糖的有氧氧化《玩转太极拳之二十四式》作者龙殿法的生物化学笔记
糖的有氧氧化
机体利用氧将葡萄糖彻底氧化成如CO2和H2O的反应过程称为糖的有氧氧化。有氧氧化是体内糖分解供能的主要方式，绝大多数细胞都通过它获得能量。在肌组织中葡萄糖通过无氧氧化所生成的乳酸，也可作为运动时机体某些组织（如心肌）的重要能源，彻底氧化生成CO2和H2O，提供较为充足的能量。
一、糖的有氧氧化分为三个阶段
糖的有氧氧化分为三个阶段:第一阶段葡萄糖在细胞质中经糖酵解生成丙酮酸;第二阶段丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA；第三阶段乙酰CoA进入三梭酸循环，并偶联进行氧化磷酸化。第一阶段反应如前所述，氧化磷酸化将在第六章中讨论。在此主要介绍丙酮酸氧化脱羧和三羧酸循环的反应过程。
（一）葡萄糖经糖酵解生成丙酮酸
同糖无氧氧化的第一阶段。
（二）丙酮酸进入线粒体氧化脱恣生成乙酰CoA
丙酮酸在线粒体经过5步反应氧化脱梭生成乙酰CoA，总反应式为：
丙酮酸+NAD+ + HS-CoA→乙酰COA+NADH+H+ + CO2
此反应由丙酮酸脱氢酶复合体催化。在真核细胞中，该酶复合体存在于线粒体中,是由丙酮酸脱氢酶(E1)、二氢硫辛酰胺转乙酰酶(E2)和二氢硫辛酰胺脱氢酶(E3)按一定比例组合而成的。在哺乳动物细胞中,丙酮酸脱氢酶复合体由60个E2组成核心,周围排列着6个E3、20或30个E1。参与反应的辅因子有焦磷酸硫胺素(TPP)、硫辛酸、FAD、NAD+和CoA。二氢硫辛酰胺转乙酰酶的辅因子是硫辛酸和CoA,其中硫辛酸是带有二硫键的八碳羧酸,通过与转乙酰酶的赖氨酸残基的ε-氨基相连,形成与酶结合的硫辛酰胺而成为酶的柔性长臂,可将乙酰基从酶复合体的一个活性部位转到另一个活性部位。丙酮酸脱氢酶的辅因子是TPP,二氢硫辛酰胺脱氢酶的辅因子是FAD、NAD。
丙酮酸脱氢酶复合体催化的反应分为5步：①由丙酮酸脱氢酶(E1)催化,丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP-E1。TPP噻唑环上的N与S之间活泼的碳原子可释放出H+,而成为负碳离子,与丙酮酸的羰基作用,使丙酮酸脱羧产生CO2,同时形成羟乙基-TPP。②由二氢硫辛酰胺转乙酰酶(E2)催化,使羟乙基TPP-E1上的羟乙基被氧化成乙酰基,同时转移给硫辛酰胺,形成乙酰硫辛酰胺-E2。③二氢硫辛酰胺转乙酰酶(E2)继续催化,使乙酰硫辛酰胺上的乙酰基转移给CoA生成乙酰CoA后,离开酶复合体,同时氧化过程中的2个电子使硫辛酰胺还原生成二氢硫辛酰胺。④由二氢硫辛酰胺脱氢酶(E3)催化,二氢硫辛酰胺脱氢重新生成硫辛酰胺,以进行下一轮反应,同时将氢传递给FAD,生成FADH2⑤由二氢硫辛酰胺脱氢酶(E3)继续催化,将FADH2上的氢转移给NAD,形成NADH+H+。
在整个反应过程中，中间产物并不离开酶复合体，这就使得上述各步反应得以迅速完成，而且因没有游离的中间产物，所以不会发生副反应。丙酮酸氧化脱狡反应是不可逆的。
乙酰COA经三猿酸循环及氧化磷酸化提供能量
（三）三羧酸循环的第一步是由乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成6个碳原子的柠檬酸，然后柠檬酸经过一系列反应重新生成草酰乙酸，完成一轮循环。经过一轮循环，发生2次脱羧反应，释放2分子CO2；发生1次底物水平磷酸化，生成1分子GTP（或ATP）;有4次脱氢反应，氢的接受体分别为NAD+或FAD，生成3分子NADH+H+和1分子FADH2，它们既是三羧酸循环中脱氢酶的辅因子，又是电子传递链的第一个环节。电子传递链由一系列氧化还原体系组成，它们的功能是将H+或电子依次传递至氧，生成水。在H+或电子沿电子传递链传递过程中逐步释放能量，同时伴有ADP磷酸化生成ATP，即氧化与磷酸化反应是偶联在一起的。
