细胞呼吸与发酵
生命的本质是工作
生命的存在离不开能量的持续供应。就像每天早上我们需要吃早餐来获得一天的能量一样，活细胞也需要从外部来源获取能量来完成各种生物功能，包括合成生物大分子、跨膜物质运输、细胞运动和细胞分裂等过程。
在成都动物园企鹅通过捕食小鱼和其他水生生物为细胞提供能量。同样地，杭州西湖边的柳树则通过光合作用直接获取太阳能，再通过细胞呼吸将储存的化学能转化为ATP。
食物中有机分子储存的能量最终来源于太阳。能量以阳光的形式流入生态系统，最终以热能的形式离开，而生命必需的化学元素则在生态系统中循环利用。光合作用产生氧气和有机分子，这些有机分子被真核细胞的线粒体用作细胞呼吸的燃料。呼吸作用分解这些燃料，消耗氧气并产生ATP。这种呼吸的废物——二氧化碳和水——又成为光合作用的原料。
这个图表展示了能量在生态系统中的流动过程。我们可以看到，虽然能量总量在每个转换步骤中都有所降低，但关键的是ATP这一“能量货币”的产生，它为细胞的各种生命活动提供了直接可用的能源。
细胞呼吸是细胞从有机分子中收获化学能并用于产生ATP的过程，ATP是驱动大部分细胞工作的分子。
本内容将探讨细胞如何从有机分子中收获化学能并用它来产生ATP。我们将重点关注呼吸作用的三个关键途径：糖酵解、丙酮酸氧化和柠檬酸循环，以及氧化磷酸化。我们还将考虑发酵，这是一个与糖酵解耦合的较简单途径，具有深远的进化根源。
分解代谢途径通过氧化有机燃料产生能量
分解代谢途径和ATP的产生
有机化合物由于原子间键的电子排列而具有势能。能够参与放能反应的化合物可以作为燃料。通过酶的活性，细胞系统性地将富含势能的复杂有机分子降解为能量较低的简单废物。从化学储存中取出的部分能量可以用来做功，其余部分以热量形式散失。
分解代谢指的是释放储存能量的代谢途径，通过分解复杂分子实现。电子从燃料分子（如葡萄糖）转移到其他分子在这些途径中起主要作用。
发酵是糖类或其他有机燃料的部分降解过程，不使用氧气。然而，最有效的分解代谢途径是有氧呼吸，其中氧气与有机燃料一起作为反应物消耗。大多数真核细胞和许多原核细胞都能进行有氧呼吸。
有氧呼吸在原理上类似于汽车发动机中汽油与氧气混合后的燃烧。食物为呼吸提供燃料，废气是二氧化碳和水。想象一下2022年北京冬奥会期间，运动员们消耗大量食物来获取能量进行比赛，这些能量转换的基本原理就是细胞呼吸。
整个过程可以总结如下：
有机化合物 + 氧气 → 二氧化碳 + 水 + 能量
食物中的碳水化合物、脂肪和蛋白质分子都可以作为燃料被处理和消耗。比如我们日常饮食中的米饭含有大量淀粉，馒头中的面粉也是碳水化合物的来源，这些都是储存多糖，可以分解为葡萄糖（C₆H₁₂O₆）单位。
通过追踪糖类葡萄糖的降解来学习细胞呼吸的步骤：
C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 能量（ATP + 热量）
这个反应式告诉我们，一个葡萄糖分子需要6个氧分子才能完全氧化，产生6个二氧化碳分子、6个水分子和大量的ATP能量。
氧化还原反应的原理
分解代谢途径如何分解葡萄糖和其他有机燃料产生能量？答案基于化学反应过程中的电子转移。电子的重新定位释放了有机分子中储存的能量，这些能量最终用于合成ATP。
