生物化学与分子生物学/糖的有氧氧化

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糖代谢 - 糖的摄取与利用 - 糖的无氧氧化 - 糖的有氧氧化 - 磷酸戊糖途径 - 糖原的合成与分解 - 糖异生 - 葡萄糖的其他代谢途径 - 血糖及其调节
机体利用氧将葡萄糖彻底氧化成CO2和H2O的反应过程称为糖的有氧氧化 (aerobic oxidation of glucose)。有氧氧化是体内糖分解供能的主要方式,绝大多数细胞都通过它获得能量。在肌组织中葡萄糖通过无氧氧化所生成的乳酸,也可作为运动时机体某些组织(如心肌)的重要能源,彻底氧化生成CO2和H2O,提供较为充足的能量。

糖的有氧氧化分为三个阶段[编辑]

糖的有氧氧化分为三个阶段:

  • 第一阶段葡萄糖在细胞质中经糖酵解生成丙酮酸;
  • 第二阶段丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA;
  • 第三阶段乙酰CoA进入三羧酸循环,并偶联进行氧化磷酸化。

葡萄糖经糖酵解生成丙酮酸[编辑]

同糖无氧氧化的第一阶段。

丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA[编辑]

丙酮酸在线粒体经过5步反应氧化脱羧生成乙酰CoA(acetyl CoA), 总反应式为:
丙酮酸+NAD++HS-CoA→乙酰CoA+NADH+H++CO2
此反应由丙酮酸脱氢酶复合体(pyruvate dehydrogenase complex)催化。在真核细胞中,该酶复合体存在于线粒体中,是由丙酮酸脱氢酶(E1)、二氢硫辛酰胺转乙酰酶(E2) 和二氢硫辛酰胺脱氢酶(E3)按一定比例组合而成的。在哺乳动物细胞中,丙酮酸脱氢酶复合体由 60 个E2组成核心,周围排列着6个 E3 、20或30个 E1。参与反应的辅因子有焦磷酸硫胺素(TPP) 、硫辛酸、 FAD、 NAD+和 CoA。二氢硫辛酰胺转乙酰酶的辅因子是硫辛酸和 CoA,其中硫辛酸是带有二硫键的八碳羧酸,通过与转乙酰酶的赖氨酸残基的ε-氨基相连,形成与酶结合的硫辛酰胺而成为酶的柔性长臂,可将乙酰基从酶复合体的一个活性部位转到另一个活性部位。丙酮酸脱氢酶的辅因子是 TPP,二氢硫辛酰胺脱氢酶的辅因子是 FAD、NAD+
丙酮酸脱氢酶复合体催化的反应分为5步:

丙酮酸脱氢酶复合体作用机制
  • 由丙酮酸脱氢酶(E1)催化,丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP-E1。TPP 噻唑环上的 N 与 S 之间活泼的碳原子可释放出 H+ ,而成为负碳离子,与丙酮酸的碳基作用,使丙酮酸脱羧产生 CO2 ,同时形成羟乙基-TPP。
  • 由二氢硫辛酰胺转乙酰酶(E2)催化,使羟乙基-TPP-E1上的羟乙基被氧化成乙酰基,同时转移给硫辛酰胺,形成乙酰硫辛酰胺-E2
  • 二氢硫辛酰胺转乙酰酶(E2)继续催化,使乙酰硫辛酰胺上的乙酰基转移给 CoA 生成乙酰 CoA 后,离开酶复合体,同时氧化过程中的2个电子使硫辛酰胺还原生成二氢硫辛酰胺。
  • 由二氢硫辛酰胺脱氢酶(E3)催化,二氢硫辛酰胺脱氢重新生成硫辛酰胺,以进行下一轮反应,同时将氢传递给 FAD,生成FADH2
  • 由二氢硫辛酰胺脱氢酶(E3)继续催化,将FADH2上的氢转移给 NAD+,形成 NADH+H+

在整个反应过程中,中间产物并不离开酶复合体,这就使得上述各步反应得以迅速完成,而且因没有游离的中间产物,所以不会发生副反应。丙酮酸氧化脱羧反应的ΔG°'=-33.4kJ/mol, 故反应是不可逆的。

乙酰CoA经三羧酸循环及氧化磷酸化提供能量[编辑]

