化磷酸化这一步骤的作用则是利用这些物质还原氧气释放能量合成ATP。在有氧呼吸过程中，1分子葡萄糖经过糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化将能量释放后，可产生30-32分子ATP（考虑到将NADH运入线粒体可能需消耗2分子ATP）。如果细胞所在环境缺氧，则会转而进行无氧呼吸。此时，糖酵解产生的丙酮酸便不再进入线粒体内的三羧酸循环，而是继续在细胞质基质中反应（被NADH还原成乙醇或乳酸等发酵产物），但不产生ATP。所以在无氧呼吸过程中，1分子葡萄糖只能在第一阶段产生2分子ATP。
有氧呼吸
对于绝大多数生物来说，有氧呼吸是细胞呼吸的主要形式。其主要场所是线粒体。有氧呼吸产生能量（ATP）是需要氧气的。尽管糖类、脂肪和蛋白质都可以作为反应物而被处理和消耗，然而在糖酵解作用下降解成的丙酮酸却是首选；并且丙酮酸为了被三羧酸循环完全氧化，它还需要进入线粒体。这个过程中由底物水平磷酸化、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）和还原型黄素腺嘌呤二核苷酸（$FADH_2$）所产生的能量是在以ATP（三磷酸腺苷）的形式储存起来。
有氧呼吸的全过程十分复杂，可以概括为三个阶段，每一个阶段都化学反应，都有多种相应的酶催化。
- 第一阶段（糖解作用）：一分子的葡萄糖分解成二分子的丙酮酸，产生少量的NADH，并释放出少量能量。这一阶段不需要氧的参与是在细胞质基质中进行的。
- 第二阶段（三羧酸循环）：丙酮酸可将水彻底分解成二氧化碳和NADH,并释放少量能量。这一阶段不需要氧的参与，是在线粒体基质中进行的。
- 第三阶段（电子传递链和氧化磷酸化）：上述两阶段产生的NADH经过一系列化学反应,与氧结合形成水，同时放出大量能量。这一阶段需要氧的参与是在线粒体内膜上进行的。
糖酵解
糖酵解（glycolysis，又称糖解）是把葡萄糖（$C_6H_{12}O_6$）转化成丙酮酸（$CH_3COCOO^− + H^+$）的代谢途径。在这个过程中所释放的自由能被用于形成高能量化合物三磷酸腺苷（ATP）和还原形式的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）。糖解作用的总体反应式：
$C_6H_{12}O_6 + 2 NAD^+ + 2 ADP + 2 H_3PO_4 \rightarrow 2 NADH + 2 C_3H_4O_3 + 2 ATP + 2 H_2O + 2 H^+$
糖解作用是所有生物细胞糖代谢过程的第一步。糖解作用是一共有10个步骤酶促反应的确定序列。在该过程中，一分子葡萄糖会经过十步酶促反应转变成两分子丙酮酸（严格来说，应该是丙酮酸盐，即是丙酮酸的阴离子形式）。
💡 注意
糖解作用及其各种变化形式发生在几乎所有的生物中，无论是有氧和厌氧。糖酵解的广泛发生显示它是最古老的已知的代谢途径之一。事实上，构成糖解作用及其并行途径的戊糖磷酸途径，在金属的催化下发生在还不存在酶的太古宙海洋。糖解作用可能因此源于生命出现之前世界的化学约束！
三羧酸循环
三羧酸循环，也称为柠檬酸循环或Krebs循环，是细胞呼吸中一个核心的代谢途径，主要用于从食物分子中提取能量。这个过程发生在真核生物的线粒体基质中和原核生物的细胞质中，是碳水化合物、脂肪和蛋白质代谢的交汇点，也是能量产生的关键步骤。
氧化磷酸化
氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）是细胞的一种代谢途径，该过程在真核生物的线粒体内膜或原核生物的细胞膜上发生，使用其中的酶及氧化各类营养素所释放的能量来合成三磷酸腺苷（ATP）。
