柠檬酸循环的基本原理

时间：2023-02-11 百科知识版权反馈

【摘要】：新陈代谢是生物体内所有生物化学反应和能量转换过程的总称。细胞呼吸与气体交换是密切相关的两个过程。细胞呼吸是由一系列生物化学反应组成的一个连续完整的代谢过程，每一步反应都需要特定的酶参与才能完成。

细胞代谢_普通生物学

第四节　细胞代谢

细胞是新陈代谢的基本单位，在细胞极其微小的空间内发生着数千种生物化学反应。新陈代谢是生物体内所有生物化学反应和能量转换过程的总称。生物体将简单小分子合成复杂大分子并消耗能量的反应，称为同化作用或合成代谢；生物体将复杂化合物分解为简单小分子并释放出能量的反应，称为异化作用或分解代谢。同化作用与异化作用组成了新陈代谢的两个方面。细胞呼吸是最重要的异化作用过程，光合作用是最典型的同化作用过程。

一、细胞呼吸

生物学家将细胞呼吸定义为细胞在有氧条件下从食物分子（主要是葡萄糖）中取得能量的过程。细胞呼吸与气体交换是密切相关的两个过程。例如，当运动员做跳跃运动时，吸入肺部的O₂被输送到血液中，血液再将其输送给肌肉细胞，肌肉细胞便利用这些O₂进行细胞呼吸，将由血液输送来的葡糖糖等食物分子氧化分解成CO₂和H2O，并产生能量使肌肉收缩运动，运动员便完成了跳跃动作。同时CO₂废气又被血液运送到肺部，再经口、鼻腔排出体外。

细胞呼吸是由一系列生物化学反应组成的一个连续完整的代谢过程，每一步反应都需要特定的酶参与才能完成。在这一系列反应中，某一步化学反应得到的产物同时又是下一步反应的底物。根据产物的性质和反应在细胞中发生的部位，将细胞呼吸的化学过程分为三个阶段（图2－16）。

图2－16　细胞呼吸过程图解

（一）糖酵解（EMP）

糖酵解就是葡萄糖的分解，其最终产物是一种三碳酸——丙酮酸。糖酵解包括发生在细胞质中的多步生化反应（图2－17）。参与糖酵解的化合物包括：葡萄糖（食物分子）、ADP和磷酸、NAD＋（氢的载体）。另外，在糖酵解的起始阶段还需要消耗2分子ATP来启动整个葡萄糖的代谢过程。但在糖酵解的后期共可产出4分子ATP，特别是还形成了高能化合物NADH。糖酵解的总反应可表示如下。

总之，糖酵解在细胞质中将1个六碳的葡萄糖分解为2个三碳的丙酮酸，这一阶段净产生2个ATP，还生成2分子NADH，糖酵解过程不需要氧参与。

图2－17　糖酵解途径

糖酵解中每个葡萄糖分子所产生的2个ATP分子只是细胞从每个葡萄糖分子所能获取的能量的6%左右。这对于一般细胞的能量需求是远远不够的，只有在一些特殊情况下，例如，酵母细胞在无氧条件下存活时才利用这么少的能量。

（二）柠檬酸循环

糖酵解是在细胞质中发生的，其最终产物丙酮酸会经过扩散作用进入线粒体。柠檬酸循环是在线粒体中发生的，但是丙酮酸并不能直接参与柠檬酸循环，而是先氧化脱羧释放出1分子CO₂，剩余的二碳片段与维生素来源的辅酶A结合形成二碳的乙酰辅酶A（乙酰CoA），同时NAD＋接受该反应放出的氢和电子，形成NADH。乙酰CoA是柠檬酸循环中的高能分子，在线粒体中，实际上只有乙酰CoA乙酰基（二碳部分）与四碳的草酰乙酸反应生成了六碳的柠檬酸，才开始循环反应，CoA片段脱下后又成为上一步骤的反应物。接下来，柠檬酸继续氧化，通过多步反应，逐步脱去2个羧基碳，又形成四碳的草酰乙酸，由此完成了一轮循环（图2－18）。这个循环又称Krebs循环，是英国科学家克雷布斯（Hans Krebs）于20世纪30年代发现的。