三羧酸循环的第一步是由乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成6个碳原子的拧檬酸,然后拧檬酸经过一系列反应重新生成草酰乙酸,完成一轮循环。经过一轮循环,发生2次脱羧反应,释放2分子CO2;发生1次底物水平磷酸化,生成1分子GTP(或ATP);有4次脱氢反应,氢的接受体分别为NAD+或FAD, 生成3分子NADH+H+和1分子FADH2,它们既是三羧酸循环中脱氢酶的辅因子,又是电子传递链的第一个环节。电子传递链由一系列氧化还原体系组成,它们的功能是将H+或电子依次传递至氧,生成水。在H+或电子沿电子传递链传递过程中逐步释放能量,同时伴有ADP磷酸化生成ATP,即氧化与磷酸化反应是偶联在一起的。

三羧酸循环使乙酰CoA彻底氧化[编辑]

三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle, TCA cycle)亦称拧檬酸循环(citric acid cycle) , 是线粒体内一系列酶促反应所构成的循环反应体系,由于其第一个中间产物是含有3个羧基的拧檬酸(citric acid)而得名。因为该学说由Krebs正式提出,亦称为Krebs循环。

三羧酸循环由八步反应组成[编辑]

乙酰CoA(主要来自于三大营养物质的分解代谢)经三羧酸循环分解时,共经历8步反应,主要涉及4次脱氢、2次脱羧和1次底物水平磷酸化。

  • 乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸 此为三羧酸循环的第一个限速步骤,由拧檬酸合酶(citrate synthase)催化,1分子乙酰CoA与1分子草酰乙酸(oxaloacetate)缩合生成柠檬酸,缩合反应所需能量来自乙酰CoA的高能硫酯键。由于高能硫酯键水解时可释放较多的自由能,ΔG°'为-32.2kJ/mol, 故为不可逆反应。柠檬酸合酶对草酰乙酸的Km很低,即使线粒体内草酰乙酸的浓度很低,反应也能够迅速进行。

  • 柠檬酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸 柠檬酸与异柠檬酸(isocitrate)的异构化可逆互变反应由顺乌头酸酶催化,将C3上的羟基移至C2上。反应的中间产物顺乌头酸与酶结合在一起,以复合物的形式存在。

  • 异柠檬酸氧化脱羧转变为α-酮戊二酸 异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase)催化下氧化脱羧产生CO2 ,脱下的氢由NAD+接受,生成NADH+H+, 其余碳链骨架部分转变为α-酮戊二酸(α-ketoglutrate)。这是三羧酸循环中的第一次氧化脱羧反应,也是第二个限速步骤,反应不可逆,释出的CO2可被视作乙酰CoA的1个碳原子氧化产物。

  • α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA α-酮戊二酸继续发生氧化脱羧产生CO2, 脱下的氢由NAD+接受,生成NADH+H+。其余碳链骨架部分转变为琥珀酰CoA(succinyl CoA) , 它含有高能硫酯键。催化此反应的酶是α-酮戊二酸脱氢酶复合体(α-ketoglutarate dehydrogenase complex) , 其组成和催化反应过程与丙酮酸脱氢酶复合体类似,这就使得α-酮戊二酸的脱羧、脱氢、形成高能硫酯键等反应可迅速完成。此为三羧酸循环中的第二次氧化脱羧反应,也是第三个限速步骤,反应不可逆,释出的CO2可被视作乙酰 CoA 的另 1 个碳原子氧化产物。

  • 琥珀酰CoA合成酶催化底物水平磷酸化反应 琥珀酰 CoA 含有高能硫酯键,ΔG°'约为 -36kJ/mol。它水解生成琥珀酸 (succinic acid) 的同时,与核苷二磷酸的磷酸化偶联,生成高能磷酸键,反应是可逆的。 这是三羧酸循环中唯一的底物水平磷酸化反应,由琥珀酰 CoA 合成酶(succinyl CoA synthetase) 催化。该酶在哺乳动物体内有两种同工酶,分别以 GDP 或 ADP作为辅因子,生成 GTP 或 ATP, 两者具有不同的组织分布特点,与不同组织的代谢偏好相适应。

  • 琥珀酸脱氢生成延胡索酸 反应由琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase) 催化。该酶结合在线粒体内膜上,是三羧酸循环中唯一与内膜结合的酶,其辅因子是 FAD。反应脱下的氢由 FAD 接受,生成FADH2,经电子传递链被氧化,生成1.5分子ATP。

