三、糖的有氧氧化

三、糖的有氧氧化

葡萄糖在有氧条件下，氧化分解生成二氧化碳和水的过程称为糖的有氧氧化（aerobicoxidation）。有氧氧化是糖分解代谢的主要方式，大多数组织中的葡萄糖均进行有氧氧化分解供给机体能量。

在有氧条件下葡萄糖彻底分解，最后形成CO2和水。所经历的途径分为两个阶段，即胞液阶段和线粒体阶段，前者与糖无氧分解过程中葡萄糖→丙酮酸产生过程相同，后者包括丙酮酸在线粒体氧化为乙酰CoA（acetyl-coenzyme A）和柠檬酸循环。柠檬酸是柠檬酸循环的关键化合物，又因为它有三个羧基，所以又称为三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle），简称TCA循环。为了纪念德国科学家Hans Krebs在阐明柠檬酸循环所做出的突出贡献，这一循环又称为Krebs循环。

柠檬酸循环是在细胞的线粒体中进行的。丙酮酸降解为乙酰CoA，再通过柠檬酸循环进行脱羧和脱氢反应，羧基形成CO2，氢原子则随着载体（NAD+、FAD）进入电子传递链经过氧化磷酸化作用，形成水分子并将释放出的能量合成ATP。

柠檬酸循环不只是乙酰CoA氧化所经历的途径，也是脂肪酸、氨基酸等各种燃料分子氧化分解所经历的共同途径。此外柠檬酸循环的中间体还可作为许多生物合成的前体。

（一）丙酮酸进一步氧化的反应过程

1.丙酮酸氧化为乙酰CoA

丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA的反应是连接糖酵解途径和三羧酸循环的中心环节，反应不可逆，包括5步反应。催化这些反应的酶有3种，这3种酶高度组合在一起统称为丙酮酸脱氢酶复合体（pyruvate dehydrogenase complex）或丙酮酸脱氢酶系。丙酮酸转变为乙酰CoA的总反应式如图3-31。

丙酮酸脱氢酶系位于线粒体内膜上，包括：丙酮酸脱氢酶组分（pyruvate dehydrogenase component, E1）、二氢硫辛酰转乙酰基酶（dihydrolipoyl transacetylase, E2）、二氢硫辛酸脱氢酶（dihydrolipoyl dehydrogenase, E3），涉及的辅助因子包括焦磷酸硫胺素（TPP）、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA、Mg2+等。这3种酶在结构上形成一个有序的整体。这种有序的相互结合，使丙酮酸脱氢酶催化形成乙酰CoA的复杂反应得以相互协调依次有序地进行（图3-32）。

在整个丙酮酸氧化脱羧反应过程中，只有第一步脱羧反应是不可逆的。由于丙酮酸到乙酰CoA是一个重要的步骤，处于代谢途径的分支点，这一反应体系受到产物和能量物质的调节。总之，丙酮酸脱氢酶的活化或抑制是根据细胞能荷的高低和生物合成对相应中间物的需要，受到多种因素灵活的调控。

2.柠檬酸循环

柠檬酸循环的起始步骤是4个碳原子的化合物（草酰乙酸）与循环外的两个碳原子的化合物（乙酰CoA）形成6个碳原子的柠檬酸的反应。柠檬酸经过2步反应异构化成为异柠檬酸，然后进行氧化（形成6个碳原子的草酰琥珀酸），再脱羧失去一个碳原子形成5个碳原子的二羧酸化合物（α-酮戊二酸）。5碳化合物又氧化脱羧形成4碳化合物琥珀酰-CoA。4碳化合物经过4次转化，其间生成一个高能磷酸键（GTP），使FAD、NAD+分别还原为FADH2和NADH，最后又形成4个碳原子的草酰乙酸，完成一轮循环反应。柠檬酸循环的全过程如图3-33所示。

柠檬酸循环反应共包括8个步骤。

①草酰乙酸与乙酰CoA缩合形成柠檬酸　在柠檬酸合成酶的催化下，草酰乙酸（oxaloacetate）与乙酰CoA缩合形成柠檬酰CoA，然后水解为柠檬酸和CoA（图3-34）。柠檬酰CoA的水解推动整个反应向柠檬酸合成方向进行。

（1）柠檬酸合成酶（citrate synthase）；（2）（3）[顺]乌头酸酶（aconitase）；（4）异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase）；（5）α-酮戊二酸脱氢酶复合体（α-ketoglutarate dehydrogenase complex）；（6）琥珀酰CoA合成酶（succinyl-CoA synthetase）；（7）琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogenase）；（8）延胡索酸酶（fumarase）；（9）苹果酸脱氢酶（malate dehydrogenase）

②柠檬酸异构化形成异柠檬酸　柠檬酸必须异构化成异柠檬酸（isocitric acid），才能使六碳单位进行氧化脱羧。柠檬酸先脱水生成顺乌头酸，然后加水生成异柠檬酸。两步反应均由顺乌头酸酶催化（图3-35）。

