糖的氧化反应过程-生物化学第2版

糖有氧氧化的反应过程可分为3个阶段：第一阶段为葡萄糖经糖酵解转变成丙酮酸，其过程与糖酵解反应完全一样，不同的是NADH+H+的去向不同；第二阶段为丙酮酸进入线粒体，氧化脱羧生成乙酰CoA（acetyl-CoA）；第三阶段为乙酰CoA经三羧酸循环及氧化磷酸化彻底氧化生成CO2、H2O和ATP。氧化磷酸化将在第六章生物氧化中介绍。在此主要阐述线粒体中进行的丙酮酸氧化脱羧和三羧酸循环反应。

（一）丙酮酸的生成

葡萄糖转变为丙酮酸的反应过程见前述的糖酵解，但是，在有氧条件下，3-磷酸甘油醛脱氢酶催化反应生成的NADH+H+经穿梭机制转运到线粒体，通过呼吸链传递，氧化磷酸化生成H2O和ATP（参见第六章生物氧化）。

（二）丙酮酸的氧化脱羧

在有氧的状态下，丙酮酸进入线粒体内氧化脱羧生成乙酰CoA。

丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA的反应是连接糖酵解和三羧酸循环的重要反应。催化丙酮酸氧化脱羧反应的酶是丙酮酸脱氢酶复合体（pyruvate dehydrogenase complex）。丙酮酸脱氢酶复合体是由丙酮酸脱氢酶（pyruvate dehydrogenase，E1），二氢硫辛酸转乙酰酶（dihydrolipoyl transacetylase，E2）和二氢硫辛酸脱氢酶（dihydrolipoyl dehydrogenase，E3）组成，但复合体中酶组分的比例因物种不同而异。哺乳类动物丙酮酸脱氢酶复合体的组成见表4-2。硫辛酸是含有二硫键的八碳羧酸，属于水溶性B族维生素。

表4-2　哺乳类动物丙酮酸脱氢酶复合体

丙酮酸脱氢酶复合体的作用机制为：①丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP，TPP噻唑环上的活泼的碳原子与丙酮酸上的羰基作用产生CO2，同时形成羟乙基-TPP。②羟乙基-TPP-E1上的羟乙基在二氢硫辛酸转乙酰酶（E2）催化下被氧化成乙酰基，与此同时，硫辛酸变成乙酰硫辛酸-E2。③乙酰硫辛酸上的乙酰基在二氢硫辛酸转乙酰酶（E2）的催化下转给HSCoA生成乙酰CoA，同时硫辛酸上的二硫键还原为2个巯基。④二氢硫辛酸在二氢硫辛酸脱氢酶（E3）的作用下脱氢重新生成硫辛酸，同时将氢传递给FAD，生成FADH2。⑤FADH2在二氢硫辛酸脱氢酶（E3）催化下，将氢转移给NAD+，形成NADH+H+（图4-6）。

（三）三羧酸循环

三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA cycle）或柠檬酸循环（citric acid cycle）的名称源自第一个中间产物是三羧酸或含有三个羧基的柠檬酸，该循环由Krebs提出，故又称为Krebs循环（Krebs cycle）。三羧酸循环是指由乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸开始，经过4次脱氢、2次脱羧，生成4对还原当量和2分子CO2，再生成草酰乙酸的循环反应过程。

图4-6　丙酮酸脱氢酶复合体的作用机制

1.三羧酸循环的反应过程

（1）柠檬酸的生成：在柠檬酸合酶（citrate synthase）催化下，乙酰CoA（C2化合物）的乙酰基与草酰乙酸（C4化合物）缩合生成柠檬酸（C6化合物），释放出HSCoA。这一缩合反应所需的能量来自乙酰CoA的高能硫酯键的水解。柠檬酸的合成反应为不可逆的反应。

（2）柠檬酸异构为异柠檬酸：这一可逆的异构反应由顺乌头酸酶（aconitase）催化。原本在C-3上的羟基转到C-2上，作为反应的中间产物顺乌头酸（cis-aconitic acid）是与酶结合成复合物的形式存在。

（3）异柠檬酸氧化脱羧：在异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase）作用下，异柠檬酸氧化脱羧而转变为α-酮戊二酸（α-ketoglutaric acid），在这一不可逆的反应中，NAD+作为受氢体接受脱下的氢，生成NADH+H+。异柠檬酸脱氢酶是三羧酸循环调节的重要酶之一。

