细胞呼吸
xì bāo hū xī
细胞呼吸是细胞利用氧气分解葡萄糖、以ATP形式释放能量、并产生二氧化碳和水的过程。
Formula
C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + \text{energy}
Definition
细胞呼吸是细胞从食物中获取能量的方式：细胞把糖分与你呼吸吸入的氧气结合，释放出储存在糖分中的能量，并把二氧化碳和水作为废物排出。总反应式为$C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + \text{能量}$，释放出的能量被捕获到ATP中；这一过程始于细胞质中的糖酵解，终结于线粒体，当氧气不足时，细胞则转而依靠发酵作用，但产能远远更少。有氧呼吸分为三个阶段：在细胞质基质中进行的糖酵解（把葡萄糖分解为两个丙酮酸，净产生$2$个ATP和$2$个NADH）、在线粒体基质中进行的三羧酸循环（丙酮酸被氧化为$CO_2$，产生NADH、FADH$_2$和GTP），以及在线粒体内膜上进行的氧化磷酸化，来自NADH和FADH$_2$的电子沿电子传递链传递到氧气，同时泵送质子驱动ATP合酶工作。葡萄糖氧化的自由能变化约为$-2{,}870\ \text{kJ/mol}$，在细胞条件下，其中约$34$百分比的能量被捕获到ATP中。
Example
当你跑步时，肌肉细胞会更快地消耗糖分，需要更多的氧气，因此你会喘得更急促，你呼出的二氧化碳正是这些肌肉进行细胞呼吸时产生的。一个葡萄糖分子被彻底分解大约能产生$30$到$32$个ATP，而同样的葡萄糖经过发酵却只能产生$2$个ATP，这也是为什么在冲刺时，如果肌肉无法足够快地获得氧气，就会很快疲劳并产生乳酸。通过氧化磷酸化，每个NADH大约能产生$2.5$个ATP，每个FADH$_2$大约能产生$1.5$个ATP，再加上糖酵解产生的$2$个ATP和三羧酸循环产生的$2$个GTP，每个葡萄糖分子的总产量接近$30$到$32$个ATP，具体数值取决于把细胞质中的NADH转运进线粒体所使用的穿梭机制。
Key Insight
一切生物都要进行细胞呼吸，植物也不例外，它们虽然在白天制造糖分，却必须在白天和夜晚都不停分解糖分以获取能量。细胞呼吸恰好是光合作用的逆过程：糖分和氧气作为原料输入，二氧化碳和水作为产物输出，这两个过程共同驱动着整个生物圈中碳和氧的循环。氧气只在最后一步才被需要，作为最终的电子受体；如果没有氧气，电子传递链就会堵塞，NADH无法被再生利用，细胞只能转而依靠发酵作用来维持糖酵解的运转。