化学基础知识——化学基础知识

第三节　细胞呼吸

在动物体以及一些不靠光合作用获取能量的生物体内，其生命活动所需要的能量来自于食物中的淀粉、脂肪和蛋白质，这些生物分子不能直接提供能量，需要经过消化作用生成葡萄糖、脂肪酸或氨基酸等小分子物质。就哺乳动物而言，食物中的淀粉、脂肪、蛋白质先局部消化，然后在小肠中分解成细胞能氧化分解的单体成分:淀粉分解成葡萄糖、蛋白质分解成氨基酸、脂肪分解成甘油和脂肪酸。通过小肠的消化和吸收，这些小分子单体再进入细胞中被进一步氧化分解，释放的能量暂时贮藏在ATP中。

那么，小分子单体进入细胞后，是如何将能量贮存在ATP中的呢?为了便于学习和理解，我们以葡萄糖为例来讨论ATP的形成。ATP的形成有两条途径:一是在有氧条件下，由葡萄糖分子彻底氧化为CO₂和水，释放出自由能并形成大量ATP;另一条途径是在没有氧分子参与的条件下，由葡萄糖降解为丙酮酸，并产生少量ATP。前者通常被称为细胞呼吸，生命活动需要的能量主要通过细胞呼吸提供。

一、细胞呼吸的过程

细胞呼吸的本质就是将“食物分子”氧化，这些“食物分子”包括糖类、脂肪、蛋白质等，人们通常用典型的葡萄糖来阐明细胞呼吸的代谢反应过程。葡萄糖彻底氧化分解产生的能量通过一系列化学反应转移至ATP中，每一步化学反应都需要特定的酶参与才能完成，通常将这一系列化学过程分为糖酵解、三羧酸循环、电子传递和氧化磷酸化三个阶段。

第一阶段为糖酵解(glycolysis)阶段，是动植物及微生物细胞中葡萄糖分解产生能量的共同代谢途径。糖酵解过程可以分成两个阶段——六碳阶段和三碳阶段，在起始六碳阶段，葡萄糖两次磷酸化转变成果糖－1，6－二磷酸，该阶段要消耗2分子的ATP。随后进入糖酵解的三碳阶段，果糖－1，6－二磷酸在果糖－1，6－二磷酸醛缩酶催化下裂解成两个三碳化合物:甘油醛－3－磷酸和二羟基丙酮磷酸，其中甘油醛－3－磷酸通过5步反应转变成丙酮酸，而二羟基丙酮磷酸很容易异构化成甘油醛－3－磷酸，再转变成丙酮酸。在三碳阶段，有2步反应是酶将底物分子中的磷酸基团直接转移到ADP分子上生成ATP，我们把这种合成ATP的方式称为底物水平磷酸化(substrate－level phosphorylation)。三碳阶段共产生4分子ATP。糖酵解阶段都在细胞质中进行，不需要氧的参与。酵解过程中所有的中间物都是磷酸化的，可保存能量，并有利于与酶结合。总之，糖酵解过程将一个葡萄糖分子降解成两个丙酮酸分子，还生成2分子ATP和2分子NADH(图4－9)。

图4－9　糖酵解阶段各步化学反应

糖酵解的起点是葡萄糖，终点是丙酮酸。糖酵解过程将一个葡萄糖分子降解成两个丙酮酸分子，还生成2分子ATP和2分子NADH。

丙酮酸的去向有三种:(1)生成乙酰辅酶A(acetyl coenzyme A，中文简写为乙酰CoA)，有氧时丙酮酸进入线粒体，脱羧生成乙酰CoA，通过三羧酸循环彻底氧化成水和CO₂。(2)生成乳酸，乳酸菌及肌肉供氧不足时，丙酮酸接受甘油醛－3－磷酸脱氢时产生的NADH上的H⁺，在乳酸脱氢酶催化下还原生成乳酸。(3)生成乙醇，在酵母菌中，由丙酮酸脱羧酶催化生成乙醛，再由乙醇脱氢酶催化还原生成乙醇。

第二阶段称为三羧酸循环阶段(citric acid cycle，也称Krebs循环)，该阶段在线粒体基质中进行。糖酵解形成的丙酮酸由细胞质进入到线粒体后，先氧化脱羧释放出1分子CO₂，剩余的二碳片段与维生素来源的辅酶A结合形成乙酰CoA，同时NAD⁺接受该反应放出的氢和电子，形成了NADH。乙酰CoA是Krebs循环的高能“燃料分子”，在线粒体中，乙酰CoA与草酰乙酸反应生成了6碳的柠檬酸，柠檬酸通过9步反应，逐步脱去2个羧基碳，又形成4碳的草酰乙酸，由此完成了一轮循环(图4－10)。每个循环除了放出2个CO₂分子，还产生3个NADH，1个FADH₂和1个GTP(相当于1个ATP)。Krebs循环的主要作用是为生物合成提供碳骨架前体，如草酰乙酸和α－酮戊二酸可用于合成天冬氨酸和谷氨酸。