（4）α-酮戊二酸氧化脱羧：催化该不可逆反应的是α-酮戊二酸脱氢酶复合体（α-ketoglutarate dehydrogenase complex），也是三羧酸循环调节的重要酶之一。α-酮戊二酸脱氢酶复合体的组成和反应过程类似于前述的丙酮酸脱氢酶复合体，由3种酶组成，即α-酮戊二酸脱氢酶（αketoglutarate dehydrogenase，E1）、二氢硫辛酸转琥珀酰基酶（dihydrolipoyl transsuccinylase，E2）和二氢硫辛酸脱氢酶（dihydrolipoyl dehydrogenase，E3），所含的辅助因子与丙酮酸脱氢酶复合体完全相同，为TPP、硫辛酸、HSCoA、FAD、NAD+。α-酮戊二酸氧化脱羧生成的琥珀酰CoA（succinyl CoA）属于高能硫酯化合物。

(www.xing528.com)

（5）琥珀酰CoA转变成琥珀酸：琥珀酰CoA的高能硫酯键水解与GDP的磷酸化偶联，生成琥珀酸（succinic acid）和GTP。此可逆反应由琥珀酰CoA合成酶（succinyl CoA synthetase）催化，这是三羧酸循环中惟一的底物水平磷酸化反应。在核苷二磷酸（NDP）激酶的作用下，GTP可将其高能磷酸键转移给ADP生成ATP。

（6）琥珀酸氧化生成延胡索酸：此脱氢反应由琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogenase）催化，其受氢体是FAD。应特别指出的是，琥珀酸脱氢酶是三羧酸循环中惟一与线粒体内膜结合的酶，而参与三羧酸循环的其他的酶类均存在于线粒体的基质中。

（7）延胡索酸转变成苹果酸：此可逆的水化反应由延胡索酸酶（fumarate hydratase）催化。

（8）草酰乙酸的再生：苹果酸脱氢生成草酰乙酸的反应是三羧酸循环的最后一步，此可逆反应由苹果酸脱氢酶（malate dehydrogenase）催化，受氢体是NAD+。在细胞内，草酰乙酸不断地被用于柠檬酸合成，因此，这一可逆反应有利于草酰乙酸的生成。

三羧酸循环的全部反应见图4-7。

图4-7　三羧酸循环

三羧酸循环的总反应可归纳为：

从表面的量上来看，乙酰CoA进入三羧酸循环被氧化为2分子CO2。但是，同位素标记实验发现，CO2并非直接来自乙酰CoA，而是来自草酰乙酸。这是由于柠檬酸是个对称分子，反应中碳原子置换所致。不过，三羧酸循环运转一周，相当于氧化了1分子乙酰CoA。

另外，三羧酸循环的中间产物草酰乙酸在反应过程中起着催化剂的作用，本身并无量的变化。值得注意的是，乙酰CoA不能通过三羧酸循环本身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通过三羧酸循环本身被彻底氧化成CO2和H2O。

2.三羧酸循环的生理意义

（1）三羧酸循环是糖、脂肪、蛋白质最终共同的代谢途径：在体内的生物氧化过程中，糖、脂肪、蛋白质都可通过各自的代谢途径转变为乙酰CoA，进入三羧酸循环被彻底氧化分解。三羧酸循环本身虽不产生大量的ATP，但通过氧化乙酰CoA可生成大量的NADH+H+和FADH2，后者通过呼吸链传递产生跨膜质子梯度，在ATP合酶作用下，推动ADP和Pi经氧化磷酸化生成ATP。

（2）三羧酸循环联系糖、脂肪、氨基酸等的物质代谢：三羧酸循环的中间产物为生物合成提供前体分子，如乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成的柠檬酸，经线粒体内膜上的相应载体转运到胞质，在ATP：柠檬酸裂解酶催化下重新裂解为乙酰CoA和草酰乙酸，如此生成的乙酰CoA即可参与脂肪酸、胆固醇的合成。草酰乙酸和α-酮戊二酸经转氨基作用分别生成非必需氨基酸的天冬氨酸和谷氨酸。再有，某些非必需氨基酸通过三羧酸循环的中间产物转变为葡萄糖。此外，琥珀酰CoA还是血红素的合成原料之一。

3.草酰乙酸的补充 乙酰CoA进入三羧酸循环氧化需要催化量的草酰乙酸。草酰乙酸主要来自丙酮酸的羧化，也可由苹果酸脱氢生成。

由于三羧酸循环的某些中间产物可参与其他物质的合成，因此，补充草酰乙酸是确保三羧酸循环顺利进行的重要环节。