在许多化学反应中，一个或多个电子从一个反应物转移到另一个反应物。这些电子转移被称为氧化还原反应，简称氧化还原反应。在氧化还原反应中，一种物质失去电子称为氧化，另一种物质获得电子称为还原。
例如，当我们使用干电池（如5号电池）时，电池内部发生的就是氧化还原反应。锌失去电子被氧化，二氧化锰获得电子被还原，这个过程释放出电能。
这个图表展示了电子从高能量状态（葡萄糖）逐步“下降”到低能量状态（水）的过程。每一步的能量释放都被细胞巧妙地捕获用来合成ATP。就像水从山顶流到山脚会产生水力发电一样，电子的“下降”为细胞提供了动力。
细胞呼吸中有机燃料分子的氧化
就像甲烷或汽油的燃烧一样，燃料（葡萄糖）被氧化，氧气被还原。电子在过程中失去势能，释放能量。一般来说，含有大量氢原子的有机分子是优秀的燃料，因为它们的键是“山顶”电子的来源，当这些电子在转移到氧气的过程中沿着能量梯度“下降”时，它们的能量可能被释放。
呼吸的总方程式表明氢从葡萄糖转移到氧气。但重要的一点是，当氢（携带其电子）转移到氧气时，电子的能量状态发生变化。在呼吸中，葡萄糖的氧化将电子转移到较低的能量状态，释放出可用于ATP合成的能量。
通过NAD⁺和电子传递链的逐步能量收获
如果燃料的能量一次性全部释放，就无法有效地被利用来进行建设性工作。例如，如果汽油箱爆炸，它就不能驱动汽车走很远。细胞呼吸也不会在单一的爆炸性步骤中氧化葡萄糖（或任何其他有机燃料）。相反，葡萄糖在一系列步骤中被分解，每一步都由酶催化。
在关键步骤中，电子从葡萄糖中被剥离出来。正如氧化反应中经常出现的情况，每个电子都与一个质子一起移动——因此，作为一个氢原子。氢原子不是直接转移到氧气，而是通常首先传递给一个电子载体，一个叫做烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的辅酶，是维生素烟酸的衍生物。
这种辅酶非常适合作为电子载体，因为它可以在其氧化形式NAD⁺和还原形式NADH之间轻松循环。作为电子受体，NAD⁺在呼吸过程中作为氧化剂发挥作用。
细胞呼吸的阶段概览
细胞呼吸从葡萄糖中收获能量是三个代谢阶段的累积功能：
- 糖酵解：在细胞质中开始降解过程，将葡萄糖分解为两个丙酮酸分子
- 丙酮酸氧化和柠檬酸循环：在真核细胞中，丙酮酸进入线粒体并被氧化为乙酰辅酶A，进入柠檬酸循环
- 氧化磷酸化：电子传递和化学渗透过程
这三个阶段共同工作，将葡萄糖中的化学能转化为ATP，为细胞提供可用的能量货币。
糖酵解通过氧化葡萄糖为丙酮酸收获化学能
糖酵解的基本过程
“糖酵解”一词意思是“糖分裂”，这正是这个途径中发生的事情。葡萄糖，一个六碳糖，被分裂成两个三碳糖。这些较小的糖然后被氧化，它们剩余的原子重新排列形成两个丙酮酸分子。
例如，在马拉松比赛中，当跑者感到疲劳时，肌肉细胞就会加速进行糖酵解来快速获取能量。这个过程不需要氧气，所以即使在缺氧的情况下也能为肌肉提供动力。
糖酵解可以分为两个阶段：能量投资阶段和能量收获阶段。在能量投资阶段，细胞实际消耗ATP。这个投资在能量收获阶段得到回报，此时通过底物水平磷酸化产生ATP，并且NAD⁺通过从葡萄糖氧化释放的电子还原为NADH。
