郭向東

(江漢大學(xué) 醫(yī)學(xué)院生化教研室, 湖北 武漢 430056)

在生物化學(xué)的教學(xué)中，學(xué)生普遍反應(yīng)生物氧化難學(xué)，而生物氧化是生化教材中的主要內(nèi)容，包括糖類和脂類化合物的氧化代謝。生物氧化步驟多，過程復(fù)雜，幾乎所有的教材[1-5]都把分析的焦點(diǎn)集中在每一步反應(yīng)過程和涉及的酶類，幾乎沒有教材從氧化還原角度，對生物氧化過程做概括分析。如何理解生物氧化過程中的脫羧、脫氫、加水、電子傳遞的過程，他們和C原子氧化之間的關(guān)系如何？夏循禮曾有相關(guān)文章[5-6]對三羧酸循環(huán)過程中各個原子的來源去路做過一個細(xì)致的分析。而本篇文章則希望對這個問題做一個更簡化，更有概括性，且更容易理解的分析。并且把分析的對象延伸到所有的糖類和脂類化合物，希望能夠幫助學(xué)生學(xué)習(xí)生化氧化時，找到不同物質(zhì)生物氧化的內(nèi)在邏輯規(guī)律。

1 葡萄糖的的徹底氧化

一分子葡萄糖經(jīng)過徹底氧化，完整的反應(yīng)方程式應(yīng)該如下：C6H12O6+ 6O2+ 6H2O = 6CO2+ 12H2O，整個徹底氧化全過程脫下24個H。在全部反應(yīng)中，參加反應(yīng)的H2O分子、 O2分子、脫下來的H原子、生成H2O分子，它們之間有什么關(guān)系？現(xiàn)在從以下幾個方面對葡萄糖徹底氧化過程進(jìn)行梳理分析。

1.1 葡萄糖徹底氧化中的脫羧反應(yīng)

葡萄糖徹底氧化，依次在下列反應(yīng)中發(fā)生3次脫羧：丙酮酸反應(yīng)生成乙酰輔酶A；異檸檬酸反應(yīng)生成α-酮戊二酸；α-酮戊二酸反應(yīng)生成琥珀酰輔酶A。一分子葡萄糖形成2分子丙酮酸，所以，一分子葡萄糖徹底氧化共計(jì)發(fā)生6次脫羧，形成6個CO2。葡萄糖分子中有6個C原子，全部被氧化形成CO2。脫羧的C原子不一定來自原始的葡萄糖分子，參見文獻(xiàn)[5-6]。

1.2 葡萄糖徹底氧化中的脫氫反應(yīng)

葡萄糖徹底氧化，依次在下列反應(yīng)中發(fā)生6次脫氫：3-磷酸甘油醛反應(yīng)生成1.3-磷酸甘油酸；丙酮酸反應(yīng)生成乙酰輔酶A；異檸檬酸反應(yīng)生成α-酮戊二酸；α-酮戊二酸反應(yīng)生成琥珀酰輔酶A；琥珀酸反應(yīng)生成延胡索酸；蘋果酸反應(yīng)生成草酰乙酸。一分子3-磷酸甘油醛徹底被氧化分解，計(jì)經(jīng)過6次脫氫反應(yīng)[1-5]。

一分子葡萄糖可以形成2分子3磷酸甘油醛，共發(fā)生12次脫氫，共計(jì)脫去24個H原子。葡萄糖分子中本身含有12個H原子，參加反應(yīng)的6個H2O分子中含有 12個H原子。脫下的24個氫原子，傳遞給單質(zhì)氧原子，共形成12個H2O分子。磷酸化和輔酶A帶來的H原子，實(shí)際上在脫磷酸化后，以及脫去輔酶A后均已經(jīng)還給磷酸和輔酶A。并不影響整個代謝的H原子的數(shù)量。

1.3 葡萄糖徹底氧化中的加水反應(yīng)

葡萄糖氧化過程中有加水反應(yīng)，也有脫水反應(yīng)，這些反應(yīng)的結(jié)果是對有機(jī)物中所含O原子的數(shù)目產(chǎn)生影響。該問題，在夏循禮文章中做過詳細(xì)的分析，本文只做一個概括分析[5-6]。

