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第三节 糖的有氧氧化
葡萄糖在氧充足条件下彻底氧化分解生成CO 2和H 2O,并释放大量能量的酶催化反应过程,称为糖的有氧氧化(aerobic oxidation)。有氧氧化是糖在体内氧化供能的主要方式,绝大多数细胞都通过糖的有氧氧化而获得能量。
一、 糖有氧氧化的反应过程
糖的有氧氧化可分为3个阶段:①糖酵解途径:葡萄糖在胞质中转变为丙酮酸;②丙酮酸进入线粒体氧化脱羧,转变为乙酰CoA;③三羧酸循环及氧化磷酸化(图4-3)。
(一) 丙酮酸的生成
见糖酵解途径。
图4-3 葡萄糖有氧氧化概况
(二) 丙酮酸的氧化脱羧
胞质中生成的丙酮酸,经线粒体内膜上丙酮酸载体转运到线粒体内,在丙酮酸脱氢酶复合体(pyruvate dehydrogenase complex)催化下,氧化脱羧生成乙酰CoA,其总反应为:
丙酮酸脱氢酶复合体由3种酶和6种辅助因子组成:丙酮酸脱氢酶(E 1,辅酶为硫胺素焦磷酸酯TPP,并需Mg 2+参与反应)、二氢硫辛酰胺转乙酰酶(E 2,辅酶是硫辛酸和HSCoA)、二氢硫辛酰胺脱氢酶(E 3,辅基为FAD,并需线粒体基质中的NAD +参加反应)。三种酶按一定比例组合成多酶复合体,不同生物体中组合比例有所不同。在哺乳动物细胞中,酶复合体由60个转乙酰酶组成核心,周围排列着12个丙酮酸脱氢酶和6个二氢硫辛酰胺脱氢酶,形成一个进行连续酶促反应的复合结构,其催化效率极高。
丙酮酸氧化脱羧过程由下列5步反应组成,如图4-4所示。
图4-4 丙酮酸氧化脱羧过程
1. 丙酮酸脱羧并形成羟乙基-TPP丙酮酸。在Mg 2+存在下首先与丙酮酸脱氢酶(E 1)上的辅酶TPP结合,脱去羧基产生CO 2,并形成羟乙基-TPP。
2. 羟乙基-TPP的羟乙基被氧化成乙酰基并与硫辛酰胺结合形成乙酰硫辛酰胺。
3. 乙酰硫辛酰胺上的乙酰基转移给辅酶A生成乙酰辅酶A后,硫辛酰胺接受氧化过程中的2个电子转变为还原型的二氢硫辛酰胺。
4. 还原型的二氢硫辛酰胺脱氢传递给FAD,生成FADH 2和硫辛酰胺。
5. 在二氢硫辛酰胺脱氢酶催化下,FADH 2上H转移给NAD +,形成NADH+H +。
上述反应中,除了由丙酮酸脱氢酶所催化的反应不可逆外,其他均为可逆反应。因此,整个酶体系催化的反应不可逆。丙酮酸脱氢酶是该酶系的关键酶。
(三) 三羧酸循环
从乙酰CoA与草酰乙酸缩合成含3个羧基的柠檬酸开始,经过一连串的代谢反应,使1分子乙酰基彻底氧化,生成草酰乙酸而形成一个循环,称为三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TAC),又称柠檬酸循环(citrate cycle)。该循环是由Hans A. Krebs于1937年发现的,故又称Krebs循环。Krebs也因此获得1953年的诺贝尔生理学/医学奖。
1. 三羧酸循环的反应过程
(1) 柠檬酸的形成:
由柠檬酸合酶(citrate synthase)催化乙酰CoA与草酰乙酸缩合为柠檬酸。乙酰CoA失去乙酰基转变为HS-CoA后,又可参与丙酮酸的氧化脱羧反应。
柠檬酸合酶是三羧酸循环中的第一个关键酶,它催化乙酰CoA的硫酯键加水分解释放出较多的自由能,促进缩合反应,故反应不可逆。柠檬酸合酶对草酰乙酸的亲和力很强,即使线粒体内草酰乙酸的浓度很低,反应也能迅速进行。
(2) 柠檬酸的异构反应:
顺乌头酸酶(cis-aconitase)先催化柠檬酸脱水生成顺乌头酸,再加水变成异柠檬酸,原来在柠檬酸C 3上的羟基转到C 2上。反应中间产物顺乌头酸仅与酶结合在一起以复合物的形式存在。
(3) 异柠檬酸的氧化脱羧:
异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase)催化异柠酸脱氢生成NADH+H +和不稳定的中间产物草酰琥珀酸,进而脱羧形成α-酮戊二酸和CO 2。在生理条件下,这是不可逆反应。这是三羧酸循环中的第一次氧化脱羧。
细胞内存在着两种异柠檬酸脱氢酶:一种以NAD +为辅酶(仅存在于线粒体基质中);另一种以NADP +为辅酶(大多存在于胞质中)。需NAD +的异柠檬酸脱氢酶催化的反应速度最慢,是三羧酸循环的第二个关键酶。ADP是该酶的变构激活剂,ATP和NADH是其变构抑制剂。
