氢氧化锰生成亚锰酸的反应

葡萄糖或糖原在有氧条件下彻底氧化成水和二氧化碳并释放大量能量的过程称为糖的有氧氧化。有氧氧化是糖氧化的主要方式，绝大多数细胞都通过它获得能量。

（一）有氧氧化的反应过程

糖的有氧氧化大致可分为三个阶段。第一阶段：在细胞质中葡萄糖循糖酵解途径分解成丙酮酸。第二阶段：丙酮酸进入线粒体，氧化脱羧生成乙酰CoA。第三阶段：乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化为CO2和H2O并释放大量能量。糖的有氧氧化可概括为图4－2。

图4－2　葡萄糖有氧氧化概况

1．丙酮酸的生成　在细胞质中，葡萄糖经糖酵解途径生成丙酮酸。

2．丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA　在有氧条件下，细胞质中产生的NADH＋H＋进入线粒体经呼吸链氧化生成水并放出能量。丙酮酸经线粒体内膜上载体也转运到线粒体内，由丙酮酸脱氢酶复合体催化其氧化脱羧生成乙酰CoA，此反应不可逆，总反应如下：

丙酮酸脱氢酶复合体由3种酶和5种辅酶组成（表4－1）。

表4－1　丙酮酸脱氢酶复合体的组成

3．三羧酸循环　从乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成一个含有3个羧基的柠檬酸开始，经过一系列反应又生成草酰乙酸而构成的循环，称为三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TAC），又称柠檬酸循环。三羧酸循环的学说最早由Krebs提出，故此循环也称为Krebs循环。三羧酸循环的反应过程如下：

（1）柠檬酸的生成：在柠檬酸合酶催化下，乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸，此为不可逆反应。柠檬酸合酶是三羧酸循环中第一个限速酶。

（2）异柠檬酸的生成：柠檬酸与异柠檬酸为同分异构体，在顺乌头酸酶催化下，柠檬酸脱水形成顺乌头酸，然后再水化成异柠檬酸，原来C3上的羟基转移到C2上。

（3）第一次氧化脱羧：在异柠檬酸脱氢酶的催化下，异柠檬酸氧化脱羧转变为α－酮戊二酸，脱下的氢由NAD＋接受，生成NADH＋H＋。该反应不可逆，异柠檬酸脱氢酶是三羧酸循环中第二个限速酶。

（4）第二次氧化脱羧：反应由α－酮戊二酸脱氢酶复合体催化，α－酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA，后者为高能硫酯化合物，脱下的氢由NAD＋接受，生成NADH＋H＋。该反应不可逆，是三羧酸循环中第三个限速步骤，α－酮戊二酸脱氢酶复合体为限速酶。该复合体的结构、功能和催化机制与丙酮酸脱氢酶复合体极为相似。

（5）底物水平磷酸化反应：由琥珀酰CoA合成酶催化，琥珀酰CoA的高能硫酯键水解放出的能量转移给GDP生成GTP，后者再将其高能磷酸键转给ADP生成ATP。这是三羧酸循环中惟一直接生成ATP的反应。

（6）延胡索酸的生成：反应由琥珀酸脱氢酶催化，其辅酶是FAD，接受琥珀酸脱下来的氢生成FADH2。

（7）苹果酸的生成：在延胡索酸酶催化下，延胡索酸水化生成苹果酸。

（8）草酰乙酸的再生：三羧酸循环的最后反应由苹果酸脱氢酶催化，苹果酸脱氢生成草酰乙酸，脱下的氢由NAD＋接受，生成NADH＋H＋。再生的草酰乙酸可继续与乙酰CoA缩合生成柠檬酸，进入三羧酸循环。

三羧酸循环的反应过程可归纳如图4－3。

图4－3　三羧酸循环

（二）三羧酸循环的主要特点

1．有3个不可逆反应，使整个三羧酸循环过程不可逆，它们也是三羧酸循环的限速步骤，分别由柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、α－酮戊二酸脱氢酶复合体3个关键酶催化。其中异柠檬酸脱氢酶是最主要的限速酶。