每一轮柠檬酸循环产生1个ATP、3个NADH和1个FADH2。一个葡萄糖分子产生2个乙酰CoA，所以一个葡萄糖分子在柠檬酸循环中要产生2个ATP、6个NADH和2个FADH2。与糖酵解相比，柠檬酸循环所产生的高能分子要多得多。

图2－18　柠檬酸循环

（三）电子传递链和氧化磷酸化

葡萄糖经过糖酵解和柠檬酸循环被氧化分解成CO₂，产生的能量一部分直接形成了ATP，一部分保留在NADH和FADH2中。在细胞呼吸的第三阶段，电子传递链就是通过一系列的氧化还原反应，将高能电子从NADH和FADH2最终传递给分子氧（图2－19），同时伴随着电子能量水平的逐步下降，高能电子所释放的化学能就通过磷酸化途径储存到ATP分子中。

电子传递链又称呼吸链，是典型的多酶体系。电子传递链的主要成分是线粒体内膜上的蛋白复合物，这些复合物包含了一系列的电子传递体如黄素腺嘌呤单核苷酸（FMN）、辅酶Q（CoQ）、各种细胞色素分子（Cyt）等。每一个电子传递体从上游（较高能量水平）的相邻电子传递体接受电子后呈还原态，当它把电子再传递给下游相邻的电子传递体时，它又转变成氧化态。分子氧是电子传递链中最后的电子受体，当电子经上述电子传递体最终传到分子氧（1/2O₂）时，它便结合周围溶液的2个H＋形成了细胞呼吸的最终产物H2O了。2个电子从最上游的NADH经呼吸链传递到分子氧，释放出的能量可形成2．5个ATP（以前认为是3个）；2个电子从最上游的FADH2经呼吸链传递到分子氧，释放出的能量可形成1．5个ATP（以前认为是2个）。由于线粒体内膜上发生的磷酸化作用与氧化作用偶联，所以这一过程又称为氧化磷酸化（图2－20）。

图2－19　化学能通过磷酸化途径储存到ATP分子中

图2－20　线粒体的氧化磷酸化

一个葡萄糖分子经过上述的细胞呼吸全过程，共生成多少个ATP分子呢？具体统计如下。

糖酵解：底物水平的磷酸化4ATP（细胞质）……………………………………………

己糖分子活化消耗－2ATP（细胞质）…………………………………………………

产生2NADH，经过电子传递链生成3或5ATP（线粒体）……………………………

净积累5或7ATP………………………………………………………………………

丙酮酸氧化脱羧：产生2NADH（线粒体），生成5ATP…………………………………

柠檬酸循环：底物水平磷酸化（线粒体）2ATP…………………………………………

产生6NADH（线粒体），可生成15ATP…………………………………………………

产生2FADH2（线粒体），可生成3ATP…………………………………………………

总计生成…………………………………………………30或32ATP

一分子葡萄糖经过有氧呼吸共形成30或32个ATP。整个有氧呼吸过程净产生30还是32个ATP取决于糖酵解阶段产生于细胞质中的NADH穿过线粒体膜进入呼吸链时是否消耗能量。按甘油磷酸穿梭穿过线粒体膜需要消耗2分子ATP，按苹果酸－天冬氨酸循环则不需要消耗ATP。

这30或32个ATP是理论值，实际情况往往少于这个数字。在无氧条件下，柠檬酸循环和电子传递都不可能发生。

（四）发酵作用

细菌和酵母等微生物在无氧条件下，酶促降解糖分子产生能量的过程称为发酵。

1．酒精发酵

葡萄糖经糖酵解产生的丙酮酸，在细胞内的丙酮酸脱氢酶和乙醇脱氢酶的催化下，最终生成酒精，其反应式如下：

酒精发酵的产物乙醇中仍含有许多能量，在有氧条件下可继续被利用。但无氧条件下，乙醇就积累起来，而乙醇对细胞是有毒的，积累到一定浓度时细胞就会死亡。

2．乳酸发酵

葡萄糖经糖酵解产生的丙酮酸，在乳酸脱氢酶的催化下，利用NADH使之还原生成乳酸，其反应式如下：

乙醇发酵和乳酸发酵所提供的可利用能量只是在糖酵解阶段净得的2分子ATP。葡萄糖分子中原有的大部分键能则存留在酒精或乳酸中。因此，发酵是产生ATP的一种低效途径。但是，乙醇发酵和乳酸发酵都有重要的用途。无氧呼吸对人体也有重要的生理意义。