1)葡萄糖糖酵解途徑中的脫水反應(yīng)和加水反應(yīng)：在葡萄糖的無氧酵解中，有伴隨磷酸化的脫水反應(yīng)(6-磷酸葡萄糖的形成，1，6-二磷酸果糖的形成)，還有伴隨去磷酸化的加水反應(yīng)(磷酸烯醇式丙酮酸反應(yīng)生成烯醇式丙酮酸)，這樣的反應(yīng)互相抵消，不影響有機(jī)物中含有的氧原子數(shù)目，所以不去考慮。

在葡萄糖的無氧酵解中，能對有機(jī)物所含O原子數(shù)發(fā)生影響的反應(yīng)，有以下2次：一次加水反應(yīng)，從3-磷酸甘油醛反應(yīng)生成1，3三磷酸甘油酸，再生成3-磷酸甘油酸，這兩步反應(yīng)可以簡化成3-磷酸甘油醛經(jīng)過加水脫氫形成3-磷酸甘油酸，這是一次加水反應(yīng)。一次脫水反應(yīng)，2-磷酸甘油酸反應(yīng)生成磷酸烯醇式丙酮酸過程中，脫去一分子水。

綜上所述，在葡萄糖的無氧酵解中，凈加水為零，葡萄糖分子中帶有6個O原子，在形成的2個丙酮酸中，仍然含有6個O原子。

2)三羧酸循環(huán)中的脫水反應(yīng)和加水反應(yīng)：第一次加水反應(yīng)，乙酰輔酶和草酰乙酸反應(yīng)生成檸檬酸，發(fā)生一次加水反應(yīng)；(從檸檬酸反應(yīng)生成順烏頭酸，發(fā)生脫水反應(yīng)，順烏頭酸反應(yīng)生成異檸檬酸，發(fā)生加水反應(yīng)，這兩步互相抵消可以不考慮)。第2次加水反應(yīng)，琥珀酰輔酶A反應(yīng)生成琥珀酸，發(fā)生一次加水反應(yīng)；第3次加水反應(yīng)，延胡索酸反應(yīng)生成蘋果酸，發(fā)生一次加水反應(yīng)。一分子乙酰輔酶徹底氧化，要經(jīng)過3次加水反應(yīng)。一分子葡萄糖形成2分子乙酰輔酶A，再經(jīng)過徹底氧化，共計(jì)加入6個H2O分子。

3)產(chǎn)物中CO2里O原子的來源：綜合上面對加水反應(yīng)的分析，葡萄糖徹底氧化，凈加入6分子H2O分子。葡萄糖徹底氧化后生成6個CO2分子，共計(jì)需要12個O原子，其中6個O原子來自葡萄糖本身，6個O原子來自反應(yīng)物中的H2O分子(見圖1)。

圖1 葡萄糖氧化過程中各原子去向Fig 1 Each atom fate of the the glucose oxidation process

1.4 葡萄糖徹底氧化中，加水總數(shù)和脫氫總數(shù)與葡萄糖中C原子狀態(tài)的關(guān)系

糖類和脂肪酸的氧化反應(yīng)，實(shí)質(zhì)是對目標(biāo)C原子的氧化，C原子周圍的共價鍵，有C-C單鍵，C-H單鍵，還有C-O單鍵，C=O雙鍵，按照與O原子相連的狀況，可以分成5種類型。圖2中標(biāo)記5的C原子為CO2，在CO2中，C原子周圍的4個共價鍵全部與O相連，處在徹底氧化狀態(tài)，目標(biāo)C原子由1到5的幾種狀態(tài)，其C-O鍵的數(shù)目，依次增加。要完成目標(biāo)C原子由還原狀態(tài)到氧化狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，必須經(jīng)過圖2中的2，3，4共3個狀態(tài)(見圖2)。

圖2 有機(jī)物中C原子周圍化學(xué)鍵狀態(tài)及轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig 2 The state and conversion relation of C atoms around chemical bond in organic

C原子由1到2，要經(jīng)過脫氫和加水反應(yīng)，例如，琥珀酸反應(yīng)生成延胡索酸，再形成蘋果酸。這一步反應(yīng)，完成還原態(tài)C原子的第一次氧化，把一個共價鍵與氧相連，這個氧化過程通過脫氫反應(yīng)和加水反應(yīng)共同完成。有些反應(yīng)，是依靠分子內(nèi)部的原子轉(zhuǎn)移，完成對目標(biāo)C原子加O。

C原子由2到3，要經(jīng)過脫氫反應(yīng)，例如：蘋果酸反應(yīng)生成草酰乙酸的反應(yīng)。這一步反應(yīng)，完成目標(biāo)C原子的第2次氧化，把2個共價鍵與氧相連，這個氧化過程通過脫氫反應(yīng)完成。

