基于H原子和O原子代謝的葡萄糖有氧氧化解析

夏循禮，余英才

(江西中醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)教研室，南昌330004)

普通高?！渡锘瘜W(xué)》教材中的糖代謝，歷來是生物化學(xué)課程教學(xué)的重要章節(jié)，其中的葡萄糖有氧氧化途徑更是必須牢固掌握的知識點(diǎn)。關(guān)于葡萄糖有氧氧化過程，目前國內(nèi)外主要的生物化學(xué)教材［1-9］基本上專注于葡萄糖酵解途徑、丙酮酸氧化脫羧、乙酰CoA三羧酸循環(huán)等三個階段的具體反應(yīng)，以及有哪些遞氫體，脫下了多少H原子，通過電子傳遞鏈-氧化磷酸化產(chǎn)生了多少ATP，如何通過有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生CO2等;而對葡萄糖分子有氧氧化過程中遞氫體攜帶的H原子的來源、葡萄糖徹底氧化消耗了多少個O原子及其來源等，沒有給予必要的關(guān)注和闡釋。對這兩個問題進(jìn)行適度的解讀，不僅可以深化對葡萄糖有氧氧化過程的把握，明晰葡萄糖有氧氧化途徑不僅僅只是葡萄糖分子徹底分解代謝為CO2和H2O并合成ATP［10-12］，還有葡萄糖和O2以外的物質(zhì)提供H原子和O原子參與該代謝途徑;而且可以拓展對于生命活動中生物體小分子(如H2O、Pi、以及酶蛋白的輔助因子等)重要作用的直接感悟［13-15］。

1 葡萄糖有氧氧化途徑全過程解析

葡萄糖有氧氧化途徑的全部反應(yīng)過程及其遞氫體上H原子的來源和CO2的原子來源解析如下:為了便于簡潔易讀，所有催化反應(yīng)的酶都省略，ATP的生成與消耗、與遞氫相關(guān)的輔助因子則寫入反應(yīng)過程。具體反應(yīng)見下表一葡萄糖有氧氧化反應(yīng)過程(第一列):

從反應(yīng)⑷開始，1分子葡萄糖分解為2分子3-磷酸甘油醛，后面的反應(yīng)是以1分子3-磷酸甘油醛發(fā)生的反應(yīng)進(jìn)行計算的，涉及到遞氫體攜帶的H原子、脫羧反應(yīng)帶走的C原子和反應(yīng)消耗的O原子計算時，需要按×2倍計算。

表1 葡萄糖有氧氧化過程及基于H原子與O原子代謝的解析Table 1 Glucose aerobic oxidation pathway and its analysis based on H metabolism and O metabolism

反應(yīng)⑸實際的反應(yīng)過程可能分為兩步，第一步為3-磷酸甘油醛與NAD+加入1個H2O發(fā)生氧化反應(yīng)生成3-磷酸甘油酸和NADH+H+;第二步為3-磷酸甘油酸的羧基(-COOH)再與Pi發(fā)生一種形成酸酐鍵(Pi和-COOH之間)的反應(yīng)，即產(chǎn)生1，3-二磷酸甘油酸和1個H2O(這個H2O“補(bǔ)”回第一步反應(yīng)中消耗的H2O，所以整個反應(yīng)過程“沒有”看到H2O參與)，該酸酐鍵就是即將發(fā)生底物水平磷酸化的那個高能磷酸鍵。

反應(yīng)⑻脫去1分子H2O①，在反應(yīng)⑾中“補(bǔ)”回來參與生成檸檬酸，所以反應(yīng)⑻和反應(yīng)⑾中加H2O(+H2O)與失H2O(-H2O)不涉及H原子和O原子的引入與脫去。

