生物化學與分子生物學/糖的有氧氧化

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糖代謝 - 糖的攝取與利用 - 糖的無氧氧化 - 糖的有氧氧化 - 磷酸戊糖途徑 - 糖原的合成與分解 - 糖異生 - 葡萄糖的其他代謝途徑 - 血糖及其調節
機體利用氧將葡萄糖徹底氧化成CO2和H2O的反應過程稱為糖的有氧氧化 (aerobic oxidation of glucose)。有氧氧化是體內糖分解供能的主要方式,絕大多數細胞都通過它獲得能量。在肌組織中葡萄糖通過無氧氧化所生成的乳酸,也可作為運動時機體某些組織(如心肌)的重要能源,徹底氧化生成CO2和H2O,提供較為充足的能量。

糖的有氧氧化分為三個階段[編輯]

糖的有氧氧化分為三個階段:

  • 第一階段葡萄糖在細胞質中經糖酵解生成丙酮酸;
  • 第二階段丙酮酸進入線粒體氧化脫羧生成乙醯CoA;
  • 第三階段乙醯CoA進入三羧酸循環,並偶聯進行氧化磷酸化。

葡萄糖經糖酵解生成丙酮酸[編輯]

同糖無氧氧化的第一階段。

丙酮酸進入線粒體氧化脫羧生成乙醯CoA[編輯]

丙酮酸在線粒體經過5步反應氧化脫羧生成乙醯CoA(acetyl CoA), 總反應式為:
丙酮酸+NAD++HS-CoA→乙醯CoA+NADH+H++CO2
此反應由丙酮酸脫氫酶複合體(pyruvate dehydrogenase complex)催化。在真核細胞中,該酶複合體存在於線粒體中,是由丙酮酸脫氫酶(E1)、二氫硫辛醯胺轉乙醯酶(E2) 和二氫硫辛醯胺脫氫酶(E3)按一定比例組合而成的。在哺乳動物細胞中,丙酮酸脫氫酶複合體由 60 個E2組成核心,周圍排列着6個 E3 、20或30個 E1。參與反應的輔因子有焦磷酸硫胺素(TPP) 、硫辛酸、 FAD、 NAD+和 CoA。二氫硫辛醯胺轉乙醯酶的輔因子是硫辛酸和 CoA,其中硫辛酸是帶有二硫鍵的八碳羧酸,通過與轉乙醯酶的賴氨酸殘基的ε-氨基相連,形成與酶結合的硫辛醯胺而成為酶的柔性長臂,可將乙醯基從酶複合體的一個活性部位轉到另一個活性部位。丙酮酸脫氫酶的輔因子是 TPP,二氫硫辛醯胺脫氫酶的輔因子是 FAD、NAD+
丙酮酸脫氫酶複合體催化的反應分為5步:

丙酮酸脫氫酶複合體作用機制
  • 由丙酮酸脫氫酶(E1)催化,丙酮酸脫羧形成羥乙基-TPP-E1。TPP 噻唑環上的 N 與 S 之間活潑的碳原子可釋放出 H+ ,而成為負碳離子,與丙酮酸的碳基作用,使丙酮酸脫羧產生 CO2 ,同時形成羥乙基-TPP。
  • 由二氫硫辛醯胺轉乙醯酶(E2)催化,使羥乙基-TPP-E1上的羥乙基被氧化成乙醯基,同時轉移給硫辛醯胺,形成乙醯硫辛醯胺-E2
  • 二氫硫辛醯胺轉乙醯酶(E2)繼續催化,使乙醯硫辛醯胺上的乙醯基轉移給 CoA 生成乙醯 CoA 後,離開酶複合體,同時氧化過程中的2個電子使硫辛醯胺還原生成二氫硫辛醯胺。
  • 由二氫硫辛醯胺脫氫酶(E3)催化,二氫硫辛醯胺脫氫重新生成硫辛醯胺,以進行下一輪反應,同時將氫傳遞給 FAD,生成FADH2
  • 由二氫硫辛醯胺脫氫酶(E3)繼續催化,將FADH2上的氫轉移給 NAD+,形成 NADH+H+

