丙酮酸氧化脱羧反应过程

糖的有氧氧化_生物化学基础

二、糖的有氧氧化

（一）糖的有氧氧化的概念

葡萄糖或糖原的葡萄糖单位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（aerobic oxidation）。有氧氧化是糖分解代谢的主要方式，绝大多数组织细胞都从有氧氧化获得能量。

（二）有氧氧化的反应过程

糖的有氧氧化过程可分为三个阶段：①葡萄糖或糖原分解为丙酮酸；②丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA；③乙酰CoA经三羧酸循环彻底氧化生成二氧化碳、水和ATP。

1.丙酮酸的生成　葡萄糖转变为丙酮酸的阶段，是糖有氧氧化和糖酵解共有的过程，也称为糖酵解途径。有氧氧化与糖酵解所不同的反应是3－磷酸甘油醛脱氢产生的NADH＋H⁺在有氧条件下，不再交给丙酮酸使其还原为乳酸，而是进入线粒体经呼吸链氧化生成水并释放出能量。

2.丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA　丙酮酸经线粒体内膜上特异载体转运进入线粒体，又在丙酮酸脱氢酶复合体催化下，经脱氢、脱羧、酰化等反应生成乙酰CoA，总反应如下：

丙酮酸生成乙酰CoA的反应是糖有氧氧化过程中重要的不可逆反应，其重要特征是丙酮酸氧化释放的自由能储存于乙酰CoA及NADH中。乙酰CoA可参与多种代谢途径，NADH则进入呼吸链继续氧化。

丙酮酸脱氢酶系属于多酶复合体，由三种酶组合而成（表5－1）。

表5－1　丙酮酸脱氢酶系的组成

丙酮酸脱氢酶系作用机制见图5－3。

丙酮酸脱氢酶系的五种辅酶均含有维生素。特别是维生素B₁参与丙酮酸脱氢酶系的构成，当维生素B₁缺乏时，体内TPP不足，则影响丙酮酸脱氢酶系的活性，使丙酮酸脱羧受阻，以致神经组织、心肌能量供应不足，并伴随丙酮酸和乳酸在神经组织、心肌堆积，影响其代谢和功能，引起“脚气病”。缺乏维生素B₂常引起口角炎、舌炎及鳞屑性皮炎，缺乏维生素PP可引起癞皮病。

3.乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化分解　三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TAC）亦称柠檬酸循环，是从乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成含三个羧基的柠檬酸开始，经过一系列反应，最终仍然生成草酰乙酸而构成循环。由于最早由Krebs提出，故也称为Krebs循环。三羧酸循环是乙酰CoA彻底氧化的途径，在线粒体中进行，包括8步反应，反应结构式见图5－4。

图5－3　丙酮酸脱氢酶系作用机制

图5－4　三羧酸循环

（1）柠檬酸的生成：柠檬酸合成酶催化乙酰CoA的乙酰基与草酰乙酸缩合生成柠檬酸，释放HSCoA，此反应不可逆。反应所需能量来自乙酰CoA中高能硫酯键的水解。

（2）异柠檬酸的生成：在顺乌头酸酶的催化下，柠檬酸先脱水生成顺乌头酸，后者则水化生成异柠檬酸，反应的结果使C₃上的羟基转移到C₂上，此反应可逆。

（3）异柠檬酸氧化脱羧：异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶催化下，脱氢、脱羧，转变为α－酮戊二酸，脱下的氢由NAD⁺接受。反应不可逆，异柠檬酸脱氢酶是三羧酸循环的关键酶。

（4）α－酮戊二酸氧化脱羧：α－酮戊二酸在α－酮戊二酸脱氢酶复合体催化下，脱氢、脱羧，转变为琥珀酰辅酶A。其反应过程及机制与丙酮酸的氧化脱羧反应类同。该酶系为关键酶，催化反应不可逆。

（5）琥珀酸的生成：琥珀酰辅酶A含有高能硫酯键，在琥珀酸硫激酶（又称琥珀酰辅酶A合成酶）催化下，将其能量转移给GDP，生成GTP，其本身则转变为琥珀酸，这是三羧酸循环中唯一经底物水平磷酸化生成的高能化合物，生成的GTP再将其高能磷酸键转移给ADP生成ATP，此反应不可逆。

（6）琥珀酸脱氢生成延胡索酸：琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下生成延胡索酸，脱下的氢由FAD传递。