这个图表清晰地展示了糖酵解的“投资-回报”模式：前期投入2个ATP，后期收获4个ATP，净赚2个ATP，同时还获得了2个重要的NADH分子。
糖酵解的重要特点
葡萄糖中原本存在的所有碳都在两个丙酮酸分子中得到体现；在糖酵解过程中没有碳以CO₂的形式释放。无论是否存在O₂，糖酵解都会发生。然而，如果存在O₂，储存在丙酮酸和NADH中的化学能可以通过丙酮酸氧化、柠檬酸循环和氧化磷酸化来提取。
丙酮酸氧化后柠檬酸循环完成有机分子的产能氧化
丙酮酸氧化为乙酰辅酶A
糖酵解释放的葡萄糖化学能不到四分之一，大部分能量仍储存在两个丙酮酸分子中。当存在O₂时，真核细胞中的丙酮酸进入线粒体，在那里完成葡萄糖的氧化。
丙酮酸进入线粒体后，首先转化为一种叫做乙酰辅酶A或乙酰CoA的化合物。这个步骤连接糖酵解和柠檬酸循环，由一个多酶复合物催化三个反应：
- 丙酮酸的羧基（-COO⁻）被完全氧化并作为CO₂分子释放
- 剩余的二碳片段被氧化，电子转移到NAD⁺，以NADH的形式储存能量
- 含硫的辅酶A（CoA）通过其硫原子附着到二碳中间体上，形成乙酰CoA
柠檬酸循环
柠檬酸循环作为代谢熔炉，进一步氧化来自丙酮酸的有机燃料。该循环产生1个ATP，但大部分化学能在氧化还原反应过程中转移到NAD⁺和FAD。还原的辅酶NADH和FADH₂将其高能电子货物运送到电子传递链中。
让我们详细看看柠檬酸循环。该循环有八个步骤，每个步骤都由特定的酶催化。对于循环的每一轮，两个碳以乙酰基的相对还原形式进入，两个不同的碳以CO₂分子的完全氧化形式离开。
乙酰CoA的乙酰基通过与草酰乙酸化合物结合进入循环，形成柠檬酸。柠檬酸是柠檬酸的离子形式，循环因此得名。接下来的七个步骤将柠檬酸分解回草酰乙酸。正是草酰乙酸的再生使这个过程成为一个循环。
柠檬酸循环每轮产生的能量丰富分子包括：3个NADH、1个FADH₂和1个ATP（或GTP）。由于每个葡萄糖产生两个乙酰CoA分子，总产量是6个NADH、2个FADH₂和2个ATP。
氧化磷酸化过程中化学渗透将电子传递与ATP合成偶联
电子传递途径
电子传递链是嵌入真核细胞线粒体内膜中的分子集合。内膜折叠形成嵴，增加其表面积，为线粒体中电子传递链的每个组分提供了数千个拷贝的空间。
电子传递链主要由蛋白质组成，这些蛋白质存在于编号为I到IV的多蛋白复合物中。与这些蛋白质紧密结合的是辅基，即对某些酶的催化功能至关重要的非蛋白质组分，如辅因子和辅酶。
在电子传递过程中，电子载体在接受和然后捐献电子时在还原态和氧化态之间交替。链中的每个组分从其“上坡”邻居接受电子时变为还原态，然后在将电子传递给其“下坡”、更具电负性的邻居时恢复到氧化态。
化学渗透
线粒体内膜中存在许多ATP合酶复合物的拷贝，这是从ADP和无机磷酸制造ATP的酶。ATP合酶的工作原理类似于反向运行的离子泵。
ATP合酶的动力源是H⁺在线粒体内膜两侧的浓度差异。这个过程，其中以氢离子梯度形式储存在膜上的能量用于驱动ATP合成等细胞工作，被称为化学渗透。
电子传递链是建立H⁺梯度的主要功能，它是一个能量转换器，使用从NADH和FADH₂的放能电子流将H⁺泵送穿过膜，从线粒体基质泵送到膜间隙。
细胞呼吸的ATP产量核算
现在让我们退一步，提醒自己细胞呼吸的整体功能：为ATP合成收获葡萄糖的能量。