2．每循环一次消耗1分子乙酰基。从2个C原子的乙酰CoA与4个C原子的草酰乙酸缩合成6个C原子的柠檬酸开始，到草酰乙酸的再生所构成的一次循环中，经过两次脱羧，生成2分子CO2。

3．三羧酸循环运转一周发生4次脱氢及1次底物水平磷酸化，产生3分子NADH＋H＋和1分子FADH2。每分子NADH＋H＋经呼吸链氧化可生成3分子ATP，每分子FADH2氧化可生成2分子ATP，一次底物水平磷酸化生成1分子ATP。因此，三羧酸循环一次总共可生成12分子ATP。

4．三羧酸循环的中间产物包括草酰乙酸在内起着催化剂作用，本身并无量的变化。不能通过三羧酸循环从乙酰CoA合成草酰乙酸或三羧酸循环中的其他中间产物；同样，这些中间产物也不能直接在三羧酸循环中被氧化成CO2和H2O。三羧酸循环中的草酰乙酸主要来自丙酮酸的直接羧化，也可通过苹果酸脱氢生成。

（三）三羧酸循环的生理意义

1．三羧酸循环是三大营养物质的最终代谢通路　糖、脂肪、氨基酸在体内分解为乙酰CoA，最终通过三羧酸循环彻底氧化分解。

2．三羧酸循环是三大营养物质代谢联系的枢纽　如糖可以转变为脂肪。在能量充足的条件下，食物中摄取的糖相当一部分转变成脂肪储存。许多氨基酸的碳架是三羧酸循环的中间产物，通过草酰乙酸可转变为葡萄糖。

3．三羧酸循环为氧化磷酸化反应提供NADH＋H＋和FADH2。

4．三羧酸循环为某些物质的生物合成提供前体　由葡萄糖提供的丙酮酸转变成草酰乙酸及三羧酸循环中的其他二羧酸可用于合成一些非必需氨基酸如天冬氨酸、谷氨酸等，琥珀酰CoA可用于合成血红素，乙酰CoA是合成胆固醇的原料。

（四）糖有氧氧化的生理意义

糖有氧氧化的生理意义主要是为机体提供能量。每1mol葡萄糖彻底氧化可净生成36或38mol ATP（表4－2）。

表4－2　葡萄糖有氧氧化生成的ATP

＊细胞质中1分子NADH＋H＋经苹果酸穿梭作用进入线粒体氧化磷酸化产生3分子ATP，经磷酸甘油穿梭作用则产生2分子ATP

（五）有氧氧化的调节

在有氧氧化的三个阶段中，糖酵解途径的调节前面已述，在此主要叙述丙酮酸脱氢酶复合体的调节及三羧酸循环的调节。

1．丙酮酸脱氢酶复合体的调节　此复合体可通过变构调节和共价修饰两种方式进行快速调节。NAD＋、ADP、HSCoA是丙酮酸脱氢酶复合体的变构激活剂，反应产物乙酰CoA、NADH＋H＋和ATP是该酶的变构抑制剂。胰岛素及Ca2＋可促进丙酮酸脱氢酶的脱磷酸化作用，使其从无活性磷酸化状态向有活性去磷酸化状态转变。

2．三羧酸循环的调节　在三羧酸循环中，异柠檬酸脱氢酶和α－酮戊二酸脱氢酶复合体是主要的调节点。它们不仅受代谢物浓度的调节，且受到细胞内能量状态的影响。二者在NADH／NAD＋，ATP／ADP或ATP／AMP比值高时被反馈抑制，使三羧酸循环速度减慢。ADP是异柠檬酸脱氢酶的变构激活剂，可加速三羧酸循环的进行。

（六）巴斯德效应

有氧氧化抑制生醇发酵（或糖酵解）的现象称为巴斯德（Pastuer）效应。这是法国科学家Pastuer发现的。研究中发现酵母菌在无氧状态下进行生醇发酵，将其转移至有氧环境时，生醇发酵现象被抑制。