氧化磷酸化的基本流程：
- 电子传递链：电子传递链是由一系列嵌在线粒体内膜上的蛋白质复合体（复合体I，II，III，IV）组成的。在这个过程中，电子从高能的还原剂（比如NADH和$FADH_2$，它们是在诸如三羧酸循环这样的氧化过程中产生的）开始，通过一系列的氧化还原反应，最终传递给最终的电子受体——氧气，生成水。电子的传递释放出的能量用于构建内膜内外的质子梯度。
- 质子梯度的建立：在电子沿电子传递链传递的过程中，复合体I，III和IV中的部分能量被用来将质子（$H^+$）从线粒体基质泵入线粒体内膜外的空间。这导致线粒体内膜外侧质子浓度高于内侧，从而建立了一个跨膜的质子梯度。
- ATP的合成：质子梯度的建立驱动了ATP合成酶（复合体V）的工作。ATP合成酶是一个由跨膜蛋白质和酶组成的复合体，质子通过ATP合成酶从线粒体内膜外侧回流到内侧时，其能量被ATP合成酶用来将ADP（腺苷二磷酸）和Pi（无机磷酸盐）结合，形成ATP。
线粒体中的电子传递链是真核生物进行氧化磷酸化的场所。三羧酸循环中产生的NADH和琥珀酸被氧化，释放的能量供给ATP合酶。
💡 注意
电子传递链本质是一个氢氧化合为水的放热反应。其实它是由辅酶$NADH+H^+$和$FMNH_2$和$FADH_2$提供氢原子，在粒线体内膜上经过一系列的氧化还原反应，由ATP合成酶将ADP和磷酸转化成细胞能量货币ATP的反应过程。这些辅酶（氢载体）来自三羧酸循环，脂肪酸分解和糖酵解。
无氧呼吸
无氧呼吸（Anaerobic respiration），又称厌氧呼吸或缺氧呼吸，是利用氧分子（$O_2$）以外的电子受体來进行呼吸作用。虽然氧不是最終的電子受體，但過程和有氧呼吸一样，使用电子传递链（呼吸链）。有氧呼吸作用，电子会穿梭到电子传递链中，最终的电子受体是氧。氧分子是很好的电子受体。厌氧生物使用低氧化物质，如硝酸盐（$NO_3$）、富马酸盐（$C_4H_2O^{2−}_4$）、硫酸盐（$SO^{2−}_4$），或硫原子（$S$）。这些末端电子受体的还原电位比$O_2$的更少，故每个氧化分子释放的能量更少。因此，无氧呼吸的效率不如有氧呼吸。
无氧呼吸的全过程可以概括的分为两个阶段，这两个阶段需要不同酶的催化，但都在细胞质基质中进行。
- 第一阶段：与有氧呼吸第一阶段完全相同。
- 第二阶段：丙酮酸在不同酶的催化下分解成酒精，二氧化碳或转化成乳酸。无论是哪种有机产物，无氧呼吸都只在第一阶段生成少量的能量和少量ATP。葡萄糖分子中的大部分能量则存留有机产物中。
无氧呼吸的化学反应是可以概括为以下两种。反应物一般是葡萄糖。
$C_6H_{12}O_6-（酶） \rightarrow 2C_3H_6O_3（乳酸）$（少量能量）
$C_6H_{12}O_6-（酶） \rightarrow 2EtOH + 2CO_2$ （少量能量）
💡 注意
酵母菌，醋酸菌等微生物的无氧发酵中，产生酒精的叫做酒精发酵，产生乳酸的叫做乳酸发酵。无氧發酵产生的乳酸或酒精对细胞有毒害作用。因此发酵过程中醋酸和酒精的产量不高。例如，用酵母菌发酵，使葡萄汁变葡萄酒，当酒精含量达到12%~16%，发酵就停止！
呼吸作用的过程
先简略介绍消耗糖的过程：
- 1、酶降解食物（糖分子片段），攫取富含能量的氢
- 2、酶又把来自这些氢的电子传给线粒体内膜上的一系列载体，并沿途收集氢离子
- 3、随后，酶把氢离子和载体分开，送至膜间隙
- 4、越积越多的氢离子强行通过能制造ATP的酶
- 5、最终，电子、氢离子和氧原子结合产生水分子
💡 注意
说到氧气，伟大的法国化学家安托万·拉瓦锡(Antoine Lavoisiter)在18世纪80年代，决定对燃素的本质进行深入研究，最终发现了氧气！
1、六碳糖裂解