二、三羧酸循环使乙酰CoA彻底氧化
三羧酸循环（TCA）亦称柠檬酸循环，是线粒体内一系列酶促反应所构成的循环反应体系，由于其第一个中间产物是含有3个羧基的柠檬酸而得名。因为该学说由Krebs正式提出，亦称为Krebs循环。
（一）三羧酸循环由八步反应组成
乙酰CoA经三羧酸循环分解时，共经历8步反应，主要涉及4次脱氢、2次脱羧和1次底物水平磷酸化。
1、乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸 此为三梭酸循环的第一个限速步骤，由柠檬酸合酶催化，1分子乙酰CoA与1分子草酰乙酸缩合生成柠檬酸，缩合反应所需能量来自乙酰CoA的高能硫酯键。由于高能硫酯键水解时可释放较多的自由能，故为不可逆反应。柠檬酸合酶对草酰乙酸的Km很低，即使线粒体内草酰乙酸的浓度很低，反应也能够迅速进行。
2、柠檬酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸 柠檬酸与异柠檬酸的异构化可逆互变反应由顺乌头酸酶催化，将C3上的羟基移至C2上。反应的中间产物顺乌头酸与酶结合在一起，以复合物的形式存在。
3.异柠檬酸氧化脱羧转变为α-酮戊二酸 异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶催化下氧化脱羧产生CO2,脱下的氢由NAD+接受,生成NADH+ H+,其余碳链骨架部分转变为α-酮戊二酸。这是三羧酸循环中的第一次氧化脱羧反应,也是第二个限速步骤,反应不可逆,释出的CO2可被视作乙酰CoA的1个碳原子氧化产物。
4、α-酮戊二酸氧化脱蔑生成琥珀酰COA α-酮戊二酸继续发生氧化脱液产生CO2，脱下的氢由NAD+接受，生成NADH+H+。其余碳链骨架部分转变为琥珀酰CoA，它含有高能硫酯键。催化此反应的酶是α-酮戊二酸脱氢酶复合体，其组成和催化反应过程与丙酮酸脱氢酶复合体类似，这就使α-酮戊二酸的脱羧、脱氢、形成高能硫酯键等反应可迅速完成。此为三羧酸循环中的第二次氧化脱羧反应，也是第三个限速步骤，反应不可逆，释出 的CO2可被视作乙酰CoA的另1个碳原子氧化产物。
5.琥珀酰CoA合成酶催化底物水平磷酸化反应 琥珀酰CoA含有高能硫酯键。它水解生成琥珀酸的同时,与核苷二磷酸的磷酸化偶联,生成髙能磷酸键,反应是可逆的。这是三羧酸循环中唯一的底物水平磷酸化反应,由琥珀酰CoA合成酶催化。该酶在哺乳动物体内有两种同工酶,分别以GDP或ADP作为辅因子,生成GTP或ATP,两者具有不同的组织分布特点,与不同组织的代谢偏好相适应。
6.琥珀酸脱氢生成延胡索酸 反应由琥珀酸脱氢酶催化。该酶结合在线粒体内膜上,是三羧酸循环中唯一与内膜结合的酶,其辅因子是FAD。反应脱下的氢由FAD接受,生成FADH2,经电子传递链被氧化,生成1.5分子ATP。
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、苹果酸脱氢生成草酰乙酸 在苹果酸脱氢酶催化下，苹果酸脱氢生成草酰乙酸。脱下的氢由NAD+接受，生成NADH+H+。在细胞内草酰乙酸不断地被用于柠檬酸合成，故这一可逆反应向生成草酰乙酸的方向进行。
