糖的有氧氧化过程

糖的有氧氧化分为3个阶段：第1阶段是糖酵解途径，葡萄糖在胞液生成丙酮酸、ATP及NADH＋H＋；第2阶段丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA；第3阶段为乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化生成CO2、H2O及ATP（图3－4）。

（一）糖酵解途径

糖酵解途径第1阶段反应如前所述。在此主要介绍丙酮酸氧化脱羧和三羧酸循环的反应过程。

图3－4 葡萄糖有氧氧化概况

（二）丙酮酸氧化脱羧

丙酮酸进入线粒体后，经过5步反应氧化脱羧生成乙酰CoA（acetyl CoA），总反应式为：

丙酮酸＋NAD＋＋HS—CoA →— 乙酰CoA＋NADH＋H＋＋CO2

线粒体中的丙酮酸脱氢酶复合体（pyruvate dehydrogenase Complex，PDHC）能够催化丙酮酸不可逆地氧化脱羧生成NADH和乙酰CoA，并把糖酵解与三羧酸循环以及ATP的生成紧密地联系在一起。丙酮酸脱氢酶复合体是一种位于线粒体基质的多酶复合体。丙酮酸脱氢酶复合体结构相当复杂，主要成分是丙酮酸脱氢酶（E1）、二氢硫辛酰胺转乙酰化酶（E2）和二氢硫辛酰胺脱氢酶（E3）。每个丙酮酸脱氢酶复合体是由30个E1、60个E2和12个E3构成的。此外，在高等生物的体内PDHC还含有丙酮酸脱氢酶激酶（PDK）、丙酮酸脱氢酶磷酸酶（PDP）、E3蛋白结合酶（E3BP）。E2核心和E3的结合是通过12个分子的E3BP连接起来的。PDHC还需要5种辅酶的帮助，分别是焦磷酸硫胺素、硫辛酸、FAD、NAD＋、CoA。

丙酮酸脱氢酶复合体催化的反应分为5步（图3－5）。

图3－5 丙酮酸脱氢酶复合体及其催化的反应

（1）丙酮酸脱羧形成羟乙基－TPP，丙酮酸的酮基与丙酮酸脱羧酶上TPP噻唑环上的N与S之间活性碳原子反应，产生CO2，羟乙基则结合到TPP上，此过程不可逆。

（2）由二氢硫辛酰胺转乙酰酶（E2）催化形成乙酰硫辛酰胺－E2。

（3）二氢硫辛酰胺转乙酰酶（E2）催化生成乙酰CoA，离开酶复合体，同时使硫辛酰胺上的二硫键还原为2个巯基。

（4）二氢硫辛酰胺脱氢酶（E3）使还原的二氢硫辛酰胺脱氢重新生成硫辛酰胺，同时将氢传递给FAD，生成FADH2。

（5）在二氢硫辛酰胺脱氢酶（E3）催化下，将FADH2上的H转移给NAD＋，形成NADH＋H＋。

（三）三羧酸循环

三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA cycle，）是乙酰CoA彻底氧化的途径，从乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成含3个羧基的三羧酸——柠檬酸开始，经过一系列反应，最终仍生成草酰乙酸而构成循环。因为该学说由Hans Krebs正式提出，亦称为Krebs循环。其主要的依据有：Albert Szent－Gyoryi发现少量的四碳二羧酸可以加快糖类氧化反应的速度，提出可能存在一个酶促的系列反应。他还发现了丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用；Carl Martius和Franz Knoop发现柠檬酸可以转化为某些有机酸。Krebs于1932年发现乙酸、琥珀酸、延胡索酸、苹果酸、柠檬酸、草酰乙酸可以促进组织匀浆或切片的氧化作用，在反应体系中过量加入其中的任意一种有机酸可以很快转化为其他有机酸；后来又发现草酰乙酸可以和活性乙酸反应生成柠檬酸，反应体系构成一个循环。Krebs于1937年提出了需氧生物体内普遍存在的代谢途径——三羧酸循环的反应机制。

三羧酸循环在线粒体中进行，包括8步反应。

1．柠檬酸的形成 乙酰CoA的高能硫酯键可提供足够的能量使乙酰基与草酰乙酸的羧基进行醛醇缩合。首先从CH3CO上除去一个H＋，生成的阴离子－CH2CO对草酰乙酸的羰基碳进行亲核攻击，生成中间体柠檬酰CoA，然后高能硫酯键水解，释放出游离的柠檬酸。由于高能硫酯键水解时可释放出较多的自由能，ΔGo′为－31．4kJ/mol，使反应成为单向、不可逆反应。此步反应是三羧酸循环的第1个限速步骤，由柠檬酸合酶（citrate synthase）催化。而且柠檬酸合酶对草酰乙酸的亲和力很高，所以即使线粒体内草酰乙酸的浓度很低，约10mmol/L，反应也能迅速进行。

2．异柠檬酸的形成 柠檬酸的叔醇基不易进一步氧化，由顺乌头酸酶催化异构化可逆互变为异柠檬酸（isocitrate），将C3上的羟基移至C2上，使叔醇变为仲醇，有利于进一步的氧化反应。反应的短暂中间产物是顺乌头酸。

3．α－酮戊二酸的生成 在异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase）催化下，异柠檬酸的仲醇氧化成羰基，生成中间产物草酰琥珀酸，然后迅速脱羧产生CO2，其余碳链骨架部分转变为α－酮戊二酸（α－ketoglutarate），脱下的氢由NAD＋接受，生成NADH＋H＋。这是三羧酸循环中的第1次氧化脱羧反应，也是三羧酸循环的第2个限速步骤，反应不可逆，释出的CO2可被视作乙酰CoA的氧化脱羧。

