葡萄糖的有氧氧化过程

1. 糖酵解 葡萄糖氧化的最初阶段，并不是发生在线粒体中，而是发生在真核和原核的细胞质基质中，此过程不需要氧，被称为糖酵解（glycolysin）。经过十几个步骤和十余种酶的催化，1分子的葡萄糖被酵解成2分子的丙酮酸，反应过程脱下2对氢，由氧化型的递氢体NAD＋接受，生成2个还原型的NADH。反应过程生成4分子ATP，在葡萄糖生成6-磷酸葡萄糖和1，6-二磷酸果糖的2步反应中耗去2个，所以净得为2个。这种ATP是由细胞质中的水溶性酶直接将高能底物中的高能磷酸键转移到ADP上所形成的，与线粒体中的氧化磷酸化过程不同，被称为底物水平磷酸化（substrate-level phosphorylation）。

葡萄糖酵解成丙酮酸时，所释放的能量不到总自由能的10%。在有氧情况下，丙酮酸还将在线粒体中被彻底氧化，分解为CO2和H2O，所释放的能量可用来合成约30个ATP，是为需氧呼吸（aerobic respiration）。而在无氧条件下，丙酮酸或是在动物肌肉等细胞中被还原成乳酸，或是在酵母菌中被转变为乙醇和CO2，是为厌氧呼吸（anaerobic respiration）。

2. 丙酮酸在线粒体中氧化为CO2 糖酵解产生的丙酮酸通过线粒体内膜上特定的转运蛋白进入线粒体基质腔，在丙酮酸脱氢酶催化下，与辅酶A（CoA）反应，氧化脱羧生成中间产物乙酰CoA，释出CO2，同时脱下1对H，由NAD＋携带参加电子传递反应。细胞中，乙酰CoA是一些生物合成反应的中间物，在脂肪酸和许多氨基酸的氧化中起着关键的作用，同时也是胆固醇和其他固醇类生物合成的前体物质。但是，在行呼吸作用的线粒体中，它差不多总是被氧化成CO2。乙酰CoA通过与4个碳原子的草酰乙酸缩合，生成6个碳原子的柠檬酸而加入三羧酸循环（citric acid cycle）。三羧酸循环是由一系列脱羧和脱氢反应组成，其间柠檬酸经α-酮戊二酸、琥珀酸等7个连续酶促反应，最后降解再生成草酰乙酸而完成一个循环。每次三羧酸循环，除产生1分子GTP、乙酰CoA的碳骨架被氧化成2分子的CO2外，还有3个分子的NAD＋捕获了高能电子后被还原成NADH，形成的NADH位于基质内，它是介于三羧酸循环和线粒体内膜电子传递链之间的主要媒介物。三羧酸循环中琥珀酸氧化脱下的电子通过FAD转移，作为琥珀酸CoQ氧化还原酶的辅基，还原型的FADH2将电子直接传递给辅酶Q而进入电子传递链。整个三羧酸循环的结果可用简式表示：

CH3COOH（乙酰CoA）＋2H2O＋3NAD＋＋蛋白结合FAD 2CO2＋3H＋＋3NADH＋蛋白结合FADH2

由于三羧酸循环的酶系，除琥珀酸脱氢酶位于内膜上外，其余都位于线粒体的基质内，因此三羧酸循环主要在线粒体基质内进行。

3. 氧化磷酸化 三羧酸循环虽然被看作是有氧代谢的一部分，但其本身并不利用氧。直接消耗氧（O2）分子的反应发生在线粒体的内膜上。由于葡萄糖氧化成CO2所释放的大多数自由能都保留在还原态的NADH和FADH2中，它们还须将捕获的高能电子经由内膜上的电子传递系统传递，最后传递给分子氧，使其活化成O2-，并与基质中的2H＋结合形成稳定的H2O才能结束整个氧化过程。就在这个生物的氧化过程中，释放的能量被转移到ATP的高能磷酸键中，生物氧化、能量释放与ADP的磷酸化过程结合起来，形成了所谓的氧化磷酸化偶联。