  • 延胡索酸加水生成苹果酸 延胡索酸酶(fumarate hydratase) 催化此可逆反应。

  • 苹果酸脱氢生成草酰乙酸 在苹果酸脱氢酶 (malate dehydrogenase) 催化下,苹果酸 (malic acid)脱氢生成草酰乙酸。脱下的氢由NAD+接受,生成NADH+H+。在细胞内草酰乙酸不断地被用于柠檬酸合成,故这一可逆反应向生成草酰乙酸的方向进行。

三羧酸循环的主要特点是:

  • 4次脱氢生成3分子NADH和1分子FADH2。三羧酸循环中,从乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸开始,反复地进行脱氢氧化,4 次脱氢反应中的3次由NAD+接受生成3分子NADH+H+,1次由FAD接受生成1分子FADH2。这 4 分子还原当量(reducing equivalent, 一般是指以氢原子或氢离子形式存在的一个电子或一个电子当量)将电子传给氧时,才能生成ATP。
  • 2次脱羧生成2分子CO2。1分子乙酰CoA进入三羧酸循环后,中间产物三羧酸和二羧酸通过脱羧方式共生成2分子CO2, 这是体内CO2的主要来源。
  • l次底物水平磷酸化生成1分子GTP( 或ATP)。三羧酸循环每进行一轮,底物水平磷酸化只能发生1次,故不是线粒体内的主要产能方式。
Citric acid cycle with aconitate 2 zh

三羧酸循环的总反应为:
CH3CO~SCoA+3NAD++FAD+GDP(ADP)+Pi+2H20→2CO2+3NADH+3H++FADH2+HS-CoA+GTP(ATP)
值得注意的是,每一次三羧酸循环消耗1分子乙酰CoA(2个碳),释出2分子CO2, 但并非直接将乙酰CoA的2个碳原子氧化。用14C标记乙酰CoA进行的实验观察到,脱羧生成的2个CO2的碳原子来自草酰乙酸而不是乙酰CoA, 这是由于中间反应过程中碳原子置换所致。因此,每进行一轮三羧酸循环,最后再生的草酰乙酸的碳架就被更新一半,但其含量并没有增减。
另外,三羧酸循环的各种中间产物本身并无量的变化,不可能通过三羧酸循环从乙酰CoA合成草酰乙酸或其他中间产物;同样,这些中间产物也不可能直接在三羧酸循环中被氧化成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生成,两者的根本来源都是葡萄糖。

三羧酸循环在三大营养物质代谢中占核心地位[编辑]

  • 三羧酸循环是三大营养物质分解产能的共同通路

糖、脂肪、氨基酸都是能源物质,它们在体内分解最终都将产生乙酰CoA,然后进入三羧酸循环彻底氧化。三羧酸循环中,只有一个底物水平磷酸化反应生成高能磷酸键,因此三羧酸循环本身并不是直接释放能量、生成ATP 的主要环节,而是通过4次脱氢反应提供足够的还原当量,以便进行后续的电子传递过程和氧化磷酸化反应生成大量ATP。

  • 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在一定程度上相互转变。 例如,饱食时糖可以转变成脂肪,其中柠檬酸发挥重要枢纽作用。葡萄糖分解成丙酮酸后,进入线粒体内氧化脱狻生成乙酰CoA, 乙酰CoA必须再转移到细胞质以合成脂肪酸。 由于乙酰CoA不能通过线粒体内膜,于是它先与草酰乙酸缩合成柠檬酸,再通过载体转运至细胞质,在柠檬酸裂解酶(citrate 1yase)作用下裂解释放出乙酰CoA和草酰乙酸,然后乙酰CoA可作为细胞质中脂肪酸合成及胆固醇合成的原料。
又如,绝大部分氨基酸可以转变成糖。许多氨基酸的碳架是三羧酸循环的中间产物,通过草酰乙酸可转变为葡萄糖。相反,糖也可通过三羧酸循环中的各中间产物接受氨基,从而合成非必需氨基酸如天冬氨酸、谷氨酸等。

糖的有氧氧化是糖分解供能的主要方式[编辑]

糖的有氧氧化是产能的主要途径。三羧酸循环中4次脱氢反应产生的NADH和FADH2, 通过电子传递链和氧化磷酸化生成大量ATP。线粒体内,每分子NADH的氢传递给氧时,可生成2.5分子ATP; 每分子FADH2的氢则只能生成1.5分子ATP。加上底物水平磷酸化生成的1分子ATP ,l分子乙酰CoA经三羧酸循环彻底氧化,共生成10分子ATP。若从丙酮酸脱氢开始计算,共产生12.5分子ATP。
此外,糖酵解中3-磷酸甘油醛在细胞质中脱氢生成的NADH, 在氧供应充足时也要转运至线粒体内,经电子传递链和氧化磷酸化产生ATP。 将NADH从细胞质运到线粒体的机制有两种,分别产生2.5分子或者1.5分子ATP。
综上,lmol葡萄糖彻底氧化生成CO2和H20, 可净生成30或32molATP。
总的反应为:葡萄糖+30/32ADP+30/32Pi+6O2→30/32ATP+6C02+36H20