(4) α-酮戊二酸的氧化脱羧:
α-酮戊二酸脱氢酶复合体(α-ketoglutarate dehydrogenase complex)催化α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA,此反应不可逆。α-酮戊二酸脱氢酶复合体由3种酶(α-酮戊二酸脱氢酶、二氢硫辛酸琥珀酰基转移酶和二氢硫辛酸脱氢酶)和6种辅助因子(TPP、HSCoA、硫辛酸、FAD、NAD +及Mg 2+)按不同比例组合,作用机制与丙酮酸脱氢酶复合体相似。α-酮戊二酸脱氢酶复合体是三羧酸循环中第三个关键酶。
(5) 底物水平磷酸化反应:
在GDP、无机磷酸和Mg 2+参与下,琥珀酰CoA合成酶(succinyl CoA synthetase)催化琥珀酰CoA转变为琥珀酸。反应过程中高能硫酯键释放的能量用于催化GDP而生成GTP。GTP在二磷酸核苷激酶催化下,将高能磷酸键转移给ADP生成ATP。这是三羧酸循环中唯一以底物水平磷酸化方式生成ATP的步骤。
(6) 琥珀酸的脱氢:
在琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase)催化下,琥珀酸脱氢氧化为延胡索酸。脱下的2个H转给FAD,生成FADH 2。
琥珀酸脱氢酶是三羧酸循环中唯一存在于线粒体内膜上的酶。从心肌线粒体内膜分离的此酶由两个亚基组成,大亚基结合FAD并具有底物结合位点,小亚基与铁硫蛋白结合。琥珀酸脱氢酶具有立体异构特异性,仅催化琥珀酸氧化生成反丁烯二酸(延胡索酸)而不生成顺丁烯二酸(马来酸),后者对机体有毒性。
(7) 苹果酸的生成:
在延胡索酸酶(fumarase)催化下,延胡索酸加水生成苹果酸。延胡索酸酶具有立体异构专一性,催化延胡索酸分子上加水,H +和OH -以反式加成,因此只形成L-型苹果酸。
(8) 苹果酸的脱氢:
在苹果酸脱氢酶(L-malate dehydrogenase)的催化下,苹果酸脱氢生成草酰乙酸和NADH+H +,草酰乙酸又可进入下一轮三羧酸循环。在离体标准热力学条件下,反应倾向于苹果酸的合成,但在生理条件下草酰乙酸不断被高度放能的柠檬酸合成反应所消耗,使草酰乙酸在细胞中浓度极低,有利于苹果酸脱氢酶催化苹果酸脱氢合成草酰乙酸。
三羧酸循环的反应过程归纳如图4-5所示。
2. 三羧酸循环的主要特点
(1) 三羧酸循环是从乙酰CoA与草酰乙酸缩合为柠檬酸开始,到草酰乙酸的再生,是一个周而复始的循环过程。每循环一周氧化了1分子乙酰CoA,2次脱羧反应生成2分子CO 2,但CO 2的碳原子来自草酰乙酸而不是来自乙酰CoA。
(2) 循环一周有4次脱氢反应,脱下的氢经不同的氧化呼吸链途径生成H 2O和ATP。其中,琥珀酸脱下的2个H由FAD接受,其余3次脱氢均由NAD +接受。每分子NADH+H +经电子传递链氧化磷酸化可产生2.5分子ATP;而每分子FADH 2经琥珀酸氧化呼吸链的氧化磷酸化则生成1.5分子ATP (详见第五章)。因此,1分子乙酰CoA进入三羧酸循环氧化分解,经脱氢氧化及经电子传递链氧化磷酸化可产生9分子ATP,再加上琥珀酰CoA底物水平磷酸化产生的1分子ATP,总共可生成10分子ATP。
(3) 三羧酸循环中,柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合体3个关键酶所催化的反应是不可逆反应,故三羧酸循环是不可逆的。其中,异柠檬酸脱氢酶是主要的关键酶。
(4) 三羧酸循环的中间代谢物,理论上讲可重复利用而不被消耗,但实际上循环中的某些成分经常由于参与体内各种相应的合成途径而被移去,所以必须不断通过各种途径加以补充,如草酰乙酸-天冬氨酸、草酰乙酸-丙酮酸-丙氨酸、α-酮戊二酸-谷氨酸等。其中以草酰乙酸的补充最为重要,因为它是三羧酸循环的关键物质。草酰乙酸主要由丙酮酸通过羧化反应进行补充,因此糖的供应及代谢情况直接影响着乙酰CoA进入三羧酸循环的速度。通过添补反应不仅可使循环中的某些中间代谢物不断得到补充和更新,保证三羧酸循环的正常运转,而且也可与多种物质代谢过程彼此联系起来。
3. 三羧酸循环的生理意义