1个葡萄糖分子经糖酵解和三羧酸循环，可产生10个NADH以及2个FADH2，其中，细胞质中的NADH本身不能通过线粒体内膜，但通过苹果酸穿梭系统，其上的电子被转运到基质，与线粒体内NADH和FADH2中的电子一起，经电子传递链传递给氧。整个反应可概括为：

这是2个强的放能反应，△Go’值（标准的自由能变化）分别为-52.6kcal/mol（NADH）和-43.4kcal/mol（FADH2）。以此推算，葡萄糖氧化所产生的还原态辅酶所具有的△Go’值共有-613kcal/mol［10×（-52.6）＋2×（-43.4）］，相当于葡萄糖化学键潜在自由能（-680kcal/mol）的90%。由于1分子ADP生成ATP的△Go’值只有7.3kcal/mol，因此，氧化单个NADH或FADH2所释放的自由能足以驱动几分子的ADP生成ATP。

NADH或FADH2中的高能电子传递给氧的过程并不是一步完成的，而是通过线粒体内膜上众多的电子载体一步步进行的，从而避免了其中的能量像燃烧那样以热能的形式一次性释出。电子在这样的传递过程之中，能量被逐步释出，并且有近乎一半的能量被储存下来。这些能量在电子传递的三个阶段被内膜上的蛋白泵用于质子的泵送，即将基质中的质子逆浓度的跨膜转运到膜间腔，结果，在内膜的两侧不仅形成了一个内高外低的pH梯度（△pH），而且还形成了一个内负外正的电压梯度（膜电位，△V）。△pH和△V一起构成了所谓的电化学H＋梯度或质子动力势。当质子在这股力量的驱动下回流时，又通过F0F1复合体与ADP、Pi合成ATP的过程偶联在一起，实现了能量的转化。由此可见，氧化磷酸化是电子传递、质子泵送以及ATP合成同时发生的一个过程。在依靠有氧呼吸的细胞中，绝大多数的ATP以这种方式产生。

在实验室里，把O2和可氧化的底物丙酮酸、琥珀酸加到分离到的线粒体中，只要线粒体内膜完整，就可产生ATP；如用少量去垢剂改变膜的通透性，那么，这些代谢物依然可以被O2氧化，但不产生ATP。这个实验说明内膜结构的完整性，以及功能上对H＋的非自由通透性是质子动力势形成的一个根本条件。

质子动力势的单位用毫伏（millivolts，mV）表示，一个典型细胞线粒体的质子动力势约为200mV，其中膜电位约为140mV，pH梯度约为1个pH单位，相当于约60mV的膜电位。质子动力势不仅用于ATP的合成，还与线粒体内膜的物质转运有关。例如，丙酮酸、Pi就是结合在载体蛋白上，随内流的H＋一起共转运（co-transport）进入基质的。

葡萄糖完全氧化所释放出的能量形成ATP的途径有两条。一是氧化过程中在底物水平直接磷酸化形成少量ATP；另一是通过H在线粒体内膜电子传递链上传递并释放能量的氧化磷酸化过程，形成大多数的ATP。其中，包括丙酮酸氧化为H2O和CO2等大多数反应都发生在线粒体的内膜和基质中，并且和ATP的产生相偶联。这样一个多步骤的复杂过程可归纳为三组反应：①丙酮酸被氧化为CO2，同时伴随着辅酶NAD＋和FAD分别被还原为NADH和FADH2，反应发生在基质或基质面侧的内膜蛋白上。②电子从NADH和FADH2转移给O2，反应发生在内膜上，并伴随产生跨膜的质子动力势。③通过内膜上的F0F1复合体，储存于电化学H＋梯度中的能量被用于ATP的合成。

脂肪酸代谢的后阶段有时也发生在线粒体中，并产生ATP，但是大多数真核细胞的脂肪酸在过氧化物酶体中代谢，不产生ATP。