生物的生命活動都需要消耗能量,這些能量來自生物體內(nèi)糖類、脂類和蛋白質(zhì)等有機物的氧化分解.生物體內(nèi)的有機物在細胞內(nèi)經(jīng)過一系列的氧化分解,最終生成二氧化碳或其他產(chǎn)物,并且釋放出能量的總過程,叫做呼吸作用(又叫生物氧化).
生物的呼吸作用包括有氧呼吸和無氧呼吸兩種類型.
有氧呼吸是指細胞在氧的參與下,通過酶的催化作用,把糖類等有機物徹底氧化分解,產(chǎn)生出二氧化碳和水,同時釋放出大量能量的過程.有氧呼吸是高等動物和植物進行呼吸作用的主要形式,因此,通常所說的呼吸作用就是指有氧呼吸.細胞進行有氧呼吸的主要場所是線粒體.一般說來,葡萄糖是細胞進行有氧呼吸時最常利用的物質(zhì).
有氧呼吸的全過程,可以分為三個階段：第一個階段,一個分子的葡萄糖分解成兩個分子的丙酮酸,在分解的過程中產(chǎn)生少量的氫(用[H]表示),同時釋放出少量的能量.這個階段是在細胞質(zhì)基質(zhì)中進行的；第二個階段,丙酮酸經(jīng)過一系列的反應,分解成二氧化碳和氫,同時釋放出少量的能量.這個階段是在線粒體中進行的；第三個階段,前兩個階段產(chǎn)生的氫,經(jīng)過一系列的反應,與氧結合而形成水,同時釋放出大量的能量.這個階段也是在線粒體中進行的.以上三個階段中的各個化學反應是由不同的酶來催化的.在生物體內(nèi),1mol的葡萄糖在徹底氧化分解以后,共釋放出2870kJ的能量,其中有1161kJ左右的能量儲存在ATP中,其余的能量都以熱能的形式散失了.
生物進行呼吸作用的主要形式是有氧呼吸.那么,生物在無氧條件下能不能進行呼吸作用呢?科學家通過研究發(fā)現(xiàn),生物體內(nèi)的細胞在無氧條件下能夠進行另一類型的呼吸作用——無氧呼吸.
無氧呼吸一般是指細胞在無氧條件下,通過酶的催化作用,把葡萄糖等有機物質(zhì)分解成為不徹底的氧化產(chǎn)物,同時釋放出少量能量的過程.這個過程對于高等植物、高等動物和人來說,稱為無氧呼吸.如果用于微生物(如乳酸菌、酵母菌),則習慣上稱為發(fā)酵.細胞進行無氧呼吸的場所是細胞質(zhì)基質(zhì).蘋果儲藏久了,為什么會有酒味?高等植物在水淹的情況下,可以進行短時間的無氧呼吸,將葡萄糖分解為酒精和二氧化碳,并且釋放出少量的能量,以適應缺氧的環(huán)境條件.高等動物和人體在劇烈運動時,盡管呼吸運動和血液循環(huán)都大大加強了,但是仍然不能滿足骨骼肌對氧的需要,這時骨骼肌內(nèi)就會出現(xiàn)無氧呼吸.高等動物和人體的無氧呼吸產(chǎn)生乳酸.此外,還有一些高等植物的某些器官在進行無氧呼吸時也可以產(chǎn)生乳酸,如馬鈴薯塊莖、甜菜塊根等.無氧呼吸的全過程,可以分為兩個階段：第一個階段與有氧呼吸的第一個階段完全相同；第二個階段是丙酮酸在不同酶的催化下,分解成酒精和二氧化碳,或者轉化成乳酸.以上兩個階段中的各個化學反應是由不同的酶來催化的.在無氧呼吸中,葡萄糖氧化分解時所釋放出的能量,比有氧呼吸釋放出的要少得多.例如,1mol的葡萄糖在分解成乳酸以后,共放出196.65kJ的能量,其中有61.08kJ的能量儲存在ATP中,其余的能量都以熱能的形式散失了.
無氧呼吸與有氧呼吸：
在遠古時期,地球的大氣中沒有氧氣,那時的微生物適應在無氧的條件下生活,所以這些微生物(專性厭氧微生物)體內(nèi)缺乏氧化酶類,至今仍只能在無氧的條件下生活.隨著地球上綠色植物的出現(xiàn),大氣中出現(xiàn)了氧氣,于是也出現(xiàn)了體內(nèi)具有有氧呼吸酶系統(tǒng)的好氧微生物.可見,有氧呼吸是在無氧呼吸的基礎上發(fā)展而成的.盡管現(xiàn)今生物體的呼吸形式主要是有氧呼吸,但仍保留有無氧呼吸的能力.由上述分析可以看出,無氧呼吸和有氧呼吸有明顯的不同.
無氧呼吸和有氧呼吸的過程雖然有明顯的不同,但是并不是完全不同.從葡萄糖到丙酮酸,這個階段完全相同,只是從丙酮酸開始,它們才分別沿著不同的途徑形成不同的產(chǎn)物：在有氧條件下,丙酮酸徹底氧化分解成二氧化碳和水,全過程釋放較多的能量；在無氧條件下,丙酮酸則分解成為酒精和二氧化碳,或者轉化成乳酸,全過程釋放較少的能量.
呼吸作用的意義：
對生物體來說,呼吸作用具有非常重要的生理意義,這主要表現(xiàn)在以下兩個方面：第一,呼吸作用能為生物體的生命活動提供能量.呼吸作用釋放出來的能量,一部分轉變?yōu)闊崮芏⑹?另一部分儲存在ATP中.當ATP在酶的作用下分解時,就把儲存的能量釋放出來,用于生物體的各項生命活動,如細胞的分裂,植株的生長,礦質(zhì)元素的吸收,肌肉的收縮,神經(jīng)沖動的傳導等.第二,呼吸過程能為體內(nèi)其他化合物的合成提供原料.在呼吸過程中所產(chǎn)生的一些中間產(chǎn)物,可以成為合成體內(nèi)一些重要化合物的原料.例如,葡萄糖分解時的中間產(chǎn)物丙酮酸是合成氨基酸的原料.