（7）延胡索酸加水生成苹果酸：延胡索酸酶催化此可逆反应。

（8）草酰乙酸的再生：苹果酸在苹果酸脱氢酶催化下生成草酰乙酸，脱下的氢由NAD⁺传递。再生的草酰乙酸可再次进入三羧酸循环。

议一议：

乙酰CoA中的乙酰基进入三羧酸循环被氧化后的直接产物是什么？

（三）三羧酸循环的特点

1.三羧酸循环是乙酰CoA彻底氧化的过程　三羧酸循环中1分子乙酰CoA经2次脱羧反应使分子中的碳原子转变为二氧化碳而释放。实际上是氧化了1分子乙酰CoA。反应全部酶系都存在于细胞线粒体中。

2.三羧酸循环是需氧的代谢过程　是产生ATP的主要途径。三羧酸循环中有4次脱氢反应，其中3次以NAD⁺为受氢体，每分子NADH＋H⁺经呼吸链氧化产生2.5个ATP，1次以FAD为受氢体，1分子FADH2经氧化可生成1.5个ATP，加上底物水平磷酸化生成的1个高能磷酸键（GTP），故1分子乙酰CoA经三羧酸循环氧化产生10个ATP。氧间接参与三羧酸循环，因为三羧酸循环中产生的NADH＋H⁺和FADH₂必须经呼吸链把电子传递给氧，重新氧化成NAD⁺和FAD，因此三羧酸循环是需氧的代谢过程。

3.三羧酸循环不可逆　三羧酸循环中柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和α－酮戊二酸脱氢酶复合体是该代谢途径的关键酶，这3个酶所催化的三步反应均是单向不可逆反应，所以三羧酸循环是不可逆转的。

想一想：

糖酵解和糖有氧氧化在细胞内代谢的部位、反应条件、ATP生成方式和数量、终产物及主要生理意义有何不同？

4.三羧酸循环中间物质的补充　三羧酸循环是一个周而复始的不可逆的循环，因此循环中的中间产物如草酰乙酸、α－酮戊二酸、琥珀酸等都起着促进循环的作用，其量不会因参加循环而减少。但由于体内各代谢途径的交汇和无定向，三羧酸循环中的产物亦可进入其他代谢途径而被消耗，如草酰乙酸可转变为天门冬氨酸，α－酮戊二酸转变为谷氨酸，参与蛋白质的合成，因而这些中间产物必须不断更新和及时补充，才能保证循环的正常进行。故补充三羧酸循环的中间物质是必需的，中间物质的补充反应又称回补反应。最重要的回补反应是丙酮酸羧化形成草酰乙酸。

（四）有氧氧化的生理意义

1.有氧氧化是体内供能的重要途径　1mol葡萄糖经有氧氧化可生成30（或32）mol ATP，而糖酵解从葡萄糖开始仅生成2molATP（若从糖原开始生成3mol ATP），前者是后者的15（或16）倍，总结如表5－2所示。

表5－2　葡萄糖有氧氧化生成的ATP

续表

＊获得ATP的数量取决于还原当量进入线粒体的穿梭机制。

2.三羧酸循环是糖、脂肪、蛋白质彻底氧化的共同途径　三大营养物质糖、脂肪、蛋白质经代谢后均可生成乙酰CoA，乙酰CoA必须经过三羧酸循环才能彻底氧化。因而糖、脂肪、蛋白质氧化的最终产物都是H₂O、CO₂，并生成大量ATP。

议一议：

三羧酸循环有何特点？为什么说三羧酸循环是糖、脂肪及蛋白质在体内彻底氧化的共同途径和相互联系的枢纽？

3.三羧酸循环是物质代谢联系的枢纽　糖分解代谢产生的丙酮酸、α－酮戊二酸、草酰乙酸等可分别转变成丙氨酸、谷氨酸和天冬氨酸；同样这些氨基酸也可脱氨基后生成相应的α－酮酸，进入三羧酸循环彻底氧化；脂肪分解产生甘油和脂肪酸，前者可转变成磷酸二羟丙酮，后者可生成乙酰CoA，它们均可进入三羧酸循环氧化供能，故三羧酸循环是糖、脂肪、氨基酸互变的枢纽。

4.三羧酸循环提供生物合成的前体　三羧酸循环中的某些成分可用于合成其他物质，例如琥珀酰辅酶A可用于血红素的合成。