葡萄糖（六个碳）经过糖裂解过程后变成二碳糖片段进入线粒体。在这个循环过程中的几个环节上，有几种酶作用于这些糖的分子片段来摄取其中的“热”氢。碳与氧结合释放出二氧化碳作为废弃物，动物把它呼出体外。
2、收集氢离子
“热”氢源源不断地流淌，把它们的电子呈交给内膜上的一种酶。
这酶又把电子转交给膜上飘移着的载体分子。每个电子都被氢离子捕获（在载体上生成氢原子）。
3、转移氢离子
载体随意“漫舞”，把这种高活性的氢原子再转移给其他的酶。
酶使电子从载体上脱离，把剩下的氢离子放入膜间囊。
4、生成ATP
膜间囊里的氢离子不断堆积，一些离子通过膜上能够产生ATP的酶外流。
离子流通过酶通道的时候给酶提供能量，这样酶就可以给消耗过的ATP残体重新加上磷。
于是一股稳定的，重新焕发青春活力的ATP分子流出现了，准备给细胞的各项活动提供能源。
5、生成废弃物
同时，第四种酶把废弃的氢离子和氧结合起来生成水，这也是呼吸作用产生的废物。
举例说明
糖生成ATP总结算
脂类的氧化
脂类物质水解生成脂肪酸和甘油。其中，甘油经磷酸基的活化和酶促反应转化为磷酸二羟丙酮，后脱水变为丙酮酸，丙酮酸參加上述的呼吸过程。脂肪酸长链分子則是反覆被脫去一端的两个碳原子生成乙酰辅酶A，然后參加三羧酸循环。
氨基酸的氧化
各种氨基酸可以分別经过脫氨基或脫羧基作用被氧化，脫氨基生成的氨对細胞有毒害作用，必須被排出体外或转化为其他无害物质。含碳部分的转化根据氨基酸的不同而各异，但最終都是通过某些途经成为三羧酸循环中的物质参与循环。可見，各种营养物质的氧化路线到最后都是相同的。生物体內的諸多能量代謝具有相当高的一致性。
酒精发酵
细胞进行无氧呼吸的其中一条路径，丙酮酸（$CH_3COCOOH$）在脱羧过程后不生成乙酰辅酶A，而是生成乙醛，乙醛接受还原性氢被还原为酒精。在该过程中，糖酵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释放出二氧化碳后转变成乙醛，乙醛再被NADH还原成乙醇（酒精）。
这里看下化学转化过程：
- $C_6H_{12}O_6（葡萄糖） + 2 NAD^+ \rightarrow 2 CH_3COCOOH（丙酮酸） + 2 NADH + 2 ATP + 2 H^+$
- $2CH_3COCOOH（丙酮酸） \rightarrow 2 CO_2 + 2 CH_3CHO（乙醛）$
- $2CH_3CHO（乙醛） + 2 NADH + 2 H^+ \rightarrow 2 C_2H_5OH（乙醇） + 2 NAD^+$
乳酸发酵
我们熟知的乳酸菌，是細胞进行无氧呼吸的另一条路径。在乳酸发酵中，丙酮酸直接生成乳酸，这是一个被还原的过程，同时使NADH被氧化为$NAD^+$，这样糖解作用才有材料进行。人体内也存在这一过程，剧烈运动时肌肉供氧不足，便会通过这一过程还原作用所需材料，再透过糖解得到持续的能量，生成的乳酸可以在人体里短时间累积，等到又有氧气了，乳酸会被再次转化为丙酮酸盐，然后通过有氧的方式释放出全部的能量。
这里看下化学转化过程：
- $C_6H_{12}O_6（葡萄糖） + 2 NAD^+ \rightarrow 2 CH_3COCOOH（丙酮酸） + 2 NADH + 2 ATP + 2 H^+$
- $2 CH_3COCOOH（丙酮酸） + 2 NADH + 2 H^+ \rightarrow 2 CH_3CHOHCOOH（乳酸） + 2 NAD^+$
新陈代谢
代谢（Metabolism，來自希腊语：μεταβολή “改变”），亦称新陈代谢，是生物体维持生命的化学反应总称。这些反应使得生物体能够生长、繁殖、保持它们的结构以及对环境作出反应。代谢通常被分为两类：分解代谢可以对大的分子进行分解以获得能量（如细胞呼吸）；合成代谢则可以利用能量来合成细胞中的各个组成分子，如蛋白质和核酸等。代谢是生物体不断进行物质和能量的交换过程，一旦物质和能量交换停止，則生物体的生命就会结束。