反應(yīng)⑽消耗1分子HSCoA②，在反應(yīng)⑾中生成1分子HSCoA“補(bǔ)”回來。

反應(yīng)⑿實際過程分為兩步，檸檬酸脫H2O③(-H2O)生成順烏頭酸，順烏頭酸再加H2O③(+H2O)生成異檸檬酸，不涉及H原子和O原子的引入與脫去。

反應(yīng)⒂實際過程可能分為兩步，Pi+GDP反應(yīng)生成GTP和H2O，H2O與琥珀酰CoA反應(yīng)生成琥珀酸和HSCoA④。HSCoA④從琥珀酰CoA脫下來，“補(bǔ)”回反應(yīng)⒁中消耗的HSCoA④，生成的H2O的H和O進(jìn)入琥珀酰CoA的相應(yīng)部位生成琥珀酸。

反應(yīng)⒄加入1分子H2O⑤，來自于細(xì)胞內(nèi)線粒體基質(zhì)。

反應(yīng)⒅生成的草酰乙酸，“補(bǔ)”回反應(yīng)⑾消耗的草酰乙酸。

所以，葡萄糖有氧氧化全過程的反應(yīng)為(為了如實反映整個反應(yīng)過程，只進(jìn)行同類項合并，反應(yīng)式兩邊相同項保留):

從上述反應(yīng)式可以看出，1個葡萄糖C6H12O6分子進(jìn)行徹底的物質(zhì)代謝產(chǎn)生了12對H原子，6個CO2分子。其他情況包括消耗 2ATP、2Pi、4ADP、4HSCoA、2(Pi+GDP)、4H2O，生成 2ADP、4ATP、4HSCoA、2GTP、2H2O。

2 基于H原子代謝的葡萄糖有氧氧化途徑解析

基于H原子代謝的葡萄糖有氧氧化途徑解析見表一的H原子代謝(第2列):

底物分子磷酸化，如反應(yīng)⑴葡萄糖磷酸化為6-磷酸葡萄糖、反應(yīng)⑶6-磷酸果糖磷酸化為1，6-二磷酸果糖，是ATP的1個磷酸基(-H2PO3)與底物交換1個H原子，其結(jié)果是底物分子失去1個H原子。

反應(yīng)⑸產(chǎn)生的NADH+H+脫去的2個H，直觀表現(xiàn)為1個來自3-磷酸甘油醛，1個來自磷酸Pi。根據(jù)上述“反應(yīng)⑸實際的反應(yīng)過程可能分為兩步”的分析，NADH+H+的2個H的真實來源更可能是環(huán)境(細(xì)胞液)中的H2O(而這個消耗的H2O在3-磷酸甘油酸與Pi反應(yīng)生成1，3-二磷酸甘油酸和H2O時“還”回去了)。Pi與3-磷酸甘油酸生成1，3-二磷酸甘油酸和H2O時由3-磷酸甘油酸“歸還”了一個H原子，生成H2O的另一個H原子由Pi的-OH提供，所以實際上反應(yīng)⑸從Pi的-OH引入了1個H原子

底物水平磷酸化生成ATP的反應(yīng)，如反應(yīng)⑹1，3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸、反應(yīng)⑼磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸生成ATP，從底物分子反應(yīng)前后來看實際是“底物分子去磷酸化”，是底物的1個磷酸基(-H2PO3)與ADP交換1個H原子，底物分子得到1個H原子。

反應(yīng)⑽產(chǎn)生的NADH+H+脫去的2個H來自于丙酮酸，由輔助因子硫辛酸脫下來依次傳遞給FAD和NAD+，HSCoA的H原子和-SCoA結(jié)合到丙酮酸的不同部位形成乙酰CoA。

如同反應(yīng)⑽的分析，反應(yīng)⒁產(chǎn)生的NADH+H+脫去的2個H來自α-酮戊二酸，由輔助因子硫辛酸脫下來依次傳遞給 FAD和 NAD+，HSCoA的 H原子和-SCoA結(jié)合到α-酮戊二酸的不同部位形成琥珀酰CoA。

如前分析“反應(yīng)⒂實際過程可能分為兩步”，反應(yīng)⒂中琥珀酰CoA和H2O(H2O來自于Pi和GTP)發(fā)生反應(yīng)生成琥珀酸，H2O中的H原子進(jìn)入琥珀酰CoA的相應(yīng)部位生成琥珀酸，從而引入2個H原子。