三羧酸循环的上述八步反应过程主要特点是:①4次脱氢生成3分子NADH和1分子FADH2。三羧酸循环中,从乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸开始,反复地进行脱氢氧化,4次脱氢反应中的3次由NAD+接受生成3分子NADH+H+,1次由FAD接受生成1分子FADH2。这4分子还原当量将电子传给氧时,才能生成ATP。②2次脱羧生成2分子CO2。1分子乙酰CoA进入三羧酸循环后,中间产物三羧酸和二羧酸通过脱羧方式共生成2分子CO2,这是体内CO2的主要来源。③1次底物水平磷酸化生成1分子GTP(或ATP)。三羧酸循环每进行一轮,底物水平磷酸化只能发生1次,故不是线粒体内的主要产能方式。
值得注意的是，每一次三羧酸循环消耗1分子乙酰CoA（2个碳），释出2分子CO2，但并非直接将乙酰CoA的2个碳原子氧化。用14C标记乙酰CoA进行的实验观察到，脱梭生成的2个CO2的碳原子来自草酰乙酸而不是乙酰CoA，这是由于中间反应过程中碳原子置换所致。因此，每进行一轮三羧酸循环，最后再生的草酰乙酸的碳架就被更新一半，但其含量并没有增减。
另外，三羧酸循环的各种中间产物本身并无量的变化，不可能通过三羧酸循环从乙酰CoA合成草酰乙酸或其他中间产物；同样，这些中间产物也不可能直接在三羧酸循环中被氧化成CO2和H2O。三羧酸循环中的草酰乙酸主要来自丙酮酸的直接羧化，也可通过苹果酸脱氢生成，两者的根本来源都是葡萄糖。
（二）三羧酸循环在三大营养物质代谢中占核心地位
1、三羧酸循环是三大营养物质分解产能的共同通路 糖、脂肪、氨基酸都是能源物质，它们在体内分解最终都将产生乙酰CoA，然后进入三羧酸循环彻底氧化。三羧酸循环中，只有一个底物水平磷酸化反应生成高能磷酸键，因此三羧酸循环本身并不是直接释放能量、生成ATP的主要环节，而是通过4次脱氢反应提供足够的还原当量，以便进行后续的电子传递过程和氧化磷酸化反应生成大量ATP。
2、三羧酸循环是糖、脂肪、氨基酸代谢联系的枢纽 三大营养物质通过三羧酸循环在一定程度上相互转变。例如，饱食时糖可以转变成脂肪，其中柠檬酸发挥重要枢纽作用。葡萄糖分解成丙酮酸后，进入线粒体内氧化脱梭生成乙酰CoA，乙酰CoA必须再转移到细胞质以合成脂肪酸。由于乙酰CoA不能通过线粒体内膜，于是它先与草酰乙酸缩合成柠檬酸，再通过载体转运至细胞质，在柠檬酸裂解酶作用下裂解释放出乙酰CoA和草酰乙酸，然后乙酰CoA可作为细胞质中脂肪酸合成及胆固醇合成的原料。
又如，绝大部分氨基酸可以转变成糖。许多氨基酸的碳架是三撥酸循环的中间产物，通过草酰乙酸可转变为葡萄糖。相反，糖也可通过三羧酸循环中的各中间产物接受氨基，从而合成非必需氨基酸如天冬氨酸、谷氨酸等。
三、糖的有氧氧化是糖分解供能的主要方式
糖的有氧氧化是产能的主要途径。三羧酸循环中4次脱氢反应产生的NADH和FADH2，通过电子传递链和氧化磷酸化生成大量ATP。线粒体内，每分子NADH的氢传递给氧时，可生成2.5分子ATP；每分子FADH2的氢则只能生成1.5分子ATP。加上底物水平磷酸化生成的1分子ATP，1分子乙酰CoA经三羧酸循环彻底氧化，共生成10分子ATP。若从丙酮酸脱氢开始计算，共产生12.5分子ATP。
此外，糖酵解中3-磷酸甘油醛在细胞质中脱氢生成的NADH，在氧供应充足时也要转运至线粒体内，经电子传递链和氧化磷酸化产生ATP。将NADH从细胞质运到线粒体的机制有两种，分别产生2.5分子或者1.5分子ATP。
综上，lmol葡萄糖彻底氧化生成CO2和H2O，可净生成30或32molATP。
总的反应为:葡萄糖+30/32ADP+30/32Pi+6O2→30/32ATP+6CO2+36H2O