在整個反應過程中,中間產物並不離開酶複合體,這就使得上述各步反應得以迅速完成,而且因沒有游離的中間產物,所以不會發生副反應。丙酮酸氧化脫羧反應的ΔG°'=-33.4kJ/mol, 故反應是不可逆的。

乙醯CoA經三羧酸循環及氧化磷酸化提供能量[編輯]

三羧酸循環的第一步是由乙醯CoA與草醯乙酸縮合生成6個碳原子的擰檬酸,然後擰檬酸經過一系列反應重新生成草醯乙酸,完成一輪循環。經過一輪循環,發生2次脫羧反應,釋放2分子CO2;發生1次底物水平磷酸化,生成1分子GTP(或ATP);有4次脫氫反應,氫的接受體分別為NAD+或FAD, 生成3分子NADH+H+和1分子FADH2,它們既是三羧酸循環中脫氫酶的輔因子,又是電子傳遞鏈的第一個環節。電子傳遞鏈由一系列氧化還原體系組成,它們的功能是將H+或電子依次傳遞至氧,生成水。在H+或電子沿電子傳遞鏈傳遞過程中逐步釋放能量,同時伴有ADP磷酸化生成ATP,即氧化與磷酸化反應是偶聯在一起的。

三羧酸循環使乙醯CoA徹底氧化[編輯]

三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle, TCA cycle)亦稱擰檬酸循環(citric acid cycle) , 是線粒體內一系列酶促反應所構成的循環反應體系,由於其第一個中間產物是含有3個羧基的擰檬酸(citric acid)而得名。因為該學說由Krebs正式提出,亦稱為Krebs循環。

三羧酸循環由八步反應組成[編輯]

乙醯CoA(主要來自於三大營養物質的分解代謝)經三羧酸循環分解時,共經歷8步反應,主要涉及4次脫氫、2次脫羧和1次底物水平磷酸化。

  • 乙醯CoA與草醯乙酸縮合成檸檬酸 此為三羧酸循環的第一個限速步驟,由擰檬酸合酶(citrate synthase)催化,1分子乙醯CoA與1分子草醯乙酸(oxaloacetate)縮合生成檸檬酸,縮合反應所需能量來自乙醯CoA的高能硫酯鍵。由於高能硫酯鍵水解時可釋放較多的自由能,ΔG°'為-32.2kJ/mol, 故為不可逆反應。檸檬酸合酶對草醯乙酸的Km很低,即使線粒體內草醯乙酸的濃度很低,反應也能夠迅速進行。

  • 檸檬酸經順烏頭酸轉變為異檸檬酸 檸檬酸與異檸檬酸(isocitrate)的異構化可逆互變反應由順烏頭酸酶催化,將C3上的羥基移至C2上。反應的中間產物順烏頭酸與酶結合在一起,以複合物的形式存在。

  • 異檸檬酸氧化脫羧轉變為α-酮戊二酸 異檸檬酸在異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase)催化下氧化脫羧產生CO2 ,脫下的氫由NAD+接受,生成NADH+H+, 其餘碳鏈骨架部分轉變為α-酮戊二酸(α-ketoglutrate)。這是三羧酸循環中的第一次氧化脫羧反應,也是第二個限速步驟,反應不可逆,釋出的CO2可被視作乙醯CoA的1個碳原子氧化產物。