在呼吸过程中，大部分能量按以下序列流动：葡萄糖 → NADH → 电子传递链 → 质子动力 → ATP。当细胞呼吸将一个葡萄糖分子氧化为六个二氧化碳分子时，我们可以计算ATP收益。
每个将一对电子从葡萄糖转移到电子传递链的NADH对质子动力的贡献足以产生最多约3个ATP。为什么ATP数量是不精确的？有三个原因：
- 磷酸化和氧化还原反应不是直接偶联的
- ATP产量根据用于从细胞质向线粒体运输电子的穿梭类型而略有不同
- 质子动力的一部分用于驱动其他类型的工作
发酵和厌氧呼吸使细胞在不使用氧气的情况下产生ATP
发酵的基本原理
由于细胞呼吸产生的大部分ATP来自氧化磷酸化的工作，我们对有氧呼吸ATP产量的估计依赖于细胞充足的氧气供应。没有电负性氧气拉动电子沿传输链下行，氧化磷酸化最终停止。
然而，有两种通用机制使某些细胞能够在不使用氧气的情况下氧化有机燃料并产生ATP：厌氧呼吸和发酵。这两者之间的区别在于厌氧呼吸中使用电子传递链，而发酵中不使用。
发酵是一种在不使用氧气或任何电子传递链的情况下收获化学能的方法——换句话说，不进行细胞呼吸。发酵如何氧化食物？记住，氧化只是指向电子受体失去电子，所以它不需要涉及氧气。
发酵的类型
发酵由糖酵解加上通过将电子从NADH转移到丙酮酸或丙酮酸衍生物来再生NAD⁺的反应组成。然后NAD⁺可以重新用于通过糖酵解氧化糖，这样每次净产生两个ATP分子。
有许多类型的发酵，在从丙酮酸形成的最终产物方面有所不同。两种最重要的类型是酒精发酵和乳酸发酵，两者都被人类广泛用于食品和工业生产。
酒精发酵
在酒精发酵中，丙酮酸在两个步骤中转化为乙醇（乙醇）。第一步从丙酮酸释放二氧化碳，转化为二碳化合物乙醛。在第二步中，乙醛被NADH还原为乙醇。这再生了糖酵解继续所需的NAD⁺供应。
在中国，酒精发酵有着悠久的历史。从商代的酿酒到现代的茅台、五粮液等名酒，都依赖于酵母进行酒精发酵。制作馒头和包子时，面团发酵也是酒精发酵的应用，产生的CO₂使面团蓬松多孔。
乳酸发酵
在乳酸发酵过程中，丙酮酸直接被NADH还原形成乳酸作为最终产物，再生NAD⁺而不释放CO₂。中国传统的泡菜、酸菜制作就是利用乳酸菌进行乳酸发酵，不仅保存了蔬菜，还产生了独特的酸味和营养价值。
当我们进行激烈运动，比如短跑冲刺或举重时，肌肉细胞氧气供应不足，就会转向乳酸发酵来快速产生ATP。这就是为什么运动后会感到肌肉酸痛的原因之一。
发酵与厌氧和有氧呼吸的比较
发酵、厌氧呼吸和有氧呼吸是通过收获食物化学能产生ATP的三种替代细胞途径。所有三种途径都使用糖酵解将葡萄糖和其他有机燃料氧化为丙酮酸，通过底物水平磷酸化净产生2个ATP。
这个对比图清楚地展示了为什么有氧呼吸是最高效的能量获取方式。有氧呼吸的ATP产量是发酵的16倍，这解释了为什么大多数复杂生物都需要氧气来维持生命活动。
关键差异在于将NADH氧化回NAD⁺的机制。在发酵中，最终电子受体是有机分子，如丙酮酸或乙醛。在细胞呼吸中，NADH携带的电子被转移到电子传递链，这再生了糖酵解所需的NAD⁺。
如果发酵是小作坊式的手工生产，那么有氧呼吸就是现代化的自动流水线。虽然两者都能生产出产品（ATP），但效率相差巨大。这也解释了为什么在进化过程中，能够进行有氧呼吸的生物获得了巨大的生存优势。