四、糖的有氧氧化主要受能量供需平衡调节
机体对能量的需求变动很大，因此糖的有氧氧化作为主要产能途径，其代谢流量必须受到动态调节，才能维持体内的能量供需平衡。糖进行有氧氧化时，丙酮酸经三羧酸循环代谢的速率被两个阶段的关键酶所调节:一是调节丙酮酸脱氢酶复合体的活性，从而调控由丙酮酸生成乙酰CoA的速率;二是调节三较酸循环中的3个关键酶活性，从而调控乙酰CoA彻底氧化的速率。
（一）丙酮酸脱氢酶复合体调节乙酰CoA的生成速率
快速调节丙酮酸脱氢酶复合体的活性有两种方式:别构调节和化学修饰。诱发别构调节的主要因素包括:①细胞内能量状态:ATP别构抑制丙酮酸脱氢酶复合体，AMP则能将其激活。因此，ATP/AMP比值可动态调节此酶活性。能量缺乏时该比值降低，酶被激活;能量过剩时该比值升高，酶被抑制。②代谢产物生成量:丙酮酸脱氢酶复合体的反应产物乙酰CoA和NADH对其有别构抑制作用，而相应的底物CoA和NAD+则使之激活。当乙酰CoA/CoA比值升高、或NADH/NAD+比值升高时，此酶的活性被抑制。总之，丙酮酸脱氢酶复合体发生别构抑制的情况，可见于餐后糖分解过盛、或饥饿状态下大量脂肪酸氧化时，前者目的是避免糖分解产能过多造成浪费，后者目的是使大多数组织器官改用脂肪酸为能源，节约葡萄糖以确保对脑等重要组织的糖供给。
除别构调节外，丙酮酸脱氢酶复合体的活性还受到可逆的化学修饰调节。在丙酮酸脱氢酶激酶催化下，丙酮酸脱氢酶复合体可被磷酸化而失去活性;丙酮酸脱氢酶磷酸酶则使之去磷酸化而恢复活性。乙酰CoA和NADH除直接别构抑制丙酮酸脱氢酶复合体之外，也可间接通过增强丙酮酸脱氢酶激酶的活性而使该酶复合体失活。
（二）三羧酸循环的关键酶调节乙酰CoA的氧化速率
三羧酸循环有3步不可逆反应，分别由柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合体催化。三羧酸循环的速率主要取决于这些关键酶的活性，其中异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合体的活性调节更为重要，主要调节方式包括:①底物的别构激活作用：乙酰CoA和草酰乙酸作为柠檬酸合酶的底物，其含量随细胞代谢状态而改变，从而影响柠檬酸合成的速率。②产物的别构抑制作用:柠檬酸生成过剩时，反馈抑制柠檬酸合酶的活性;琥珀酰CoA和NADH作为直接产物和远端产物，分别抑制α-酮戊二酸脱氢酶复合体和柠檬酸合酶的活性。③能量状态的调节作用:ATP别构抑制柠檬酸合酶与异柠檬酸脱氢酶的活性;ADP则可将这两者别构激活。④Ca2+的激活作用：当线粒体内Ca2+浓度升高时，Ca2+不仅可直接与异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合体相结合，降低其对底物的Km而增强酶活性;也可激活丙酮酸脱氢酶复合体，从而增加丙酮酸经有氧氧化代谢的流量。
需要注意的是，柠檬酸的生成量和亚细胞分布，不仅调节三梭酸循环本身的速率，还可调节脂质合成的速率。当糖分解产能不足时,柠檬酸留在线粒体中,继续进行三羧酸循环分解供能;当糖分解产能过多时,柠檬酸可通过柠檬酸-丙酮酸循环转移至细胞质,裂解释出乙酰CoA作为合成原料,同时柠檬酸通过激活脂肪酸合成的关键酶,促进脂质合成。因此,柠檬酸是协同调节糖代谢和脂代谢的枢纽物质。
(三)糖的有氧氧化各阶段相互协调
糖进行有氧氧化时,各阶段的代谢速率调节并非彼此孤立,而是紧密联系、相互协调,这主要是因为其中的多种关键酶可被一些相同的别构剂所调节。