糖的有氧氧化主要受能量供需平衡调节[编辑]

机体对能量的需求变动很大,因此糖的有氧氧化作为主要产能途径,其代谢流量必须受到动态调节,才能维持体内的能量供需平衡。糖进行有氧氧化时,丙酮酸经三羧酸循环代谢的速率被两个阶段的关键酶所调节:

  • 一是调节丙酮酸脱氢酶复合体的活性,从而调控由丙酮酸生成乙酰 CoA 的速率;
  • 二是调节三羧酸循环中的 3 个关键酶活性,从而调控乙酰 CoA 彻底氧化的速率。

丙酮酸脱氢酶复合体调节乙酰CoA的生成速率[编辑]

丙酮酸脱氢酶复合体的调节

快速调节丙酮酸脱氢酶复合体的活性有两种方式:别构调节和化学修饰。
诱发别构调节的主要因素包括:

  • 细胞内能量状态:ATP 别构抑制丙酮酸脱氢酶复合体,AMP 则能将其激活。因此,ATP/AMP 比值可动态调节此酶活性。能量缺乏时该比值降低,酶被激活;能量过剩时该比值升高,酶被抑制。
  • 代谢产物生成量:丙酮酸脱氢酶复合体的反应产物乙酰 CoA 和 NADH 对其有别构抑制作用,而相应的底物 CoA 和 NAD+则使之激活。当乙酰CoA/CoA 比值升高、或 NADH/NAD+比值升高时,此酶的活性被抑制。

总之,丙酮酸脱氢酶复合体发生别构抑制的情况,可见于餐后糖分解过盛、或饥饿状态下大量脂肪酸氧化时,前者目的是避免糖分解产能过多造成浪费,后者目的是使大多数组织器官改用脂肪酸为能源,节约葡萄糖以确保对脑等重要组织的糖供给。
除别构调节外,丙酮酸脱氢酶复合体的活性还受到可逆的化学修饰调节。在丙酮酸脱氢酶激酶催化下,丙酮酸脱氢酶复合体可被磷酸化而失去活性;丙酮酸脱氢酶磷酸酶则使之去磷酸化而恢复活性。乙酰 CoA 和 NADH 除直接别构抑制丙酮酸脱氢酶复合体之外,也可间接通过增强丙酮酸脱氢酶激酶的活性而使该酶复合体失活。

三羧酸循环的关键酶调节乙酰CoA的氧化速率[编辑]

三羧酸循环有3步不可逆反应,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。三羧酸循环的速率主要取决于这些关键酶的活性, 其中异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合体的活性调节更为重要,主要调节方式包括:

  • 底物的别构激活作用:乙酰CoA和草酰乙酸作为柠檬酸合酶的底物,其含量随细胞代谢状态而改变,从而影响拧檬酸合成的速率。
  • 产物的别构抑制作用:柠檬酸生成过剩时,反馈抑制柠檬酸合酶的活性;琥珀酰CoA和NADH作为直接产物和远端产物,分别抑制α-酮戊二酸脱氢酶复合体和柠檬酸合酶的活性。
  • 能量状态的调节作用:ATP别构抑制柠檬酸合酶与异柠檬酸脱氢酶的活性;ADP则可将这两者别构激活。
  • Ca2+的激活作用:当线粒体内Ca2+浓度升高时,Ca2+不仅可直接与异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合体相结合,降低其对底物的凡而增强酶活性;也可激活丙酮酸脱氢酶复合体,从而增加丙酮酸经有氧氧化代谢的流量。

需要注意的是,柠檬酸的生成量和亚细胞分布,不仅调节三羧酸循环本身的速率,还可调节脂质合成的速率。当糖分解产能不足时,柠檬酸留在线粒体中,继续进行三羧酸循环分解供能;当糖分解产能过多时,柠檬酸可通过柠檬酸-丙酮酸循环转移至细胞质,裂解释出乙酰CoA作为合成原料,同时柠檬酸通过激活脂肪酸合成的关键酶,促进脂质合成。因此,柠檬酸是协同调节糖代谢和脂代谢的枢纽物质。