4．琥珀酰CoA的生成 三羧酸循环中的第2次氧化脱羧反应是α－酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA（succinyl CoA），反应不可逆，是三羧酸循环的第3个限速步骤。反应脱下的氢由NAD＋接受，生成NADH＋H＋，释出的CO2可被视作乙酰CoA的氧化脱羧。α－酮戊二酸氧化脱羧时释出的自由能较多，足以形成高能硫酯键。催化此反应的酶是α－酮戊二酸脱氢酶复合体（α－ketoglutarate dehydrogenase complex），其组成和催化反应过程与丙酮酸脱氢酶复合体类似，是由3种酶和5种辅酶组成的。这就使得α－酮戊二酸的脱羧、脱氢并形成高能硫酯键等反应可迅速完成。

5．琥珀酸的生成 这步反应的产物是琥珀酸（succinic acid），反应是可逆的，由琥珀酰CoA合成酶（succinyl CoA synthetase）催化。当琥珀酰CoA的高能硫酯键水解时，ΔGo′约－33．4kJ/mol（－7．98kcal/mol），它可与GDP的磷酸化偶联，生成高能磷酸键。这是底物水平磷酸化的又一例子，是三羧酸循环中唯一直接生成高能磷酸键的反应。

6．延胡索酸的生成 反应由琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogenase）催化，其辅酶是FAD，还含有铁硫中心。该酶结合在线粒体内膜上，是三羧酸循环中唯一与内膜结合的酶。反应脱下的氢由FAD接受，生成FADH2，经电子传递链被氧化，生成1．5分子ATP。

7．苹果酸的生成 延胡索酸酶（fumarate hydratase）催化此可逆反应。

8．草酰乙酸的生成 在苹果酸脱氢酶（malate dehydrogenase）催化下，苹果酸（malic acid）脱氢生成草酰乙酸，脱下的氢由NAD＋接受，生成NADH＋＋H＋。在细胞内草酰乙酸不断地被用于柠檬酸合成，故这一可逆反应向生成草酰乙酸的方向进行。

三羧酸循环的上述8步反应过程可归纳如图3－6。

图3－6 三羧酸循环

三羧酸循环本身并不是生成ATP的主要环节，绝大部分能量主要来自于三羧酸循环中的4次脱氢反应，生成的NADH＋H＋和FADH2既是三羧酸循环中的脱氢酶的辅酶，又是电子传递链的第一个环节。这些电子传递体将电子传给氧时才能生成ATP。2次脱羧生成CO2。1分子乙酰CoA进入三羧酸循环后，生成2分子CO2，这是体内CO2的主要来源。三羧酸循环反应中，每循环一轮只有一个底物水平磷酸化反应生成高能磷酸键。三羧酸循环的总反应为：

CH3CO～SCoA＋3NAD＋＋FAD＋GDP＋Pi＋2H2O—→2CO2＋3NADH＋3H＋＋FADH2＋HS—CoA＋GTP

从表面来看，1分子乙酰CoA进入三羧酸循环释放出2分子CO2，循环的各中间产物本身并无量的变化，三羧酸循环运转一周是氧化了1分子乙酰CoA。但用同位素14C标记乙酰CoA的实验发现，脱羧生成的2个CO2中的一个碳原子来自草酰乙酸而不是乙酰CoA，另一个碳原子有可能来自草酰乙酸，也可能来自乙酰CoA，这是因为三羧酸循环开始时形成的柠檬酸是个对称的分子。因此实际上中间反应过程中碳原子有所置换，最后再生的草酰乙酸虽然含量并没有增减，但碳链骨架被部分更新了。

另外，三羧酸循环的各中间产物具有催化剂的作用，反应前后总的质量不发生改变，不可能通过三羧酸循环从乙酰CoA合成草酰乙酸或三羧酸循环的其他中间产物。乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸后如果不被柠檬酸－丙酮酸循环运出线粒体，它只能被氧化最终成CO2和H2O。同样，三羧酸循环的中间产物也不可能直接在三羧酸循环中被氧化成CO2和H2O，若要氧化供能必须转化为乙酰CoA，然后再进入三羧酸循环被彻底氧化。

糖、脂肪、氨基酸都是能源物质，它们在体内的分解代谢最终都将产生乙酰CoA，然后进入三羧酸循环进行氧化供能。三羧酸循环是三大物质共同的最后氧化供能途径，也是糖、脂肪、氨基酸代谢联系的枢纽。三大营养物质通过三羧酸循环在一定程度上可以相互转变。糖可以转变成脂肪。葡萄糖分解成丙酮酸后进入线粒体内氧化脱羧生成乙酰CoA，由于乙酰CoA不能通过线粒体内膜，而合成脂肪酸的部位在胞质。乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸后通过柠檬酸－丙酮酸循环运出线粒体，在柠檬酸裂合酶（citrate lyase）作用下裂解成乙酰CoA及草酰乙酸，然后乙酰CoA即可合成脂肪酸。此外，乙酰CoA也是合成胆固醇的原料。大部分氨基酸可以转变成糖。许多氨基酸的碳链骨架可转变为三羧酸循环的中间产物，通过草酰乙酸可转变为葡萄糖（参见糖异生一节）。反之，糖也可通过转变为三羧酸循环中的各中间产物，然后沿着合成非必需氨基酸步骤生成天冬氨酸、谷氨酸等（见第六章）。