糖的有氧氧化过程及其能量供应

葡萄糖或糖原在有氧的条件下彻底氧化成水和二氧化碳的反应过程称为有氧氧化（aerobic oxidation）。绝大多数组织细胞能进行糖的有氧氧化，这是机体获取能量的主要方式。

（一）有氧氧化反应过程

糖有氧氧化的过程分为3个阶段。第一阶段：葡萄糖或糖原在细胞液循酵解途径分解成丙酮酸；第二阶段：丙酮酸进入线粒体，氧化脱羧生成乙酰辅酶A；第三阶段：乙酰辅酶A经三羧酸循环彻底氧化成二氧化碳、水并产生ATP。第一阶段反应见糖酵解所述，在此主要介绍第二和第三阶段。

1.第二阶段：丙酮酸氧化脱羧　在丙酮酸脱氢酶复合体催化下，进入线粒体的丙酮酸氧化脱羧，生成乙酰辅酶A。该复合体是由丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸转乙酰基酶和二氢硫辛酸脱氢酶按一定比例组合而成的多酶体系，需要5种维生素组成的5种辅酶参与。总反应式为：

知识小贴士

Hans Adolf Krebs（1900～1981），在德国出生的英籍生物化学家。1932年，他与同事共同发现了鸟氨基酸循环，阐明了人体内尿素的生成途径。1937年他通过总结前人经验及一系列实验提出了三羧酸循环，后来发现这一循环途径在动植物、微生物细胞中普遍存在，不仅是糖分解代谢的主要途径，也是蛋白质、脂肪分解代谢的最终途径。三羧酸循环的发现被公认为代谢研究的里程碑。为此，1953年Krebs与美国生化学家F·A·李普曼一起荣获诺贝尔生理学、医学奖，并被称为能量循环之父。

在这个酶促反应中，硫胺素焦磷酸酯（TPP）是丙酮酸脱氢酶的辅酶，含维生素B1；硫辛酸及辅酶A（HS-CoA）是二氢硫辛酸转乙酰基酶的辅酶，辅酶A含有泛酸；FAD及NAD+是二氢硫辛酸脱氢酶的辅酶，含维生素B2和维生素PP。详细反应步骤如图16-2所示。

2.第三阶段：三羧酸循环　三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TAC）亦称柠檬酸循环或Krebs循环，是在细胞线粒体内由乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸开始，经过一系列的氧化脱羧反应，最终再生成草酰乙酸而构成的循环过程。

（1）柠檬酸的形成：乙酰CoA与草酰乙酸缩合成含三个羧基的柠檬酸。反应由柠檬酸合酶催化，缩合反应所需能量来自乙酰CoA的高能硫酯键的水解。由于高能硫酯键水解时可释放较多的自由能，使反应成为单向、不可逆反应。而且柠檬酸合酶对草酰乙酸的Km很低，所以即使线粒体内草酰乙酸的浓度很低（约为10mmol/L），反应也得以迅速进行。此反应是三羧酸循环的第一个不可逆反应，柠檬酸合酶是三羧酸循环的关键酶之一。反应式如下：

图16-2　丙酮酸氧化脱羧作用

（2）异柠檬酸的生成：由顺乌头酸酶催化柠檬酸与异柠檬酸异构互变，先脱水生成顺乌头酸，再加水生成异柠檬酸。反应式如下：

（3）第一次氧化脱羧：在异柠檬酸脱氢酶作用下，异柠檬酸脱氢脱羧转变成α-酮戊二酸，辅酶NAD+接受氢成为NADH+H+。异柠檬酸脱氢酶是三羧酸循环最主要的关键酶，催化的反应不可逆。反应式如下：

（4）第二次氧化脱羧：α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA。α-酮戊二酸氧化脱羧时释放的自由能很多，足以形成一高能硫酯键。此反应不可逆，也是一个关键步骤，由α-酮戊二酸脱氢酶复合体催化，其组成和反应步骤类似丙酮酸脱氢酶复合体。反应式如下：

（5）琥珀酸的生成：琥珀酰CoA受琥珀酸硫激酶（琥珀酰CoA合成酶）催化，将高能硫酯键的能量转移给GDP生成GTP，自身转变成琥珀酸，这是三羧酸循环中唯一的底物水平磷酸化步骤。GTP能把高能键转移，生成ATP，反应可逆进行。反应式如下：(www.xing528.com)

（6）琥珀酸氧化生成延胡索酸：在琥珀酸脱氢酶作用下，琥珀酸脱氢交给FAD生成FADH2，而自身转变成延胡索酸，反应能可逆进行。反应式如下：

（7）延胡索酸加水成为苹果酸：延胡索酸酶催化此可逆反应。反应式如下：

（8）苹果酸氧化为草酰乙酸：苹果酸脱氢酶的辅酶是NAD+，接受苹果酸的氢还原成NADH+H+，苹果酸则转变为草酰乙酸完成一次三羧酸循环。反应式如下：

三羧酸循环运转1周，是从2碳乙酰辅酶A与4碳草酰乙酸缩合为6碳柠檬酸开始，历经多步反应，以草酰乙酸再生结束循环。整个循环实质上是氧化了1分子的乙酰基。循环有2次脱羧生成2分子CO2，4次脱氢生成3分子NADH+H+和1分子FADH2。NADH+H+和FADH2经电子传递链传递，氢与氧结合成水并释放能量。每2H经NADH氧化呼吸链传递产生2.5分子ATP，而经琥珀酸氧化呼吸链传递产生1.5分子ATP。循环中还有一次底物水平磷酸化生成1分子ATP，故1分子乙酰辅酶A经三羧酸循环彻底氧化产生10分子ATP。将三羧酸循环反应归纳如图16-3所示。

三羧酸循环的中间产物包括草酰乙酸在内起着催化剂的作用，本身并无量的变化。不可能通过三羧酸循环从乙酰辅酶A合成草酰乙酸或三羧酸循环中的其他中间产物；同样，这些中间产物也不可能直接在三羧酸循环中被氧化为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获得。

（二）有氧氧化生理意义

（1）糖有氧氧化是机体供能的主要途径。1分子葡萄糖经有氧氧化生成CO2和H2O，能净生成32（或30）分子的ATP（表16-1）。体内很多组织依靠糖的有氧氧化获取能量。如脑组织是一个耗能和耗氧较多的器官，主要靠糖有氧氧化为其供能，以维持脑的重要功能。

图16-3　三羧酸循环

表16-1　葡萄糖有氧氧化生成的ATP

*：NADH+H+经苹果酸穿梭进入线粒体产生2.5个ATP；如经磷酸甘油穿梭进入线粒体，则产生1.5个ATP

（2）三羧酸循环是糖、脂肪及蛋白质彻底氧化的共同途径。糖、脂肪与氨基酸的分解代谢均可生成乙酰CoA，进入三羧循环彻底氧化成H2O、CO2及产生ATP。

（3）三羧酸循环是糖、脂肪及氨基酸代谢联系的枢纽。如糖代谢的中间产物α-酮戊二酸、丙酮酸和草酰乙酸通过还原氨基化作用能生成谷氨酸、丙氨酸和天冬氨酸；糖代谢中间产物乙酰CoA是合成脂肪酸的原料；脂肪代谢的中间产物甘油可异生为糖，乙酰CoA则可进入三羧酸循环氧化；氨基酸代谢的产物α-酮酸也可异生为糖。故糖、脂肪与氨基酸能通过三羧酸循环互相转变及代谢。

（4）三羧酸循环的中间成分可用于其他物质的合成，如琥珀酰CoA是合成血红素的原料。