糖的有氧氧化各阶段相互协调[编辑]

糖进行有氧氧化时,各阶段的代谢速率调节并非彼此孤立,而是紧密联系、相互协调,这主要是因为其中的多种关键酶可被一些相同的别构剂所调节。
通过共同的代谢物别构调节各阶段的关键酶
在正常情况下,糖酵解和丙酮酸经三羧酸循环代谢的速度是相协调的。在糖酵解中产生了多少丙酮酸, 三羧酸循环就正好需要多少丙酮酸来提供乙酰CoA。这种协调主要通过同一别构剂对多种关键酶的调节而实现:

  • 柠檬酸别构剂:糖产能过多时,柠檬酸不仅在线粒体内抑制柠檬酸合酶,还可转运至细胞质抑制磷酸果糖激酶-1,从而使糖酵解和三羧酸循环同时受到负反馈调节。
  • NADH别构剂:线粒体内NADH不仅抑制丙酮酸脱氢酶复合体,还可抑制拧檬酸合酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体,从而使丙酮酸氧化脱羧和三羧酸循环受到协同的负反馈调节。此外,如果糖分解产生的大量NADH进入下游氧化磷酸化的代谢速度减慢,就会导致NADH积累,进而抑制上游丙酮酸的氧化分解。

总之,在糖有氧氧化的所有阶段,糖酵解、丙酮酸氧化脱羧、三羧酸循环和氧化磷酸化的运行速率彼此配合、相互适应。
能量状态协同调节糖有氧氧化各阶段的关键酶
糖有氧氧化的调节是为了适应机体对能量的需要,为此,细胞内ATP/ADP或ATP/AMP比值同时调节糖的有氧氧化各阶段中诸多关键酶的活性,使其流量调控始终保持协调一致。当细胞消耗ATP时,引起ADP和AMP浓度升高,别构激活磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶、丙酮酸脱氢酶复合体、柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶以及氧化磷酸化的相关酶,加速进行有氧氧化以补充ATP。反之,当细胞内ATP充足时,上述酶的活性降低,从而减弱有氧氧化以避免浪费。
与ATP/ADP相比,ATP/AMP对有氧氧化的调节作用更为明显。这是因为ATP被水解成ADP后,ADP也被消耗,经腺苷酸激酶催化再生成一些ATP(2ADP→ATP+AMP)。因此,ATP和ADP的同时消耗,使得ATP/ADP的变化相对较小。而细胞内ATP的浓度约为AMP的50倍,由于AMP的浓度很低,所以每生成1分子AMP,ATP/AMP的变动就比ATP/ADP的变动大得多,从而发挥更有效的调节作用。

糖氧化产能方式的选择有组织偏好[编辑]

对于存在线粒体的细胞,利用葡萄糖分解产能时选择有氧氧化还是无氧氧化,主要取决于不同类型组织器官的代谢特点。例如,肌组织在有氧条件下,糖的有氧氧化活跃,而无氧氧化则受到抑制,这一现象称为巴斯德效应(Pasteur effect)。该效应最初在酵母菌中被发现,无氧时酵母菌进行生醇发酵(无氧氧化),将其转移至有氧环境后,生醇发酵即被抑制。肌组织发生巴斯德效应的机制是,细胞质中糖酵解所产生NADH的去路,决定了酵解产物丙酮酸的代谢去向。有氧时,细胞质中NADH一旦产生立即进入线粒体内氧化,糖酵解最后生成的丙酮酸也就接着运入线粒体进行有氧氧化;缺氧时,NADH留在细胞质,以丙酮酸为受氢体,使之还原生成乳酸。因此,糖的有氧氧化可抑制糖的无氧氧化。
又如,增殖活跃的组织(如肿瘤)即使在有氧时,葡萄糖也不被彻底氧化,而是被分解生成乳酸,此现象称为瓦伯格效应(Warburg effect)。一般来说,无氧氧化时的葡萄糖消耗量显著多于有氧氧化,这是因为无氧氧化产能偏少,ATP/ADP比值相对较低,对磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶的激活作用显著,从而使无氧分解的葡萄糖更多。瓦伯格效应使肿瘤细胞获得生存优势,其重要原因之一是无氧氧化可避免将葡萄糖全部分解成CO2,从而为肿瘤快速生长积累大量的生物合成原料。肿瘤的这一代谢特征已成为疾病诊治的新依据和突破点。