③异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸　柠檬酸循环中4个氧化-还原反应的第一个反应是异柠檬酸的氧化脱羧。在异柠檬酸脱氢酶的催化下，异柠檬酸脱下2个氢原子，其中间物草酰琥珀酸是一个不稳定的α-酮酸，与酶结合即脱羧形成α-酮戊二酸（α-ketoglutarate）（图3-36）。

④α-酮戊二酸氧化脱羧形成琥珀酰CoA　这是柠檬酸循环中第2个氧化脱羧反应，由α-酮戊二酸脱氢酶复合体催化α-酮戊二酸生成琥珀酰CoA（succinyl-CoA），其催化机制与丙酮酸转化为乙酰CoA的反应相似，受产物NADH、琥珀酰CoA及ATP、GTP反馈抑制，但不受磷酸化调节，反应不可逆（图3-37）。NAD+是电子受体。

α-酮戊二酸氧化释放出的能量有三方面的作用：驱使NAD+还原；促使反应向氧化方向进行，并大量放能；相当多的能量以琥珀酰CoA的高能硫酯键形式保存起来。

⑤由琥珀酰CoA产生琥珀酸（succinate）和GTP　琥珀酰CoA的硫酯键是高能键，相当于ATP的一个高能键。琥珀酰CoA硫酯键的裂解与GDP的磷酸化相偶联。

该反应是在琥珀酰CoA合成酶的催化下进行的，是柠檬酸循环中唯一的一步直接产生高能磷酸键的反应（图3-38）。这是三羧酸循环中唯一的底物水平磷酸化反应。反应生成的GTP可以在蛋白质合成、信号转导等过程中作为磷酰基团供体，它的γ磷酸基团也可以转给ADP形成ATP。在植物中琥珀酰CoA直接生成的是ATP而不是GTP。

GTP+ADP→GDP+ATP

⑥琥珀酸重新氧化使草酰乙酸再生　琥珀酸转化为草酰乙酸经过3步反应：氧化、水合、再次氧化。这样，经过一个循环，草酰乙酸得到再生，释放出的能量则储存在FADH2和NADH中（图3-39）。

琥珀酸氧化成延胡索酸（fumaric acid）是在琥珀酸脱氢酶作用下完成的。氢受体是FAD而不是NAD+，因为自由能的变化不足以还原NAD+。由琥珀酸氧化产生的FADH2不与酶分离，它的两个氢和电子直接转移给酶的铁硫中心。

第7步反应是延胡索酸水合成L-苹果酸（L-malate），催化的酶是延胡索酸酶。最后，苹果酸氧化形成草酰乙酸，催化的酶是苹果酸脱氢酶，NAD+是氢的受体。

（二）柠檬酸循环生成的ATP和添补反应

柠檬酸循环生成ATP，柠檬酸循环的总反应为：(https://www.daowen.com)

乙酰CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3NADH+FADH2+GTP+2H++CoA-SH

具体说明如下：

（1）两个碳原子以酰基单位（乙酰CoA）与草酰乙酸缩合反应进入柠檬酸循环在异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合体的相继催化下，2个碳原子以CO2形式离开柠檬酸循环。当然，离开柠檬酸循环的2个碳原子和进入柠檬酸循环的2个碳原子是不同的。

（2）有4对氢原子在4步氧化反应中离开此循环在异柠檬酸氧化和α-酮戊二酸的氧化脱羧中有2分子NAD+被还原，在琥珀酸的氧化中有1分子FAD被还原，在苹果酸的氧化中又有1分子NAD+被还原，共产生3分子NADH和1分子FADH2。

（3）从琥珀酰CoA的高能硫酯键中形成一个高能磷酸键（GTP）

（4）消耗掉2个水分子，一个用于柠檬酸的合成，另一个用于苹果酸的合成由柠檬酸循环形成的NADH和FADH2将通过电子传递链被氧化，平均算来，每分子NADH将产生2.5分子ATP，每分子FADH2将产生1.5分子ATP，加上柠檬酸循环中每个酰基单位直接产生的一个高能磷酸键，一分子酰基单位彻底氧化，将产生10分子ATP（2.5×3+1.5×1+1）。若从丙酮酸脱氢氧化开始计算，则可产生4×2.5+1×1.5+1=12.5分子ATP。每分子葡萄糖可产生2分子丙酮酸，根据（NADH+H+）进入线粒体内方式的不同此过程可生成（2+1.5×2）或（2+2.5×2）分子ATP。所以，每分子葡萄糖彻底氧化为H2O和CO2，共能产生：5（或7）+12.5×2=30（或32）分子ATP。

分子态氧不直接参与柠檬酸循环，但柠檬酸循环只有在有氧条件下才能运转。这是因为只有将电子传递给分子态氧，NAD+和FAD才能再生。在无氧条件下糖酵解能进行，是因为NAD+在丙酮酸转化为乳酸时得到了再生。