糖酵解和柠檬酸循环连接到许多其他代谢途径
分解代谢的多样性
到目前为止，我们一直在孤立地讨论葡萄糖的氧化分解，脱离细胞的整体代谢经济。糖酵解和柠檬酸循环是细胞分解代谢和合成代谢途径的主要交汇点。
我们以葡萄糖为细胞呼吸燃料的例子，但人类和其他动物饮食中的游离葡萄糖分子并不常见。我们从脂肪、蛋白质和碳水化合物（如蔗糖和其他双糖，以及淀粉这种多糖）中获得大部分卡路里。食物中的所有这些有机分子都可以被细胞呼吸用来制造ATP。
糖酵解可以接受广泛的碳水化合物进行分解代谢。蛋白质也可以用作燃料，但首先必须消化成它们的组成氨基酸。脂肪消化为甘油和脂肪酸后，分解代谢也可以收获储存在脂肪中的能量。
生物合成（合成代谢途径）
细胞需要物质和能量。并非食物中的所有有机分子都注定要被氧化作为燃料来制造ATP。除了卡路里，食物还必须提供细胞制造自己分子所需的碳骨架。
糖酵解和柠檬酸循环的中间体化合物可以转移到合成代谢途径中，作为细胞合成所需分子的前体。例如，人类可以通过修改从柠檬酸循环中抽取的化合物来制造蛋白质中20个氨基酸中的大约一半。
通过反馈机制调节细胞呼吸
供求的基本原则调节代谢经济。细胞不会浪费能量制造超出需要的特定物质。如果某种氨基酸过剩，从柠檬酸循环中间体合成该氨基酸的合成代谢途径就会关闭。
细胞还控制其分解代谢。如果细胞工作努力，其ATP浓度开始下降，呼吸就会加速。当有足够的ATP满足需求时，呼吸就会减慢，为其他功能保存有价值的有机分子。
控制主要基于调节分解代谢途径中战略点上的酶活性。一个重要的开关是磷酸果糖激酶，这是催化糖酵解第3步的酶。通过控制这一步的速度，细胞可以加快或减慢整个分解代谢过程。
磷酸果糖激酶是一种变构酶，对特定抑制剂和激活剂有受体位点。它被ATP抑制，被AMP刺激。当ATP积累时，酶的抑制会减慢糖酵解。该酶对柠檬酸也敏感，这有助于同步糖酵解和柠檬酸循环的速度。
代谢途径的综合调节
细胞呼吸的各个环节并不是孤立运行的，而是通过精密的调节机制协调工作。就像一个现代化工厂的生产线，每个环节都需要根据产品需求和原料供应来调整生产速度。
这个图表展示了细胞呼吸过程中ATP产量的累积效应。我们可以看到，虽然糖酵解和柠檬酸循环直接产生的ATP有限，但它们为氧化磷酸化提供了关键的电子载体（NADH和FADH₂），使得最终的ATP产量大幅提升。
总结与展望
细胞呼吸和发酵是生命世界中最基本也最重要的能量转换过程。从我们每天吃的米饭、面条，到肌肉运动时的能量供应，从传统的酿酒工艺到现代的生物技术，这些过程无处不在地影响着我们的生活。
理解细胞呼吸的原理，不仅帮助我们认识生命的本质，也为我们在健康管理、食品工业、生物技术等领域的应用提供了科学基础。
细胞呼吸展现了生命系统的精密与高效：
- 高效性：有氧呼吸的能量转换效率约34%，超过了大多数人工设备
- 适应性：在不同环境下可以在有氧呼吸、厌氧呼吸和发酵之间切换
- 调节性：通过多层次的调节机制精确控制能量的产生和消耗
- 普遍性：从最简单的细菌到最复杂的动植物都使用类似的基本原理
维持我们生命的能量是由细胞呼吸释放的，而不是产生的。我们正在利用通过光合作用储存在食物中的太阳能。这个认识提醒我们，生命是一个开放的能量系统，我们与环境、与其他生物之间存在着深刻的能量和物质联系。