（五）各种分子的分解

细胞呼吸的主要底物是葡萄糖，但是食物中并不存在多少游离的葡萄糖。食物中的主要成分是多糖、脂肪和蛋白质。我们获得能量的主要来源是淀粉和一些双糖（如蔗糖）以及脂肪和蛋白质。

图2－21为食物分解产生ATP的过程。食物中的多糖和其他糖类都会转变成葡萄糖而参与糖酵解。消化管中的酶会将淀粉水解，产生葡萄糖，葡萄糖被运入细胞后通过糖酵解和柠檬酸循环被分解。肝和肌细胞中储存的糖原也会被水解成葡萄糖。

蛋白质被用作能量来源时首先被分解为氨基酸，氨基酸去掉氨基后就转变为丙酮酸、乙酰辅酶A或柠檬酸循环中的一种酸，最终进入该循环。

脂肪是含能最多的分子，所以氧化时产生的ATP也最多。细胞先将脂肪水解为脂肪酸和甘油，然后使甘油转变为糖酵解的中间产物甘油醛－3－磷酸。脂肪酸则转变为乙酰辅酶A，然后参与柠檬酸循环。

图2－21　食物分解产生ATP的过程

二、光合作用

（一）光合作用的概念

绿色植物和某些原核生物利用太阳光将CO₂和H₂O转化成糖的过程叫光合作用。CO₂通过叶表皮的气孔进入植物体，水分则由根从土壤中吸收而来，二者在阳光作用下，在叶片中合成糖类并释放O₂。1941年，应用氧的重同位素（¹⁸O）标记H₂O或CO₂，证明了光合作用放出的氧来自CO₂而不是H₂O。这一实验使光合作用通式合理地表示为

光合作用对于整个生物界都有重要的意义。从物质转变和能量转换的过程来看，可以说光合作用是生物界最基本的物质代谢和能量代谢，它为地球上的绝大多数生物提供了最初的物质和能量来源。

（二）光合作用的简单机理

1．光合色素与光能的捕获

高等植物的叶绿体是由类囊体组成的膜器官，类囊体重叠组成基粒。类囊体是脂双层膜，光合色素位于类囊体膜上。高等植物叶绿体中所含的光合色素包括叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素。胡萝卜素和叶黄素都属于类胡萝卜素。叶绿素由卟啉环和叶醇组成，卟啉环的中央有一个镁原子。叶黄素的结构与β^－胡萝卜素十分接近，两者都属于光合作用的辅助色素。

根据功能不同，色素可分为两类：一类是作用中心色素，例如少数叶绿素a分子，它具有光化学活性，既能捕获光，又是光能的转换站；另一类是聚光色素，它只有收集光能的作用，将收集到的光能传到作用中心色素。绝大多数的色素（包括大部分叶绿素a和全部的叶绿素b、胡萝卜素、叶黄素）都属于聚光色素。光合色素吸收的日光波长在380～760 nm，对不同波长的光有不同的吸收强度。叶绿素a和叶绿素b各有两个吸收峰，一个位于蓝光区，另一个位于红光区，类胡萝卜素的吸收峰都位于蓝光区。上述色素均不吸收或很少吸收绿光，绿光被大量反射出来，因而植物是绿色的。

叶绿体中的光合色素不是随机分布的，而是有规律地组成许多特殊的功能单位，即光系统。每一光系统一般包含250～400个叶绿素和其他色素分子。光系统分为光系统Ⅰ和光系统Ⅱ两类，简称PSⅠ和PSⅡ。在PSⅠ中，有1～2个叶绿素a分子高度特化，其最大吸收峰为700nm，称为P₇₀₀，是PSⅠ的反应中心。PSⅡ的反应中心也是少数特化的叶绿素a分子，最大吸收峰为680nm，称为P₆₈₀。两个光系统之间由电子传递链连接（图2－22）。

