生物化學與分子生物學/糖的有氧氧化
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葡萄糖在有氧條件下，氧化分解生成二氧化碳和水的過程稱為糖的有氧氧化(aerobicoxidation)。有氧氧化是糖分解代謝的主要方式，大多數(shù)組織中的葡萄糖均進行有氧氧化分解供給機體能量。
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(一)有氧氧化過程
糖的有氧氧化分兩個階段進行。第一階段是由葡萄糖生成的丙酮酸，在細胞液中進行。第二階段是上述過程中產(chǎn)生的NADH+H+和丙酮酸在有氧狀態(tài)下，進入線粒體中，丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA進入三羧酸循環(huán)，進而氧化生成CO2和H2O，同時NADH+H+等可經(jīng)呼吸鏈傳遞，伴隨氧化磷酸化過程生成H2O和ATP，下面主要將討論有氧氧化在線粒體中進行的第二階段代謝。
1.丙酮酸的氧化脫羧
催化氧化脫羧的酶是丙酮酸脫氫酶系(pyruvatedehydrogenase system)，此多酶復(fù)合體括丙酮酸脫羧酶，輔酶是TPP，二氫硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶，輔酶是二氫硫辛酸和輔酶A，還有二氫硫辛酸脫氫酶，輔酶是FAD及存在于線粒體基質(zhì)液中的NAD+，多酶復(fù)合體形成了緊密相連的連鎖反應(yīng)機構(gòu)，提高了催化效率。
從丙酮酸到乙酰CoA是糖有氧氧化中關(guān)鍵的不可逆反應(yīng)，催化這個反應(yīng)的丙酮酸脫氫酶系受到很多因素的影響，反應(yīng)中的產(chǎn)物，乙酰CoA和NADH++H+可以分別抑制酶系中的二氫硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶和二氫硫辛酸脫氫酶的活性，丙酮酸脫羧酶(pyruvate decarboxylase,PDC)活性受ADP和胰島素的激活，受ATP的抑制。
丙酮酸脫氫反應(yīng)的重要特征是丙酮酸氧化釋放的自由能貯存在乙酰CoA中的高能硫酯鍵中，并生成NADH+H+(圖4-4)。
圖4-4 丙酮酸脫氫酶復(fù)合物的作用機制
2.三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle)
乙酰CoA進入由一連串反應(yīng)構(gòu)成的循環(huán)體系，被氧化生成H2O和CO2。由于這個循環(huán)反應(yīng)開始于乙酰CoA與草酰乙酸(oxaloacetate)縮合生成的含有三個羧基的檸檬酸，因此稱之為三羧酸循環(huán)或檸檬酸循環(huán)(citric acid cycle)。其詳細過程如下：
(1)乙酰CoA進入三羧酸循環(huán)
乙酰CoA具有硫酯鍵，乙?；?/a>有足夠能量與草酰乙酸的羧基進行醛醇型縮合。首先從CH3CO基上除去一個H+，生成的陰離子對草酰乙酸的羰基碳進行親核攻擊，生成檸檬酰CoA中間體，然后高能硫酯鍵水解放出游離的檸檬酸，使反應(yīng)不可逆地向右進行。該反應(yīng)由檸檬酸合成酶(citrate synthetase)催化，是很強的放能反應(yīng)。
由草酰乙酸和乙酰CoA合成檸檬酸是三羧酸循環(huán)的重要調(diào)節(jié)點，檸檬酸合成酶是一個變構(gòu)酶，ATP是檸檬酸合成酶的變構(gòu)抑制劑，此外，α-酮戊二酸、NADH能變構(gòu)抑制其活性，長鏈脂酰CoA也可抑制它的活性，AMP可對抗ATP的抑制而起激活作用。
(2)異檸檬酸形成
檸檬酸的叔醇基不易氧化，轉(zhuǎn)變成異檸檬酸而使叔醇變成仲醇，就易于氧化，此反應(yīng)由順烏頭酸酶催化，為一可逆反應(yīng)。
(3)第一次氧化脫酸