(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、氨基酸在体内的分解代谢最终都产生乙酰CoA,然后进入三羧酸循环进行氧化。三羧酸循环只有一次底物水平磷酸化生成高能磷酸键,本身不是生成ATP的主要环节,而是通过4次脱氢,为氧化磷酸化反应生成ATP提供还原当量。
图4-5 三羧酸循环
(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相互转变。糖代谢产生的一些三羧酸循环中间产物,如α-酮戊二酸和草酰乙酸等,可转变成相应的非必需氨基酸。这些氨基酸又可通过不同途径转变成草酰乙酸,再经糖异生过程转变成糖及甘油。
二、 糖有氧氧化的生理意义
糖的有氧氧化是机体获取能量的主要方式。每分子葡萄糖经有氧氧化彻底分解可净生成32或30分子ATP(表4-1),为糖无氧分解的15~16倍。因此,维持体内糖有氧氧化的正常进行对维持正常生命活动具有极其重要的意义。
糖有氧氧化总的反应为:
表4-1 葡萄糖有氧氧化生成的ATP数量
*胞质中的NADH+H +的还原当量进入线粒体内氧化,依进入后脱氢方式不同所生成的ATP数不同
葡萄糖+32ADP+32Pi+6O232ATP+6CO2+44H2O
葡萄糖氧化成CO 2和H 2O时,生成32分子ATP,共储能30.5×32=976kJ/mol,效率为34%左右,远超过一般的机械效率。
三、 糖有氧氧化的调节
在糖有氧氧化的三个阶段中,糖酵解途径的调节前面已述,下面主要叙述丙酮酸脱氢酶复合体的调节及三羧酸循环的调节。
(一) 丙酮酸脱氢酶复合体的调节
丙酮酸脱氢酶复合体可以通过变构效应和共价修饰两种方式进行快速调节。反应产物乙酰CoA及NADH+H +对丙酮酸脱氢酶复合体有反馈抑制作用。当乙酰CoA/HSCoA、NADH/NAD +比例升高时,酶活性被抑制。例如饥饿时,大多数组织器官利用脂肪酸作为供能物质,大量脂肪酸被动员利用,在线粒体内产生大量的乙酰CoA和NADH抑制糖的有氧氧化,维持血糖浓度以确保大脑和红细胞对葡萄糖的需要。ATP对丙酮酸脱氢酶复合体有抑制作用,AMP则能激活之。丙酮酸脱氢酶复合体可被丙酮酸脱氢酶激酶磷酸化。当丙酮酸脱氢酶被磷酸化后,酶蛋白变构而失去活性;丙酮酸脱氢酶磷酸酶则使其去磷酸而恢复活性。乙酰CoA和NADH+H +不仅对酶有直接抑制作用,还可间接通过增强丙酮酸脱氢酶激酶的活性抑制丙酮酸脱氢酶活性。胰岛素可促进丙酮酸脱氢酶的去磷酸化作用,促进糖的有氧氧化。
(二) 三羧酸循环的速率和流量的调控
在三羧酸循环中有3个不可逆反应,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。其中,异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合体被认为是主要的调节点,两者在NADH/NAD +、ATP/ADP比值高时被反馈抑制。ADP还是异柠檬酸脱氢酶的变构激活剂。另外,当线粒体内Ca 2+浓度升高时,Ca 2+不仅可与异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶结合,降低其对底物的K m而使酶激活,还可激活丙酮酸脱氢酶复合体,推动三羧酸循环和糖有氧氧化过程。
此外,三羧酸循环还要与上下游反应即糖酵解途径、氧化磷酸化相互协调。这种协调体现在NADH、ATP对与整个代谢途径多种关键酶的变构抑制作用,以及柠檬酸对PFK-1的变构抑制作用。
四、 巴斯德效应
法国科学家Louis Pasteur发现酵母菌在无氧条件下能使糖生醇发酵。若将其移至有氧环境时,生醇发酵则被抑制。糖有氧氧化抑制糖酵解的作用称为巴斯德效应(Pasteur effect)。动物肌肉组织中也存在此种效应。研究发现,无氧条件下除丙酮酸不能进入三羧酸循环彻底氧化而还原为乳酸外,通过糖酵解途径消耗的葡萄糖量约为有氧时的7倍。至于丙酮酸在细胞内的代谢,由于NADH+H +可进入线粒体内氧化,于是丙酮酸就进行有氧氧化而不生成乳酸,因此有氧氧化可抑制糖酵解。缺氧时进入糖酵解途径分解的葡萄糖增加是由于此时氧化磷酸化受阻,ADP与无机磷酸不能合成ATP,致使ADP/ATP比值升高而激活糖酵解途径关键酶磷酸果糖激酶-1及丙酮酸激酶的结果。