反應(yīng)⒄延胡索酸和1分子H2O生成蘋果酸，從而引入2個H原子。

整個葡萄糖有氧氧化過程共產(chǎn)生6×2=12對H原子，即5×2=10對NADH+H+，1×2=2對FADH2，分別為反應(yīng)⑸產(chǎn)生的NADH+H+，反應(yīng)⑽產(chǎn)生的NADH+H+，反應(yīng)⒀產(chǎn)生的NADH+H+，反應(yīng)⒁產(chǎn)生的NADH+H+，反應(yīng)⒃產(chǎn)生的FADH2，反應(yīng)⒅產(chǎn)生的NADH+H+;葡萄糖分子C6H12O6只有6對H原子，其余的6對H原子分別來自:反應(yīng)⑴和⑶底物分子磷酸化并反應(yīng)⑹和⑼底物分子去磷酸化共得到2個H原子，反應(yīng)⑸從Pi得到2個H原子，反應(yīng)⒂從H2O(Pi+GDP)引入4個H原子，反應(yīng)⒄從H2O引入4個H原子。

所以，基于H原子代謝的葡萄糖有氧氧化全過程反應(yīng)為:

從上述反應(yīng)式可以看出，1分子C6H12O6進(jìn)行徹底的物質(zhì)代謝產(chǎn)生了12對H原子。除了C6H12O6分子的12個H原子外，其他關(guān)于葡萄糖或者葡萄糖分解中間物上的H原子的消耗和引入情況為:2次ATP對底物分子磷酸化消耗2個H原子(-2H)，2×2ADP的底物分子去磷酸化引入2×2個H原子(+4H)，2×Pi引入1×2個H原子(+2H)，2×H2O(Pi+GDP)引入2×2個H原子(+4H)，2×H2O引入2×2個H原子(+4H)，共引入12個H原子(-2+4+2+4+4)。引入H原子的來源包括底物分子去磷酸化、Pi和H2O。

3 基于O原子代謝的葡萄糖有氧氧化途徑解析

基于O原子代謝的葡萄糖有氧氧化途徑解析見表一的H原子代謝(第3列):

反應(yīng)⑸中3-磷酸甘油醛生成1，3-二磷酸甘油酸引入1個O原子，如前面“反應(yīng)⑸實際的反應(yīng)過程可能分為兩步”的分析，3-磷酸甘油醛與H2O反應(yīng)生成3-磷酸甘油酸(引入1個O原子)，3-磷酸甘油酸的羧基(-COOH)再與Pi發(fā)生一種形成酸酐鍵(Pi和-COOH之間)的反應(yīng)，即產(chǎn)生1，3-二磷酸甘油酸和1個H2O，這個H2O“補(bǔ)”回第一步反應(yīng)中消耗的H2O(但是它的O原子來自于Pi的-OH)。所以反應(yīng)⑸引入的O原子來自于 Pi。

反應(yīng)⒂中琥珀酰CoA接受H2O(Pi+GDP)的1個O生成琥珀酸，從而引入1個O原子。

反應(yīng)⒄延胡索酸和1分子H2O生成蘋果酸，從而引入1個O原子。

綜合以上基于O原子代謝的葡萄糖有氧氧化途徑各反應(yīng)，共產(chǎn)生6對H原子，即5對NADH+H+和1對FADH2，進(jìn)入線粒體上的電子傳遞鏈氧化共需消耗6個O原子，生成6個H2O;3次有機(jī)酸脫羧生成3個CO2共需要消耗6個O原子。以1分子個葡萄糖有氧氧化來計算，生成H2O和CO2需要消耗(6+6)×2=24個O原子。1分子葡萄糖C6H12O6自身含有6個O原子被消耗，電子傳遞鏈上12對H氧化消耗12個O原子(由細(xì)胞呼吸的6個O2提供)，余下的6個O原子來源于:反應(yīng)⑸中3-磷酸甘油醛生成1，3-二磷酸甘油酸引入1×2=2個O原子，反應(yīng)⒂中琥珀酰CoA生成琥珀酸引入1×2=2個O原子，反應(yīng)⒄延胡索酸生成蘋果酸引入1×2=2個O原子。