图2－22　光合作用中的电子传递

2．光反应

光合作用的机理比较复杂，包括一系列的光化学步骤和物质转变，但并非任何过程都需要光。根据需光与否，可将光合作用分为两个阶段——光反应和暗反应。

光反应是光引起的光物理和光化学反应，是在叶绿体的类囊体片层膜中进行的。光照时，数以百计的聚光色素分子把大量的光能吸收、聚集，通过共振传导迅速传递到P₆₈₀和P₇₀₀分子，使之激发并释放高能电子。在PSⅠ中P₇₀₀分子释放的电子最后传递给电子传递体NADP＋，生成NADPH。与此同时在PSⅡ中，P₆₈₀分子释放的高能电子也在一系列电子传递体中传递，最后传给P₇₀₀，填补P₇₀₀的电子缺失。PSⅡ在吸收光子活化时产生一种强氧化剂，使水裂解放出电子，产生O₂和质子，电子用来填补P₆₈₀的缺失。这样两个光系统就合作完成了电子传递、水的裂解、O₂的释放和NADPH的生成。激发态电子沿传递链上的一系列电子受体传递并推动ADP变成ATP（光合磷酸化作用），这样光能就转换为活跃的化学能（图2－22）。

在光反应中，主要是叶绿体捕获光能并将能量用来合成NADPH和ATP等，在这一过程中产生了O₂，释放到体外。其总反应式可表示如下：

3．暗反应

暗反应是在叶绿体基质中进行的利用光反应捕获的能量（NADPH、ATP），将CO₂固定、还原成糖类的酶促反应，即将活跃的化学能转换为稳定的化学能，积存于有机物中的过程，也称为碳同化。这个过程不依赖于光照，无光、有光条件下都能够进行，与光无直接关系，所以叫暗反应。它利用光反应的产物NADPH和ATP作为能源，使CO₂还原成糖类，同时NADPH再被氧化成NADP＋，而ATP再次分解为ADP和磷酸。暗反应可以用以下通式表示：

CO₂＋NADPH＋H^＋→C₆H₁₂O₆＋NADP^＋＋ADP＋Pi

现已阐明高等植物的碳同化有三条途径，即C₃途径、C₄途径和CAM途径。其中C₃途径是碳同化最重要、最基本的途径，只有这条途径才具有合成淀粉等有机物的能力。其他两条途径只能起固定和转运CO₂的作用，不能单独形成淀粉等产物。

（1）C₃途径　C₃途径是所有植物进行光合碳同化所共有的基本途径，它包括一系列复杂的反应，可概括为三个阶段，即羧化、还原和RuBP再生阶段（图2－23）。这个过程是美国科学家卡尔文（M．Calvin）等人在20世纪40年代至50年代阐明的，所以也称为卡尔文循环。

图2－23　C₃途径（卡尔文循环）

①羧化阶段：在叶绿体基质中的CO₂羧化酶（1，5－二磷酸核酮糖羧化酶，Rubisco）作用下，CO₂与1，5－二磷酸核酮糖（简称RuBP）分子结合，进而形成两分子3－磷酸甘油酸（一种三碳化合物）。

②还原阶段：在ATP和NADPH的参与下，经过磷酸化和脱氢两步反应将3－磷酸甘油酸还原为3－磷酸甘油醛。

③RuBP再生阶段：通过一系列复杂的酶促反应，3－磷酸甘油醛一部分形成糖类和细胞内的其他成分，大部分又重新转变为RuBP，继续进行CO₂的固定、还原等一系列反应，使循环重复进行。

因此，C₃途径的产物是3－磷酸甘油醛（三碳的丙糖），再由2个3－磷酸甘油醛分子化合成己糖，这一循环需要3次才能固定3分子CO₂，生成6个3－磷酸甘油醛，其中1个用来合成糖类，这1个是净收入，其余5个用来产生3分子RuBP保证再循环。总之，C₃途径是以光反应合成的ATP及NADPH为动力，推动CO₂的固定还原。每循环一次只能固定1个CO₂分子，循环6次才能把6个CO₂分子同化为一个己糖分子。

