呼吸作用与 ATP 的合成

为什么是这样

呼吸是用 O₂ 把有机物彻底分解为 CO₂ 和 H₂O、同时合成 ATP 的过程，主要在线粒体（ミトコンドリア）进行。线粒体有外膜和内膜两层膜，内膜向内折叠形成嵴（クリステ），内膜包住的部分叫基质（マトリックス）。线粒体也有自己的 DNA，被认为起源于被吞入的好氧细菌。

第一段解糖系（解糖系）在细胞质基质中进行，不需要氧：1 分子葡萄糖分解为 2 分子丙酮酸（ピルビン酸）。第二段柠檬酸循环（クエン酸回路）在线粒体基质中进行：丙酮酸先变成乙酰 CoA，与草酰乙酸结合成柠檬酸，经一系列反应放出 CO₂ 后回到草酰乙酸。前两段把葡萄糖中的氢（电子）交给 NAD⁺ 和 FAD，生成 NADH 和 FADH₂。

第三段电子传递系（電子伝達系）在线粒体内膜上进行：NADH 和 FADH₂ 交出电子，电子沿内膜传递，同时把 H⁺ 从基质泵到膜间隙；H⁺ 顺浓度差经 ATP 合成酶流回基质，合成大量 ATP，这叫氧化磷酸化（酸化的リン酸化）。电子最后交给 O₂，与 H⁺ 结合成水。缺氧时电子传递系先停，NADH 无法变回 NAD⁺，柠檬酸循环也随之停止。

定量表达

日本教材的总式是 C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O → 6CO₂ + 12H₂O，1 分子葡萄糖最多生成 38 ATP：解糖系净得 2 ATP（消耗 2、生成 4），柠檬酸循环 2 ATP，电子传递系最多 34 ATP。前两段共生成 10 NADH、2 FADH₂，6 分子 CO₂ 全部在丙酮酸进入线粒体之后放出。近年按实测有总计约 30～32 ATP 的说法，题目未注明时按 38 计。

呼吸放出的 CO₂ 与吸收的 O₂ 的体积比叫呼吸商（呼吸商，RQ），同温同压下等于物质的量之比。底物不同，RQ 不同：糖类为 1.0，蛋白质约 0.8，脂肪约 0.7。以脂肪三硬脂酸甘油酯为例：2C₅₇H₁₁₀O₆ + 163O₂ → 114CO₂ + 110H₂O，RQ=114⁄163≈0.70。