生物的生命活动都需要消耗能量,这些能量来自生物体内糖类、脂类和蛋白质等有机物的氧化分解.生物体内的有机物在细胞内经过一系列的氧化分解,最终生成二氧化碳或其他产物,并且释放出能量的总过程,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无氧呼吸两种类型.
有氧呼吸是指细胞在氧的参与下,通过酶的催化作用,把糖类等有机物彻底氧化分解,产生出二氧化碳和水,同时释放出大量能量的过程.有氧呼吸是高等动物和植物进行呼吸作用的主要形式,因此,通常所说的呼吸作用就是指有氧呼吸.细胞进行有氧呼吸的主要场所是线粒体.一般说来,葡萄糖是细胞进行有氧呼吸时最常利用的物质.
有氧呼吸的全过程,可以分为三个阶段：第一个阶段,一个分子的葡萄糖分解成两个分子的丙酮酸,在分解的过程中产生少量的氢(用[H]表示),同时释放出少量的能量.这个阶段是在细胞质基质中进行的；第二个阶段,丙酮酸经过一系列的反应,分解成二氧化碳和氢,同时释放出少量的能量.这个阶段是在线粒体中进行的；第三个阶段,前两个阶段产生的氢,经过一系列的反应,与氧结合而形成水,同时释放出大量的能量.这个阶段也是在线粒体中进行的.以上三个阶段中的各个化学反应是由不同的酶来催化的.在生物体内,1mol的葡萄糖在彻底氧化分解以后,共释放出2870kJ的能量,其中有1161kJ左右的能量储存在ATP中,其余的能量都以热能的形式散失了.
生物进行呼吸作用的主要形式是有氧呼吸.那么,生物在无氧条件下能不能进行呼吸作用呢?科学家通过研究发现,生物体内的细胞在无氧条件下能够进行另一类型的呼吸作用——无氧呼吸.
无氧呼吸一般是指细胞在无氧条件下,通过酶的催化作用,把葡萄糖等有机物质分解成为不彻底的氧化产物,同时释放出少量能量的过程.这个过程对于高等植物、高等动物和人来说,称为无氧呼吸.如果用于微生物(如乳酸菌、酵母菌),则习惯上称为发酵.细胞进行无氧呼吸的场所是细胞质基质.苹果储藏久了,为什么会有酒味?高等植物在水淹的情况下,可以进行短时间的无氧呼吸,将葡萄糖分解为酒精和二氧化碳,并且释放出少量的能量,以适应缺氧的环境条件.高等动物和人体在剧烈运动时,尽管呼吸运动和血液循环都大大加强了,但是仍然不能满足骨骼肌对氧的需要,这时骨骼肌内就会出现无氧呼吸.高等动物和人体的无氧呼吸产生乳酸.此外,还有一些高等植物的某些器官在进行无氧呼吸时也可以产生乳酸,如马铃薯块茎、甜菜块根等.无氧呼吸的全过程,可以分为两个阶段：第一个阶段与有氧呼吸的第一个阶段完全相同；第二个阶段是丙酮酸在不同酶的催化下,分解成酒精和二氧化碳,或者转化成乳酸.以上两个阶段中的各个化学反应是由不同的酶来催化的.在无氧呼吸中,葡萄糖氧化分解时所释放出的能量,比有氧呼吸释放出的要少得多.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的能量储存在ATP中,其余的能量都以热能的形式散失了.
无氧呼吸与有氧呼吸：
在远古时期,地球的大气中没有氧气,那时的微生物适应在无氧的条件下生活,所以这些微生物(专性厌氧微生物)体内缺乏氧化酶类,至今仍只能在无氧的条件下生活.随着地球上绿色植物的出现,大气中出现了氧气,于是也出现了体内具有有氧呼吸酶系统的好氧微生物.可见,有氧呼吸是在无氧呼吸的基础上发展而成的.尽管现今生物体的呼吸形式主要是有氧呼吸,但仍保留有无氧呼吸的能力.由上述分析可以看出,无氧呼吸和有氧呼吸有明显的不同.
无氧呼吸和有氧呼吸的过程虽然有明显的不同,但是并不是完全不同.从葡萄糖到丙酮酸,这个阶段完全相同,只是从丙酮酸开始,它们才分别沿着不同的途径形成不同的产物：在有氧条件下,丙酮酸彻底氧化分解成二氧化碳和水,全过程释放较多的能量；在无氧条件下,丙酮酸则分解成为酒精和二氧化碳,或者转化成乳酸,全过程释放较少的能量.
呼吸作用的意义：
对生物体来说,呼吸作用具有非常重要的生理意义,这主要表现在以下两个方面：第一,呼吸作用能为生物体的生命活动提供能量.呼吸作用释放出来的能量,一部分转变为热能而散失,另一部分储存在ATP中.当ATP在酶的作用下分解时,就把储存的能量释放出来,用于生物体的各项生命活动,如细胞的分裂,植株的生长,矿质元素的吸收,肌肉的收缩,神经冲动的传导等.第二,呼吸过程能为体内其他化合物的合成提供原料.在呼吸过程中所产生的一些中间产物,可以成为合成体内一些重要化合物的原料.例如,葡萄糖分解时的中间产物丙酮酸是合成氨基酸的原料.