图4－10　三羧酸循环图解

Krebs循环是以生物化学家Hans Krebs的名字来命名的，但它的发现凝集着许多科学家的艰辛劳动。Krebs等在前人工作的基础上，用那些预期可能是食物氧化的中间产物如柠檬酸、琥珀酸、延胡索酸及乙酸等作为材料，研究它们在各种不同的动物组织匀浆中的氧化情况，发现上述几种化合物在不同组织中的氧化速率都是最快的，又发现柠檬酸是草酰乙酸和一种来自丙酮酸或乙酸的化合物合成的，这一发现加上Albert SG和Carl M的研究成果，使得Krebs提出完整的循环途径，他的推理和假设能够完美地解释许多代谢现象，该代谢途径是Krebs对代谢研究的重大贡献。

第三个阶段是电子传递和氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)阶段。当一个葡萄糖通过糖酵解和三羧酸循环氧化成6个CO₂时，仅仅直接合成4个ATP。大多数ATP来自NADH和FADH₂在电子传递链(electron transport chain)上的氧化。电子传递链又称呼吸链(respiratory chain)，是由一系列电子载体构成的，从NADH或FADH₂向氧传递电子的系统。原核细胞的呼吸链位于质膜上，真核细胞的呼吸链则位于线粒体内膜上。

呼吸链包含15种以上组分，主要由4种酶复合体和2种可移动电子载体构成。复合体Ⅰ即NADH－Q还原酶，该酶从NADH得到两个电子，转移到FMN上，然后电子又经铁硫蛋白传递给辅酶Q。复合体Ⅱ即琥珀酸－Q还原酶，它从琥珀酸得到电子并传递给辅酶Q。辅酶Q是呼吸链中唯一的非蛋白氧化还原载体，可在膜中迅速移动。它在电子传递链中处于中心地位，可接受各种黄素酶类脱下的氢。复合体Ⅲ即辅酶Q－细胞色素C氧化还原酶复合体，它把来自辅酶Q的电子依次传递给结合在线粒体内膜外表面的细胞色素C。细胞色素C是一个相对分子质量较小的球形蛋白质，细胞色素C交互地与复合体Ⅲ和复合体IV接触，起到在复合体Ⅲ和复合体IV之间传递电子的作用。复合体IV即细胞色素氧化酶，它将电子传递给氧(图4－11)。

图4－11　线粒体内膜上的电子传递链组成

还原型辅酶NADH和FADH₂通过电子传递而氧化。电子从较负还原电势的载体流向较正还原电势的载体，随后结合O₂，形成离子型氧，再与质子结合生成水。O₂与NADH之间的还原电势差别大，约为1．14伏特，可释放很多的能量，这些能量用于形成ATP。2个电子从最上游的NADH经呼吸链传递到分子氧可形成2．5个ATP，2个电子从最上游的FADH₂经呼吸链传递到分子氧可形成1．5个ATP(图4－12)。这种来自电子传递链的能量用于合成ATP的过程称为氧化磷酸化。

图4－12

(a)1个NADH分子中的2个电子经呼吸链传递到分子氧可形成2．5个ATP。(b)1个FADH₂分子中的2个电子经呼吸链传递到分子氧可形成1．5个ATP。

科学家对氧化磷酸化作用机制进行了多年深入研究，目前被广泛接受的是化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)。化学渗透假说首先由英国生物化学家Peter．Mitchell于1961年提出，该假说认为电子传递链的组成导致质子从线粒体的基质向外移动，作用的结果是形成质子动势，当质子返回线粒体基质时驱动ATP的合成(图4－13)。

图4－13　化学渗透学说模式图

在线粒体内膜上，电子经呼吸链传递，在这个过程中所释放的能量用于将质子从线粒体基质泵入内膜外的膜间隙中，从而造成膜外氢离子浓度高于膜内氢离子浓度。当质子返回线粒体基质时，所释放的能量用来生成ATP。

在糖酵解阶段，1个葡萄糖分子净生成2个ATP和2个NADH，2个NADH经过电子传递链生成5个ATP，由于这2个NADH在穿过线粒体膜进入呼吸链时要消耗2分子ATP，因此糖酵解阶段合计生成5个ATP。三羧酸循环阶段生成2分子ATP、8分子NADH和2分子FADH2，8分子NADH经呼吸链生成20个ATP，2分子FADH₂经呼吸链生成3个ATP，因此三羧酸循环阶段和电子传递阶段净生成25个ATP。

经过糖酵解、三羧酸循环和电子传递三个阶段，1分子葡萄糖通过有氧呼吸共生成30个ATP。

表4－2　细胞产生ATP的统计

二、其他物质的代谢

许多食物除了多糖，还有蛋白质和脂肪，它们经消化水解形成氨基酸和脂肪酸，这些单体物质也可以氧化分解为细胞提供能量，它们先形成某种中间产物，然后进入糖酵解或三羧酸循环(图4－14)。

生物的新陈代谢包括有机物的分解与合成及能量的产生与消耗两方面。由细胞呼吸产生的中间产物及能量可被用来合成生物大分子，并进一步形成细胞的结构成分，如此满足了细胞生长与分裂、组织与器官的形成、生物个体的生长与发育的需要。

图4－14　蛋白质、糖类和脂肪的氧化简图

食物除了多糖，还有蛋白质和脂肪，它们经消化水解形成氨基酸和脂肪酸，这些单体物质也可以氧化分解为细胞提供能量，它们先形成某种中间产物，然后进入糖酵解或三羧酸循环。