所以，基于O原子代謝的葡萄糖有氧氧化全過程反應(yīng)為:

C6H12O6+2Pi+10NAD++2ADP+2(Pi+GDP)+2FAD+2H2O→10(NADH+H+)+2ATP+6CO2+2GTP+2FADH2

10(NADH+H+)+2FADH2+6O2→12H2O(6O2通過細(xì)胞呼吸從體外吸入提供)

從上述反應(yīng)式可以看出，1分子葡萄糖C6H12O6進(jìn)行徹底氧化產(chǎn)生12對H原子，6個CO2分子，12對H原子進(jìn)入電子傳遞鏈氧化消耗6O2生成12H2O并偶聯(lián)生成36-38ATP。除了葡萄糖C6H12O6分子自身所帶的6個O原子外，其他關(guān)于葡萄糖或者葡萄糖分解中間物上的O原子的引入情況為:反應(yīng)⑸2×Pi引入2個O原子(+2O)，反應(yīng)⒂2×H2O(Pi+GDP)引入2個O原子(+2O)，反應(yīng)⒄2×H2O引入2個O原子(+2O)，共引入6個O原子(2+2+2)。引入O原子的來源包括Pi和H2O。

4 總結(jié)

綜合以上三個部分分別針對整個葡萄糖有氧氧化全過程、基于H原子代謝的葡萄糖有氧氧化過程和基于O原子代謝的葡萄糖有氧氧化過程的解析，我們可以做出如下結(jié)論:

1)葡萄糖有氧氧化途徑是一個復(fù)雜、系統(tǒng)的過程，并不僅僅只有葡萄糖分子被分解代謝為CO2，脫下的H進(jìn)入電子傳遞鏈，最終轉(zhuǎn)化為熱能(維持體溫)和化學(xué)能ATP(供生命活動所需)并生成H2O。在整個過程中，有12個進(jìn)入電子傳遞鏈的H原子來自于葡萄糖分子以外的ADP、Pi、Pi+GDP和H2O;有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生CO2的O原子有6個來自于葡萄糖分子以外的Pi、Pi+GDP和H2O。

2)1個葡萄糖分子有氧氧化凈生成36-38ATP，其中葡萄糖及其分解代謝的中間產(chǎn)物磷酸化(消耗ATP)和底物水平磷酸化(生成ATP)凈生成4ATP(含三羧酸循環(huán)過程產(chǎn)生的2GTP)，其余32-34ATP全部為24個H原子(12對H原子)以電子傳遞鏈-氧化磷酸化形式合成。而葡萄糖分子只有12個H原子，另外12個H原子由反應(yīng)途徑中的其他物質(zhì)提供，即葡萄糖有氧氧化途徑產(chǎn)生的ATP不全部是葡萄糖自己的“功勞”。

3)葡萄糖及其分解代謝的中間產(chǎn)物組成整個有氧氧化途徑的主線，另外的12個H原子和6個O原子由其他物質(zhì)(如Pi、Pi+GDP和H2O等)在不同時期、不同的反應(yīng)中引入到各種中間產(chǎn)物上，然后分別參與有機(jī)酸脫羧和遞氫體脫H并進(jìn)入電子傳遞鏈，完成整個葡萄糖有氧氧化過程。

4)葡萄糖有氧氧化途徑含有一個主要過程-三羧酸循環(huán)，在三羧酸循環(huán)過程中含有多次H原子引入和O原子引入的反應(yīng)。因此，在含有三羧酸循環(huán)的代謝，如脂肪酸氧化供能和氨基酸分解的α-酮酸氧化供能，類似葡萄糖有氧氧化途徑的這種情況同樣存在。

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