C原子由3到4，要經(jīng)過加水和脫氫反應(yīng)，例如：α-酮戊二酸反應(yīng)生成琥珀酰輔酶A，再反應(yīng)生成琥珀酸。這兩步反應(yīng)連貫了5個過程，脫羧，加輔酶A，脫氫，底物水平磷酸化和伴隨磷酸化的加水，實(shí)現(xiàn)對α-酮戊二酸脫羧，同時對α-C原子(目標(biāo)C原子)加輔酶A。有許多目標(biāo)C原子不是以-CO-OH狀態(tài)存在，而是以-CO～S-CoA形式存在，在脫去輔酶A時，完成加水，向-CO-OH狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，這一步反應(yīng)，完成目標(biāo)C原子的第3次氧化，把3個共價鍵與氧相連，這個氧化過程通過脫氫反應(yīng)和加水反應(yīng)共同完成。

C原子由4反應(yīng)到5，要經(jīng)過脫羧反應(yīng)和脫氫反應(yīng)，例：丙酮酸反應(yīng)生成乙酰輔酶A的反應(yīng)[8]。這一步反應(yīng)，完成C原子的最后一次氧化，這個氧化過程需要通過脫羧反應(yīng)和脫氫反應(yīng)共同完成。三羧酸循環(huán)中的3個脫羧反應(yīng)都同時伴有脫氫反應(yīng)，這是為了完成下一個目標(biāo)C原子的氧化。

無論是糖類化合物中的C原子，還是脂類化合物中的C原子，要完成徹底氧化，必須經(jīng)過上面的幾個步驟。所以葡萄糖分子被徹底氧化，實(shí)質(zhì)是把葡萄糖分子中的6個碳原子按照上述程序，依次完成被氧化。

葡萄糖分子中帶有6個氧原子，氧化形成6個CO2，需要再加入6個O原子，故整個葡萄糖徹底氧化要凈加入6個H2O分子。

葡萄糖結(jié)構(gòu)式中，一個C原子帶有C=O雙鍵，5個C原子帶有C-O單鍵。6個C原子周圍的共計(jì)19個共價鍵，有7個共價鍵與O原子相連，有12個共價鍵沒有與O相連(見圖3)，氧化的過程就是對這12個共價鍵的電子進(jìn)行轉(zhuǎn)移，把它交給單質(zhì)氧，而遞交的媒介就是H原子，12個共價鍵共計(jì)24個電子，所以葡萄糖徹底氧化，需要脫下24個H原子。

圖3 葡萄糖分子結(jié)構(gòu)Fig 3 The molecular structure of glucose

朱欽士“以H換C”理論[9]認(rèn)為，參與反應(yīng)的有機(jī)物分子中本身含有O原子，還有水中的O原子，另外還有單質(zhì)O原子，有機(jī)物分子中的O原子并沒有起到氧化作用，水中的O原子通過加水反應(yīng)，加入有機(jī)物，也沒有起到氧化作用，單質(zhì)O原子才是氧化劑，被氧化的對象是C原子；但是單質(zhì)O原子并沒有和C原子直接接觸，這個氧化過程是通過脫氫和電子轉(zhuǎn)移完成的(見圖4)。關(guān)于“以H換C”理論在朱欽士[7]的博客和夏巡禮[5-6]的論文中，有詳細(xì)的分析，本文不再過多分析。

綜上所述，葡萄糖分子被氧化的實(shí)質(zhì)是C原子被氧化的過程，實(shí)現(xiàn)這個氧化過程，必須有水分子和單質(zhì)O協(xié)同完成，中間通過脫氫完成電子的轉(zhuǎn)移。

圖4 以H換C氧化原理Fig 4 Oxidation theory of change H for C

2 軟脂酸的徹底氧化

一分子軟脂酸(C16)經(jīng)過徹底氧化，生成16分子CO2和16分子H2O，經(jīng)過7次β-氧化，8次三羧酸循環(huán)，有30分子的H2O參與反應(yīng)，所以實(shí)際生成46分子的H2O。整個氧化過程中，共脫下92個H。其徹底氧化分子反應(yīng)式：C16H32O2+ 23O2+ 30H2O = 16CO2+ 46H2O

2.1 軟脂酸徹底氧化中的脫羧反應(yīng)

