细胞呼吸

核心步骤与机制

1. 有氧呼吸（需氧气参与）

(1)糖酵解（Glycolysis）

场所：细胞质基质。

过程：1分子葡萄糖分解为2分子丙酮酸，生成2分子ATP（净）和2分子NADH。

关键酶：己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶。

(2)丙酮酸氧化与柠檬酸循环（Citric Acid Cycle）

场所：线粒体基质。

丙酮酸氧化：丙酮酸转化为乙酰辅酶A（生成1分子NADH/丙酮酸）。

柠檬酸循环：乙酰辅酶A与草酰乙酸结合，经8步反应生成CO₂、3 NADH、1 FADH₂和1 ATP（每循环一次）。

(3)氧化磷酸化（Oxidative Phosphorylation）

场所：线粒体内膜。

电子传递链（ETC）：NADH和FADH₂释放电子，经复合体Ⅰ-Ⅳ传递至氧气（终末电子受体），生成H₂O。

ATP合酶：质子梯度驱动ADP磷酸化生成ATP（约28-34 ATP/葡萄糖）。

(4)总反应式：

C6H12O6+6O₂→6CO₂+6H₂O+36−38ATP

2. 无氧呼吸（缺氧条件下）

(1)乳酸发酵（动物肌肉细胞、某些细菌）：

丙酮酸还原为乳酸，再生NAD⁺以维持糖酵解（净2 ATP/葡萄糖）。

(2)酒精发酵（酵母、植物细胞）：

丙酮酸脱羧生成乙醛，再还原为乙醇，释放CO₂（净2 ATP/葡萄糖）。

调控机制

(1)关键酶活性调节

磷酸果糖激酶：受ATP抑制、AMP激活，控制糖酵解速率。

丙酮酸脱氢酶复合体：受乙酰辅酶A和NADH反馈抑制。

(2)氧气浓度影响

缺氧时通过巴斯德效应（Pasteur Effect）抑制糖酵解产物进入线粒体，启动无氧呼吸。

(3)激素调控

胰岛素促进葡萄糖摄入和糖酵解，肾上腺素激活糖原分解补充呼吸底物。

生物领域应用

1. 医学与健康

(1)代谢疾病治疗

糖尿病：研究胰岛素信号通路对葡萄糖摄取的调控，开发胰岛素增敏剂（如二甲双胍）。

线粒体疾病：针对ETC复合体缺陷（如Leber遗传性视神经病变），探索基因疗法或辅酶Q10补充。

(2)癌症研究

肿瘤细胞依赖有氧糖酵解（瓦氏效应，Warburg Effect），靶向糖酵解酶（如HK2）开发抗癌药物。

2. 运动科学

(1)能量系统优化

短跑依赖无氧呼吸（乳酸系统），长跑依赖有氧呼吸，训练中针对性提升线粒体密度或乳酸耐受。

(2)补剂开发

补充肌酸（增强ATP再生）或β-丙氨酸（缓冲乳酸）提高运动表现。

3. 食品与发酵工业

(1)酒精饮料生产

酵母酒精发酵酿制啤酒、葡萄酒（控制氧气和温度调节发酵类型）。

(2)乳制品加工

乳酸菌无氧发酵生产酸奶、奶酪（乳酸酸化凝固酪蛋白）。

(3)生物燃料

利用工程微生物（如大肠杆菌）发酵农业废弃物生成乙醇或丁醇。

4. 环境与能源

(1)废水处理

好氧微生物分解有机污染物（如活性污泥法），厌氧菌处理高浓度废水产甲烷（沼气）。

(2)生物电池

微生物燃料电池（MFC）利用呼吸链电子传递直接发电。