在異檸檬酸脫氫酶作用下，異檸檬酸的仲醇氧化成羰基，生成草酰琥珀酸(oxalosuccinate)的中間產(chǎn)物，后者在同一酶表面，快速脫羧生成α-酮戊二酸(αketoglutarate)、NADH和CO2，此反應(yīng)為β-氧化脫羧，此酶需要Mn2+作為激活劑。
此反應(yīng)是不可逆的，是三羧酸循環(huán)中的限速步驟，ADP是異檸檬酸脫氫酶的激活劑，而ATP，NADH是此酶的抑制劑。
(4)第二次氧化脫羧
在α-酮戊二酸脫氫酶系作用下，α-酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀酰CoA、NADH+H+和CO2，反應(yīng)過程完全類似于丙酮酸脫氫酶系催化的氧化脫羧，屬于α氧化脫羧，氧化產(chǎn)生的能量中一部分儲存于琥珀酰CoA的高能硫酯鍵中。
α-酮戊二酸脫氫酶系也由三個酶(α-酮戊二酸脫羧酶、硫辛酸琥珀酰基轉(zhuǎn)移酶、二氫硫辛酸脫氫酶)和五個輔酶(TPP、硫辛酸、HSCoA、NAD+、FAD)組成。
此反應(yīng)也是不可逆的。α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體受ATP、GTP、NAPH和琥珀酰CoA抑制，但其不受磷酸化/去磷酸化的調(diào)控。
在琥珀酸硫激酶(succinatethiokinase)的作用下，琥珀酰CoA的硫酯鍵水解，釋放的自由能用于合成GTP，在細菌和高等生物可直接生成ATP，在哺乳動物中，先生成GTP，再生成ATP，此時，琥珀酰CoA生成琥珀酸和輔酶A。
(6)琥珀酸脫氫
琥珀酸脫氫酶(succinatedehydrogenase)催化琥珀酸氧化成為延胡索酸。該酶結(jié)合在線粒體內(nèi)膜上，而其他三羧酸循環(huán)的酶則都是存在線粒體基質(zhì)中的，這酶含有鐵硫中心和共價結(jié)合的FAD，來自琥珀酸的電子通過FAD和鐵硫中心，然后進入電子傳遞鏈到O2，丙二酸是琥珀酸的類似物，是琥珀酸脫氫酶強有力的競爭性抑制物，所以可以阻斷三羧酸循環(huán)。
(7)延胡索酸的水化
延胡索酸酶僅對延胡索酸的反式雙鍵起作用，而對順丁烯二酸(馬來酸)則無催化作用，因而是高度立體特異性的。
(8)草酰乙酸再生
在蘋果酸脫氫酶(malicdehydrogenase)作用下，蘋果酸仲醇基脫氫氧化成羰基，生成草酰乙酸(oxalocetate)，NAD+是脫氫酶的輔酶，接受氫成為NADH+H+(圖4-5)。
圖4-5 三羧酸循環(huán)
三羰酸循環(huán)總結(jié)：
乙酰CoA+3NADH++FAD+GDP+Pi+2H2O—→
2CO2+3NADH+FADH2+GTP+3H+ +CoASH
①CO2的生成，循環(huán)中有兩次脫羧基反應(yīng)(反應(yīng)3和反應(yīng)4)兩次都同時有脫氫作用，但作用的機理不同，由異檸檬酸脫氫酶所催化的β氧化脫羧，輔酶是NAD+，它們先使底物脫氫生成草酰琥珀酸，然后在Mn2+或Mg2+的協(xié)同下，脫去羧基，生成α-酮戊二酸。
α-酮戊二酸脫氫酶系所催化的α氧化脫羧反應(yīng)和前述丙酮酸脫氫酶系所催經(jīng)的反應(yīng)基本相同。
應(yīng)當指出，通過脫羧作用生成CO2，是機體內(nèi)產(chǎn)生CO2的普遍規(guī)律，由此可見，機體CO2的生成與體外燃燒生成CO2的過程截然不同。
②三羧酸循環(huán)的四次脫氫，其中三對氫原子以NAD+為受氫體，一對以FAD為受氫體，分別還原生成NADH+H+和FADH2。它們又經(jīng)線粒體內(nèi)遞氫體系傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，在此過程中釋放出來的能量使ADP和Pi結(jié)合生成ATP，凡NADH+H+參與的遞氫體系，每2H氧化成一分子H2O，生成3分子ATP，而FADH2參與的遞氫體系則生成2分子ATP，再加上三羧酸循環(huán)中有一次底物磷酸化產(chǎn)生一分子ATP，那么，一分子CH2COSCoA參與三羧酸循環(huán)，直至循環(huán)終末共生成12分子ATP。