  • α-酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀醯CoA α-酮戊二酸繼續發生氧化脫羧產生CO2, 脫下的氫由NAD+接受,生成NADH+H+。其餘碳鏈骨架部分轉變為琥珀醯CoA(succinyl CoA) , 它含有高能硫酯鍵。催化此反應的酶是α-酮戊二酸脫氫酶複合體(α-ketoglutarate dehydrogenase complex) , 其組成和催化反應過程與丙酮酸脫氫酶複合體類似,這就使得α-酮戊二酸的脫羧、脫氫、形成高能硫酯鍵等反應可迅速完成。此為三羧酸循環中的第二次氧化脫羧反應,也是第三個限速步驟,反應不可逆,釋出的CO2可被視作乙醯 CoA 的另 1 個碳原子氧化產物。

  • 琥珀醯CoA合成酶催化底物水平磷酸化反應 琥珀醯 CoA 含有高能硫酯鍵,ΔG°'約為 -36kJ/mol。它水解生成琥珀酸 (succinic acid) 的同時,與核苷二磷酸的磷酸化偶聯,生成高能磷酸鍵,反應是可逆的。 這是三羧酸循環中唯一的底物水平磷酸化反應,由琥珀醯 CoA 合成酶(succinyl CoA synthetase) 催化。該酶在哺乳動物體內有兩種同工酶,分別以 GDP 或 ADP作為輔因子,生成 GTP 或 ATP, 兩者具有不同的組織分布特點,與不同組織的代謝偏好相適應。

  • 琥珀酸脫氫生成延胡索酸 反應由琥珀酸脫氫酶(succinate dehydrogenase) 催化。該酶結合在線粒體內膜上,是三羧酸循環中唯一與內膜結合的酶,其輔因子是 FAD。反應脫下的氫由 FAD 接受,生成FADH2,經電子傳遞鏈被氧化,生成1.5分子ATP。

  • 延胡索酸加水生成蘋果酸 延胡索酸酶(fumarate hydratase) 催化此可逆反應。

  • 蘋果酸脫氫生成草醯乙酸 在蘋果酸脫氫酶 (malate dehydrogenase) 催化下,蘋果酸 (malic acid)脫氫生成草醯乙酸。脫下的氫由NAD+接受,生成NADH+H+。在細胞內草醯乙酸不斷地被用於檸檬酸合成,故這一可逆反應向生成草醯乙酸的方向進行。

三羧酸循環的主要特點是:

  • 4次脫氫生成3分子NADH和1分子FADH2。三羧酸循環中,從乙醯CoA與草醯乙酸縮合成檸檬酸開始,反覆地進行脫氫氧化,4 次脫氫反應中的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。這 4 分子還原當量(reducing equivalent, 一般是指以氫原子或氫離子形式存在的一個電子或一個電子當量)將電子傳給氧時,才能生成ATP。
  • 2次脫羧生成2分子CO2。1分子乙醯CoA進入三羧酸循環後,中間產物三羧酸和二羧酸通過脫羧方式共生成2分子CO2, 這是體內CO2的主要來源。
  • l次底物水平磷酸化生成1分子GTP( 或ATP)。三羧酸循環每進行一輪,底物水平磷酸化只能發生1次,故不是線粒體內的主要產能方式。
Citric acid cycle with aconitate 2 zh

三羧酸循環的總反應為:
CH3CO~SCoA+3NAD++FAD+GDP(ADP)+Pi+2H20→2CO2+3NADH+3H++FADH2+HS-CoA+GTP(ATP)
值得注意的是,每一次三羧酸循環消耗1分子乙醯CoA(2個碳),釋出2分子CO2, 但並非直接將乙醯CoA的2個碳原子氧化。用14C標記乙醯CoA進行的實驗觀察到,脫羧生成的2個CO2的碳原子來自草醯乙酸而不是乙醯CoA, 這是由於中間反應過程中碳原子置換所致。因此,每進行一輪三羧酸循環,最後再生的草醯乙酸的碳架就被更新一半,但其含量並沒有增減。
另外,三羧酸循環的各種中間產物本身並無量的變化,不可能通過三羧酸循環從乙醯CoA合成草醯乙酸或其他中間產物;同樣,這些中間產物也不可能直接在三羧酸循環中被氧化成CO2和H2O。三羧酸循環中的草醯乙酸主要來自丙酮酸的直接羧化,也可通過蘋果酸脫氫生成,兩者的根本來源都是葡萄糖。