（三）柠檬酸循环的添补反应

当柠檬酸循环的中间产物被抽走用于其他生物分子的合成时，会造成柠檬酸循环的终止。生物体会通过添补反应（anaplerotic reaction）保证柠檬酸循环的正常进行。下面介绍几种常见的产生草酰乙酸的添补反应。

1.丙酮酸的羧化

这个反应是线粒体中的丙酮酸羧化酶催化的，是动物中最重要的添补反应。丙酮酸羧化酶催化丙酮酸生成草酰乙酸，需要生物素作辅酶（图3-40）。

2.磷酸烯醇式丙酮酸的羧化

磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下形成草酰乙酸，在脑和心脏中存在这个反应（图3-41）。

3.由氨基酸形成草酰乙酸

α-酮戊二酸和天冬氨酸经过转氨基作用，可形成草酰乙酸和谷氨酸（图3-42）。

（四）柠檬酸循环的调节

柠檬酸循环的速度和其他代谢途径一样，受到精确的调节以适应细胞对能量的需要，以及满足某些生物合成对底物的需要。柠檬酸循环可概括地看作来自两个方面的调节：

1.柠檬酸循环本身制约系统的调节

在柠檬酸循环中，虽有9种酶参加反应，但在调节循环速度中起关键作用的可视为3种酶：柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合体。柠檬酸循环中酶的活性主要受提供底物的情况影响，并受其生成产物浓度的抑制。循环中最关键的是底物乙酰CoA、草酰乙酸和产物NADH。

乙酰CoA和草酰乙酸在细胞线粒体中的浓度并不能使柠檬酸合成酶达到饱和的程度。因此该酶对底物催化的速度随底物浓度而变化，也就是酶的活性受底物供给情况所控制。乙酰CoA来源于丙酮酸，所以它还受到丙酮酸脱氢酶活性的调节。草酰乙酸来源于苹果酸，它与苹果酸的浓度保持一定的平衡关系。而且[NADH]/[NAD+]也保持一定的平衡关系。当呼吸速度加强时，线粒体中的NADH浓度下降，结果使草酰乙酸的浓度上升，又促使柠檬酸合成酶的活性增强。柠檬酸合成酶活性的强弱直接关系到柠檬酸的合成。一般情况下细胞对柠檬酸的利用速度总是高于柠檬酸的合成速度。而柠檬酸的利用速度又被以NAD+为辅助因子的异柠檬酸脱氢酶所控制，异柠檬酸脱氢酶和乌头酸酶的活性是保持平衡的。异柠檬酸脱氢酶又受到它的产物之一NADH的强烈抑制。柠檬酸合成酶也受NADH的抑制，但异柠檬酸脱氢酶对浓度变化的敏感程度高于柠檬酸合成酶。

柠檬酸是柠檬酸合成酶的竞争性抑制剂，柠檬酸浓度的下降又促进了柠檬酸的合成。α-酮戊二酸脱氢酶也受产物NADH和琥珀酰CoA的抑制。如果NADH的浓度下降，α-酮戊二酸脱氢酶的活性也必然升高。琥珀酰CoA和乙酰CoA结构相似，对柠檬酸合成酶有竞争性反馈抑制作用。

2.ATP、ADP和Ca2+对柠檬酸循环的调节

机体活动增加需要消耗更多的ATP。随着ATP的水解，伴随着ADP浓度的增加。ADP是异柠檬酸脱氢酶的变构促进剂（allosteric activator），从而增加了该酶对底物的亲和力。机体活动处于静息状态时，ATP的消耗下降、浓度上升，对该酶产生抑制效应。

Ca2+在机体内的生物功能是多方面的，它对柠檬酸循环也间接地起着重要作用。它刺激糖原的降解、启动肌肉收缩，还对许多激素的信号起中介作用，在柠檬酸循环中它对丙酮酸脱氢酶复合体和α-酮戊二酸脱氢酶复合体都有激活作用。

柠檬酸循环的调节关系可用图3-43表示。

·代表激活部位×代表抑制部位……代表反馈抑制

（五）巴斯德效应

Pasteur在研究酵母发酵时，发现在供氧充足的条件下，细胞内糖酵解作用受到抑制。葡萄糖消耗和乳酸生成减少，这种糖有氧氧化对糖酵解的抑制作用称为巴斯德效应（Pasteur effect）。

产生巴斯德效应主要是由于在供氧充足的条件下，细胞内ATP/ADP升高，抑制了磷酸果糖激酶活性，使6-磷酸果糖和6-磷酸葡萄糖含量增加，后者反馈抑制己糖激酶活性，使葡萄糖利用减少，呈现有氧氧化对糖酵解的抑制作用。

Crabtree效应与巴斯德效应相反，在癌细胞发现给予葡萄糖时不论供氧充足与否都呈现很强的酵解反应，而糖的有氧氧化受抑制，称为克奈特瑞（Crabtree）效应或反巴斯德效应。这种现象较普遍地存在于癌细胞中，此外也存在于一些正常组织细胞如视网膜、睾丸、颗粒白细胞等。