用热力学解释代谢
生物体也必须遵守热力学定律（描述功和热之间的转移关系）。热力学第二定律指出，在任何封闭系统中，熵值总是趋向于增加。虽然生物体的高度复杂性看起来似乎与这一定律相反，但生物体实际上是开放系统，能够与周围环境进行物质和能量交换；因此，生命系统不是处于平衡之中，而是表现为耗散结构来维持它们的高度复杂性，同时增加周围环境的熵值。细胞中的代谢则是通过将分解代谢的自发过程和合成代谢的非自发过程偶联来达到保持复杂性的目的。用热力学来解释，代谢实际上就是通过制造无序来保持有序。
代谢的调控机制
由于生物体的外界环境处于不断的变化之中，因此代谢反应必须能够被精确的调控，以保持细胞内各组分的稳定，即体内平衡。代谢调控也使得生物体能够对外界信号产生反馈并能够与其周围环境进行互动。其中，两个紧密联系的概念对于了解代谢途径的调控机制非常重要：
- 第一，酶在代谢途径中的调节，就相当于其活性是如何根据信号来升高或降低的；
- 第二，由该酶所施加的控制，即其活性的变化对于代谢途径整体速率（途径的通量）的影响。
例如，一个酶可以在活性上发生很大的变化（比如被高度调控），但如果这些变化对于其所在的代谢途径的通量基本没有影响，那么这个酶就不能够对于这一途径发挥控制作用。
代谢调控可分为多个层次。在自身调节中，代谢途径可以自调节以对底物或产物水平的变化做出反应；例如，产物量降低可以引起途径通量的增加，从而使产物量得到补偿。这种类型的调节包含对于途径中多个酶的活性的变构调节。
多细胞生物中，细胞在接收到来自其他细胞的信号后作出反应来改变它的代谢情况，而这就属于外部调控。这些信号通常是通过可溶性分子（“信使”）来传递的，如激素和生长因子，它们能够特异性地与细胞表面特定的受体分子结合。在与受体结合之后，信号就会通过第二信使系统被传递到细胞内部，此过程中通常含有蛋白质的磷酸化。
下面说下一个典型的代谢调控例子：胰岛素调节糖代谢。
由胰岛素调节的葡萄糖代谢是一个研究得比较透彻的外部调控的例子。机体合成胰岛素是用于对血液中葡萄糖水平的升高做出反应。胰岛素与细胞表面的胰岛素受体结合，然后激活一系列蛋白激酶级联反应，使细胞能够摄入葡萄糖并将其转化为能量储存分子，如脂肪酸和糖原。糖原的代谢是由磷酸化酶和糖原合酶来控制的，前者可以降解糖原，而后者可以合成糖原。这些酶是相互调控的：磷酸化作用可以抑制糖原合酶的活性，却激活磷酸化酶的活性。胰岛素通过激活蛋白磷酸酶而降低酶的磷酸化，从而使糖原得以合成。
胰岛素在细胞中的作用主要涉及调控细胞对葡萄糖的摄取和利用，以及影响脂肪和蛋白质的代谢。具体来说，胰岛素的作用可以概括为以下几点：
- 促进葡萄糖摄取和利用：胰岛素能够刺激肌肉、脂肪组织和肝脏中的靶细胞，促使这些细胞通过增加细胞表面的葡萄糖转运蛋白（尤其是GLUT4）的数量，从而增强对血液中葡萄糖的吸收。一旦葡萄糖进入细胞，胰岛素促使细胞将其用于产生能量（通过糖酵解和三羧酸循环），或是将其转换为糖原（在肝脏和肌肉中）或脂肪（在脂肪细胞中）储存起来。
- 调节脂肪代谢：胰岛素能够抑制脂解作用，减少脂肪酸从脂肪组织中释放，防止脂肪酸和甘油三酯在血液中的水平过高。同时，它也通过激活脂酸合成酶，促进脂肪酸的合成和三酰甘油的积累，从而有助于脂肪储存。
- 影响蛋白质代谢：胰岛素可以刺激蛋白质合成，同时抑制蛋白质的分解，这有助于细胞的生长和修复。
- 抑制肝糖原分解和糖异生：胰岛素减少肝脏内生成新的葡萄糖（糖异生过程），促进肝糖原的合成和储存，从而降低血液中的葡萄糖浓度。