三羧酸循環在三大營養物質代謝中占核心地位[編輯]

  • 三羧酸循環是三大營養物質分解產能的共同通路

糖、脂肪、胺基酸都是能源物質,它們在體內分解最終都將產生乙醯CoA,然後進入三羧酸循環徹底氧化。三羧酸循環中,只有一個底物水平磷酸化反應生成高能磷酸鍵,因此三羧酸循環本身並不是直接釋放能量、生成ATP 的主要環節,而是通過4次脫氫反應提供足夠的還原當量,以便進行後續的電子傳遞過程和氧化磷酸化反應生成大量ATP。

  • 三羧酸循環是糖、 脂肪、胺基酸代謝聯繫的樞紐

三大營養物質通過三羧酸循環在一定程度上相互轉變。 例如,飽食時糖可以轉變成脂肪,其中檸檬酸發揮重要樞紐作用。葡萄糖分解成丙酮酸後,進入線粒體內氧化脫狻生成乙醯CoA, 乙醯CoA必須再轉移到細胞質以合成脂肪酸。 由於乙醯CoA不能通過線粒體內膜,於是它先與草醯乙酸縮合成檸檬酸,再通過載體轉運至細胞質,在檸檬酸裂解酶(citrate 1yase)作用下裂解釋放出乙醯CoA和草醯乙酸,然後乙醯CoA可作為細胞質中脂肪酸合成及膽固醇合成的原料。
又如,絕大部分胺基酸可以轉變成糖。許多胺基酸的碳架是三羧酸循環的中間產物,通過草醯乙酸可轉變為葡萄糖。相反,糖也可通過三羧酸循環中的各中間產物接受氨基,從而合成非必需胺基酸如天冬氨酸、穀氨酸等。

糖的有氧氧化是糖分解供能的主要方式[編輯]

糖的有氧氧化是產能的主要途徑。三羧酸循環中4次脫氫反應產生的NADH和FADH2, 通過電子傳遞鏈和氧化磷酸化生成大量ATP。線粒體內,每分子NADH的氫傳遞給氧時,可生成2.5分子ATP; 每分子FADH2的氫則只能生成1.5分子ATP。加上底物水平磷酸化生成的1分子ATP ,l分子乙醯CoA經三羧酸循環徹底氧化,共生成10分子ATP。若從丙酮酸脫氫開始計算,共產生12.5分子ATP。
此外,糖酵解中3-磷酸甘油醛在細胞質中脫氫生成的NADH, 在氧供應充足時也要轉運至線粒體內,經電子傳遞鏈和氧化磷酸化產生ATP。 將NADH從細胞質運到線粒體的機制有兩種,分別產生2.5分子或者1.5分子ATP。
綜上,lmol葡萄糖徹底氧化生成CO2和H20, 可淨生成30或32molATP。
總的反應為: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調節[編輯]

機體對能量的需求變動很大,因此糖的有氧氧化作為主要產能途徑,其代謝流量必須受到動態調節,才能維持體內的能量供需平衡。糖進行有氧氧化時,丙酮酸經三羧酸循環代謝的速率被兩個階段的關鍵酶所調節:

  • 一是調節丙酮酸脫氫酶複合體的活性,從而調控由丙酮酸生成乙醯 CoA 的速率;
  • 二是調節三羧酸循環中的 3 個關鍵酶活性,從而調控乙醯 CoA 徹底氧化的速率。

丙酮酸脫氫酶複合體調節乙醯CoA的生成速率[編輯]

丙酮酸脫氫酶複合體的調節

快速調節丙酮酸脫氫酶複合體的活性有兩種方式:別構調節和化學修飾。
誘發別構調節的主要因素包括:

  • 細胞內能量狀態:ATP 別構抑制丙酮酸脫氫酶複合體,AMP 則能將其激活。因此,ATP/AMP 比值可動態調節此酶活性。能量缺乏時該比值降低,酶被激活;能量過剩時該比值升高,酶被抑制。
  • 代謝產物生成量:丙酮酸脫氫酶複合體的反應產物乙醯 CoA 和 NADH 對其有別構抑制作用,而相應的底物 CoA 和 NAD+則使之激活。當乙醯CoA/CoA 比值升高、或 NADH/NAD+比值升高時,此酶的活性被抑制。

總之,丙酮酸脫氫酶複合體發生別構抑制的情況,可見於餐後糖分解過盛、或飢餓狀態下大量脂肪酸氧化時,前者目的是避免糖分解產能過多造成浪費,後者目的是使大多數組織器官改用脂肪酸為能源,節約葡萄糖以確保對腦等重要組織的糖供給。
除別構調節外,丙酮酸脫氫酶複合體的活性還受到可逆的化學修飾調節。在丙酮酸脫氫酶激酶催化下,丙酮酸脫氫酶複合體可被磷酸化而失去活性;丙酮酸脫氫酶磷酸酶則使之去磷酸化而恢復活性。乙醯 CoA 和 NADH 除直接別構抑制丙酮酸脫氫酶複合體之外,也可間接通過增強丙酮酸脫氫酶激酶的活性而使該酶複合體失活。

三羧酸循環的關鍵酶調節乙醯CoA的氧化速率[編輯]

三羧酸循環有3步不可逆反應,分別由檸檬酸合酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶複合體催化。三羧酸循環的速率主要取決於這些關鍵酶的活性, 其中異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶複合體的活性調節更為重要,主要調節方式包括:

  • 底物的別構激活作用:乙醯CoA和草醯乙酸作為檸檬酸合酶的底物,其含量隨細胞代謝狀態而改變,從而影響擰檬酸合成的速率。
  • 產物的別構抑制作用:檸檬酸生成過剩時,反饋抑制檸檬酸合酶的活性;琥珀醯CoA和NADH作為直接產物和遠端產物,分別抑制α-酮戊二酸脫氫酶複合體和檸檬酸合酶的活性。
  • 能量狀態的調節作用:ATP別構抑制檸檬酸合酶與異檸檬酸脫氫酶的活性;ADP則可將這兩者別構激活。
  • Ca2+的激活作用:當線粒體內Ca2+濃度升高時,Ca2+不僅可直接與異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶複合體相結合,降低其對底物的凡而增強酶活性;也可激活丙酮酸脫氫酶複合體,從而增加丙酮酸經有氧氧化代謝的流量。

需要注意的是,檸檬酸的生成量和亞細胞分布,不僅調節三羧酸循環本身的速率,還可調節脂質合成的速率。當糖分解產能不足時,檸檬酸留在線粒體中,繼續進行三羧酸循環分解供能;當糖分解產能過多時,檸檬酸可通過檸檬酸-丙酮酸循環轉移至細胞質,裂解釋出乙醯CoA作為合成原料,同時檸檬酸通過激活脂肪酸合成的關鍵酶,促進脂質合成。因此,檸檬酸是協同調節糖代謝和脂代謝的樞紐物質。

糖的有氧氧化各階段相互協調[編輯]

糖進行有氧氧化時,各階段的代謝速率調節並非彼此孤立,而是緊密聯繫、相互協調,這主要是因為其中的多種關鍵酶可被一些相同的別構劑所調節。
通過共同的代謝物別構調節各階段的關鍵酶
在正常情況下,糖酵解和丙酮酸經三羧酸循環代謝的速度是相協調的。在糖酵解中產生了多少丙酮酸, 三羧酸循環就正好需要多少丙酮酸來提供乙醯CoA。這種協調主要通過同一別構劑對多種關鍵酶的調節而實現:

  • 檸檬酸別構劑:糖產能過多時,檸檬酸不僅在線粒體內抑制檸檬酸合酶,還可轉運至細胞質抑制磷酸果糖激酶-1,從而使糖酵解和三羧酸循環同時受到負反饋調節。
  • NADH別構劑:線粒體內NADH不僅抑制丙酮酸脫氫酶複合體,還可抑制擰檬酸合酶、α-酮戊二酸脫氫酶複合體,從而使丙酮酸氧化脫羧和三羧酸循環受到協同的負反饋調節。此外,如果糖分解產生的大量NADH進入下游氧化磷酸化的代謝速度減慢,就會導致NADH積累,進而抑制上游丙酮酸的氧化分解。

總之,在糖有氧氧化的所有階段,糖酵解、丙酮酸氧化脫羧、三羧酸循環和氧化磷酸化的運行速率彼此配合、相互適應。
能量狀態協同調節糖有氧氧化各階段的關鍵酶
糖有氧氧化的調節是為了適應機體對能量的需要,為此,細胞內ATP/ADP或ATP/AMP比值同時調節糖的有氧氧化各階段中諸多關鍵酶的活性,使其流量調控始終保持協調一致。當細胞消耗ATP時,引起ADP和AMP濃度升高,別構激活磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶、丙酮酸脫氫酶複合體、檸檬酸合酶、異檸檬酸脫氫酶以及氧化磷酸化的相關酶,加速進行有氧氧化以補充ATP。反之,當細胞內ATP充足時,上述酶的活性降低,從而減弱有氧氧化以避免浪費。
與ATP/ADP相比,ATP/AMP對有氧氧化的調節作用更為明顯。這是因為ATP被水解成ADP後,ADP也被消耗,經腺苷酸激酶催化再生成一些ATP(2ADP→ATP+AMP)。因此,ATP和ADP的同時消耗,使得ATP/ADP的變化相對較小。而細胞內ATP的濃度約為AMP的50倍,由於AMP的濃度很低,所以每生成1分子AMP,ATP/AMP的變動就比ATP/ADP的變動大得多,從而發揮更有效的調節作用。

糖氧化產能方式的選擇有組織偏好[編輯]

對於存在線粒體的細胞,利用葡萄糖分解產能時選擇有氧氧化還是無氧氧化,主要取決於不同類型組織器官的代謝特點。例如,肌組織在有氧條件下,糖的有氧氧化活躍,而無氧氧化則受到抑制,這一現象稱為巴斯德效應(Pasteur effect)。該效應最初在酵母菌中被發現,無氧時酵母菌進行生醇發酵(無氧氧化),將其轉移至有氧環境後,生醇發酵即被抑制。肌組織發生巴斯德效應的機制是,細胞質中糖酵解所產生NADH的去路,決定了酵解產物丙酮酸的代謝去向。有氧時,細胞質中NADH一旦產生立即進入線粒體內氧化,糖酵解最後生成的丙酮酸也就接着運入線粒體進行有氧氧化;缺氧時,NADH留在細胞質,以丙酮酸為受氫體,使之還原生成乳酸。因此,糖的有氧氧化可抑制糖的無氧氧化。
又如,增殖活躍的組織(如腫瘤)即使在有氧時,葡萄糖也不被徹底氧化,而是被分解生成乳酸,此現象稱為瓦伯格效應(Warburg effect)。一般來說,無氧氧化時的葡萄糖消耗量顯著多於有氧氧化,這是因為無氧氧化產能偏少,ATP/ADP比值相對較低,對磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶的激活作用顯著,從而使無氧分解的葡萄糖更多。瓦伯格效應使腫瘤細胞獲得生存優勢,其重要原因之一是無氧氧化可避免將葡萄糖全部分解成CO2,從而為腫瘤快速生長積累大量的生物合成原料。腫瘤的這一代謝特徵已成為疾病診治的新依據和突破點。