1.通过共同的代谢物别构调节各阶段的关键酶 在正常情况下,糖酵解和丙酮酸经三羧酸循环代谢的速度是相协调的。在糖酵解中产生了多少丙酮酸,三羧酸循环就正好需要多少丙酮酸来提供乙酰CoA。这种协调主要通过同一别构剂对多种关键酶的调节而实现:①柠檬酸别构剂:糖产能过多时，柠檬酸不仅在线粒体内抑制柠檬酸合酶，还可转运至细胞质抑制磷酸果糖激酶-1，从而使糖酵解和三羧酸循环同时受到负反馈调节。②NADH别构剂:线粒体内NADH不仅抑制丙酮酸脱氢酶复合体，还可抑制柠檬酸合酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体，从而使丙酮酸氧化脱羧和三梭酸循环受到协同的负反馈调节。此外，如果糖分解产生的大量NADH进入下游氧化磷酸化的代谢速度减慢，就会导致NADH积累，进而抑制上游丙酮酸的氧化分解。总之，在糖有氧氧化的所有阶段，糖酵解、丙酮酸氧化脱羧、三羧酸循环和氧化磷酸化的运行速率彼此配合、相互适应。
2.能量状态协同调节糖有氧氧化各阶段的关键酶 糖有氧氧化的调节是为了适应机体对能量的需要，为此，细胞内ATP/ADP或ATP/AMP比值同时调节糖的有氧氧化各阶段中诸多关键酶的活性，使其流量调控始终保持协调一致。当细胞消耗ATP时，引起ADP和AMP浓度升高，别构激活磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶、丙酮酸脱氢酶复合体、柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶以及氧化磷酸化的相关酶，加速进行有氧氧化以补充ATP。反之，当细胞内ATP充足时，上述酶的活性降低，从而减弱有氧氧化以避免浪费。
与ATP/ADP相比，ATP/AMP对有氧氧化的调节作用更为明显。这是因为ATP被水解成ADP后，ADP也被消耗，经腺苷酸激酶催化再生成一些ATP。因此，ATP和ADP的同时消耗，使得ATP/ADP的变化相对较小。而细胞内ATP的浓度约为AMP的50倍，由于AMP的浓度很低，所以每生成1分子AMP，ATP/AMP的变动就比ATP/ADP的变动大得多，从而发挥更有效的调节作用。
五、糖氧化产能方式的选择有组织偏好
对于存在线粒体的细胞，利用葡萄糖分解产能时选择有氧氧化还是无氧氧化，主要取决于不同类型组织器官的代谢特点。例如，肌组织在有氧条件下，糖的有氧氧化活跃，而无氧氧化则受到抑制，这一现象称为巴斯德效应。该效应最初在酵母菌中被发现，无氧时酵母菌进行生醇发酵（无氧氧化），将其转移至有氧环境后，生醇发酵即被抑制。肌组织发生巴斯德效应的机制是，细胞质 中糖酵解所产生NADH的去路，决定了酵解产物丙酮酸的代谢去向。有氧时，细胞质中NADH一旦产生立即进入线粒体内氧化，糖酵解最后生成的丙酮酸也就接着运入线粒体进行有氧氧化;缺氧时，NADH留在细胞质，以丙酮酸为受氢体，使之还原生成乳酸。因此，糖的有氧氧化可抑制糖的无氧氧化。
又如，增殖活跃的组织（如肿瘤）即使在有氧时，葡萄糖也不被彻底氧化，而是被分解生成乳酸，此现象称为瓦伯格效应。一般来说，无氧氧化时的葡萄糖消耗量显著多于有氧氧化，这是因为无氧氧化产能偏少，ATP/ADP比值相对较低，对磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶的激活作用显著，从而使无氧分解的葡萄糖更多。瓦伯格效应使肿瘤细胞获得生存优势，其重要原因之一是无氧氧化可避免将葡萄糖全部分解成CO2，从而为肿瘤快速生长积累大量的生物合成原料。肿瘤的这一代谢特征已成为疾病诊治的新依据和突破点。