（2）C₄途径　20世纪60年代发现，某些热带或亚热带起源的植物中，除了具有C₃途径外，还存在着另一个独特的固定CO₂的途径，它们固定CO₂的最初产物是草酰乙酸（四碳化合物），所以称为C₄途径。草酰乙酸后来转变为C₄酸（苹果酸或天冬氨酸），C₄酸转移到维管束鞘细胞，维管束鞘细胞中的C₄酸脱羧产生CO₂，CO₂通过C₃途径还原为糖类。具有这种途径的植物称为C₄植物，如甘蔗、玉米、高粱等。C₄植物的叶脉周围有一圈含叶绿体的维管束鞘细胞，其外面又有环列着的叶肉细胞，C₄植物对CO₂的固定是由这两类细胞密切配合而完成的，其利用CO₂的效率特别高，即使CO₂浓度很低时，也可固定CO₂。因此，这类植物积累干物质的速度很快，为高产型植物。

（3）CAM途径　生长在干旱地区的景天科等肉质植物的叶子，气孔白天关闭，夜间开放，因而夜间吸入CO₂，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）的催化下，与磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）结合，生成草酰乙酸，进一步还原为苹果酸。白天CO₂从储存的苹果酸中经氧化脱羧释放出来，参与C₃途径，形成淀粉等。所以这类植物在夜间有机酸含量很高，而糖含量下降；白天则相反，有机酸含量下降，而糖分增多。这种有机酸日夜变化的类型，称为景天科酸代谢（CAM），具有景天科酸代谢的植物称为CAM植物，如景天、落地生根等。CAM途径与C₄途径相似，只是CO₂固定与光合作用产物的生成在时间及空间上和C₄途径不同而已。

植物通过以上三种途径利用CO₂和水合成糖类。光合作用中从CO₂到己糖的总反应式可表示如下：

6CO₂＋12NADPH＋12H^＋＋18ATP＋12H₂→C₆H₁₂O₆＋12NADP^＋＋18ADP＋17Pi

（三）光呼吸

光呼吸是指绿色植物在光照条件下，吸收O₂、释放CO₂的呼吸过程。叶绿体中的1，5－二磷酸核酮糖羧化酶具有双重作用，既能催化CO₂与RuBP结合，又能催化O₂与RuBP结合。在CO₂浓度低、O₂浓度高时，此酶催化O₂与RuBP结合生成三碳的3－磷酸甘油酸和二碳的2－磷酸乙醇酸，后者水解生成乙醇酸和无机磷酸，乙醇酸进入过氧化物酶体被氧化，氧化产物进入线粒体释放出CO₂，这就是光呼吸的全过程。

光呼吸与一般生活细胞的呼吸作用显著不同，是在光刺激下释放CO₂的现象，它往往将已固定的大约30%的碳又变成CO₂释放出去，所放出的能量也不能以ATP的形式储存起来，而是以热的形式散失掉，是一个消耗光合产物的过程，对光合产物的积累很不利。但光呼吸对植物本身可能具有一定的积极意义。

三、生物固氮

某些微生物可利用ATP和NADPH将空气中游离的N₂固定转化为含氮化合物，这一过程称为生物固氮。

生物固氮主要是由三类微生物来完成的。一类是自生固氮微生物，包括一些细菌和蓝藻。另一类是与其他植物（宿主）共生的微生物，例如与豆科植物共生的根瘤菌，与非豆科植物共生的放线菌，以及与水生蕨类满江红共生的鱼腥藻等，其中，根瘤菌最重要。第三类是联合固氮微生物，必须生活在植物的根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮，如固氮螺菌、雀稗固氮菌等，这些固氮微生物和植物之间具有一定的专一性，但是不形成根瘤那样的特殊结构。

生物固氮至少需要以下几个条件：ATP，这些能量来自氧化磷酸化或光合磷酸化；还原力及其载体，在体内进行固氮时，还需要一些特殊的电子传递体，其中主要的是铁氧还蛋白和黄素氧还蛋白，铁氧还蛋白和黄素氧还蛋白的电子供体来自NADPH，受体是固氮酶；固氮酶，其结构比较复杂，由铁蛋白和钼铁蛋白两个组分组成；Mg^2＋；严格的厌氧微环境。

生物固氮过程见图2－24。