軟脂酸徹底氧化中的脫羧反應(yīng)，都發(fā)生在乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)后。依次為：異檸檬酸反應(yīng)生成α-酮戊二酸；α-酮戊二酸生成琥珀酰輔酶A。一次三羧酸循環(huán)，共計(jì)經(jīng)過2次脫羧，8次三羧酸循環(huán)[10]，共計(jì)脫去16個CO2(見圖5)。

2.2 軟脂酸徹底氧化中的脫氫反應(yīng)

軟脂酸徹底氧化中既有β氧化過程的脫氫反應(yīng)，也有三羧酸循環(huán)中的脫氫反應(yīng)。每一次β氧化發(fā)生2次脫氫反應(yīng)；每一次三羧酸循環(huán)發(fā)生4次脫氫反應(yīng)。16C的軟脂酸徹底氧化，經(jīng)過7次β-氧化，8次三羧酸循環(huán)[10]，共計(jì)發(fā)生脫氫的總次數(shù)為2×7 + 4×8 = 46，共計(jì)脫去92個H原子。92個H原子傳遞給單質(zhì)氧共形成46個H2O分子。

2.3 軟脂酸徹底氧化中的加水反應(yīng)

軟脂酸徹底氧化中既有β氧化過程的加水反應(yīng)，也有三羧酸循環(huán)中的加水反應(yīng)。每一次β氧化經(jīng)過一次加水；每一次三羧酸循環(huán)經(jīng)過3次加水反應(yīng)。16C的軟脂酸徹底氧化，經(jīng)過7次β-氧化，8次三羧酸循環(huán)[10]，共計(jì)加入1×7 + 3×8 = 31個水分子，在脂肪酸活化的反應(yīng)中，需要脫去一個水分子，所以軟脂酸徹底氧化，凈加入30個H2O分子。軟脂酸徹底氧化后，各原子的去路，可參見圖5。

圖5 軟脂酸氧化過程中各原子的去向Fig 5 Each atom fate of the palmitic acid oxidation process

2.4 軟脂酸氧化分解中，加水和脫氫總數(shù)與軟脂酸分子內(nèi)C原子狀態(tài)的關(guān)系

16C的軟脂酸徹底氧化分解，共計(jì)形成16個CO2，一共需要32個O原子，軟脂酸中本身帶有2個O原子，共需另提供30個O原子，所以軟脂酸分解氧化反應(yīng)中，共需凈加入30水分子。

16C的軟脂酸中，共計(jì)有16個C原子，其中含一個羧基，15個C-C單鍵，31個C-H鍵，共計(jì)46個化學(xué)鍵未與O原子相連，共涉及92個電子。軟脂酸的氧化，需要脫去92個電子，即發(fā)生46次脫氫。而30個H2O分子共帶來60個H原子，軟脂酸中本身帶有32個H原子，共計(jì)92個H原子(見圖6)。

圖6軟脂酸分子結(jié)構(gòu)Fig 6 The molecular structure of palmitic acid

3 總結(jié)

糖類和脂類化合物氧化的實(shí)質(zhì)是C原子的被氧化，根據(jù)C原子周圍的共價鍵的構(gòu)成，可以推導(dǎo)該有機(jī)物如何實(shí)現(xiàn)被氧化。在任何一個糖類化合物或者脂肪酸(飽和或不飽和)的氧化分解過程中，需要凈加水的總數(shù)，需要脫氫的總數(shù)，都可以根據(jù)這個化合物的分子的結(jié)構(gòu)推導(dǎo)分析出來。

例如：乳酸分子中，共有2個C-C單鍵，4個C-H單鍵，共計(jì)6個化學(xué)鍵未與O原子相連，每個葡萄糖分子經(jīng)過無氧酵解，形成2個乳酸分子，共計(jì)12個化學(xué)鍵未與O相連，而葡萄糖分子中本身含有12個未與O相連的化學(xué)鍵，所以葡萄糖無氧酵解的結(jié)果，脫氫數(shù)為零。

表 1 5種有機(jī)化合物生物氧化過程中的凈脫氫數(shù)

表2 5種有機(jī)化合物生物氧化過程中的凈加水?dāng)?shù)

在表1和表2中，列舉了幾個反應(yīng)的脫氫數(shù)和加水?dāng)?shù)，這樣的分析還可以運(yùn)用到任何糖類和脂肪酸類的有機(jī)化合物在體內(nèi)的徹底氧化過程。脂肪酸在徹底氧化后比糖類化合物徹底氧化釋放的能量多，就是因?yàn)橹舅岱肿觾?nèi)含的非C-O化學(xué)鍵更多。

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