③乙酰CoA中乙?；奶荚樱阴oA進入循環(huán)，與四碳受體分子草酰乙酸縮合，生成六碳的檸檬酸，在三羧酸循環(huán)中有二次脫羧生成2分子CO2，與進入循環(huán)的二碳乙?；奶荚訑?shù)相等，但是，以CO2方式失去的碳并非來自乙?；膬蓚€碳原子，而是來自草酰乙酸。
④三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物，從理論上講，可以循環(huán)不消耗，但是由于循環(huán)中的某些組成成分還可參與合成其他物質(zhì)，而其他物質(zhì)也可不斷通過多種途徑而生成中間產(chǎn)物，所以說三羧酸循環(huán)組成成分處于不斷更新之中。
α-酮戊二酸——→谷氨酸
草酰乙酸——→丙酮酸——→丙氨酸
其中丙酮酸羧化酶催化的生成草酰乙酸的反應(yīng)最為重要。
因為草酰乙酸的含量多少，直接影響循環(huán)的速度，因此不斷補充草酰乙酸是使三羧酸循環(huán)得以順利進行的關(guān)鍵。
三羧酸循環(huán)中生成的蘋果酸和草酰乙酸也可以脫羧生成丙酮酸，再參與合成許多其他物質(zhì)或進一步氧化(圖4-6)。
(二)糖有氧氧化的生理意義
1.三羧酸循環(huán)是機體獲取能量的主要方式。1個分子葡萄糖經(jīng)無氧酵解僅凈生成2個分子ATP，而有氧氧化可凈生成38個ATP(如表4?)，其中三羧酸循環(huán)生成24個ATP，在一般生理條件下，許多組織細胞皆從糖的有氧氧化獲得能量。糖的有氧氧化不但釋能效率高，而且逐步釋能，并逐步儲存于ATP分子中，因此能的利用率也很高。
2.三羧酸循環(huán)是糖，脂肪和蛋白質(zhì)三種主要有機物在體內(nèi)徹底氧化的共同代謝途徑，三羧酸循環(huán)的起始物乙酰輔酶A，不但是糖氧化分解產(chǎn)物，它也可來自脂肪的甘油、脂肪酸和來自蛋白質(zhì)的某些氨基酸代謝，因此三羧酸循環(huán)實際上是三種主要有機物在體內(nèi)氧化供能的共同通路，估計人體內(nèi)2/3的有機物是通過三羧酸循環(huán)而被分解的。
3.三羧酸循環(huán)是體內(nèi)三種主要有機物互變的聯(lián)結(jié)機構(gòu)，因糖和甘油在體內(nèi)代謝可生成α-酮戊二酸及草酰乙酸等三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物，這些中間產(chǎn)物可以轉(zhuǎn)變成為某些氨基酸；而有些氨基酸又可通過不同途徑變成α-酮戊二酸和草酰乙酸，再經(jīng)糖異生的途徑生成糖或轉(zhuǎn)變成甘油，因此三羧酸循環(huán)不僅是三種主要的有機物分解代謝的最終共同途徑，而且也是它們互變的聯(lián)絡(luò)機構(gòu)。
(三)糖有氧氧化的調(diào)節(jié)
如上所述糖有氧氧化分為兩個階段，第一階段糖酵解途徑的調(diào)節(jié)在糖酵解部分已探討過，下面主要討論第二階段丙酸酸氧化脫羧生成乙酰CoA并進入三羧酸循環(huán)的一系列反應(yīng)的調(diào)節(jié)。丙酮酸脫氫酶復(fù)合體、檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體是這一過程的限速酶。
丙酮酸脫氫酶復(fù)合體受別位調(diào)控也受化學修飾調(diào)控，該酶復(fù)合體受它的催化產(chǎn)物ATP、乙酰CoA和NADH有力的抑制，這種別位抑制可被長鏈脂肪酸所增強，當進入三羧酸循環(huán)的乙酰CoA減少，而AMP、輔酶A和NAD+堆積，酶復(fù)合體就被別位激活，除上述別位調(diào)節(jié)，在脊椎動物還有第二層次的調(diào)節(jié)，即酶蛋白的化學修飾，PDH含有兩個亞基，其中一個亞基上特定的一個絲氨酸殘基經(jīng)磷酸化后，酶活性就受抑制，脫磷酸化活性就恢復(fù)，磷酸化-脫磷酸化作用是由特異的磷酸激酶和磷酸蛋白磷酸酶分別催化的，它們實際上也是丙酮酸酶復(fù)合體的組成，即前已述及的調(diào)節(jié)蛋白，激酶受ATP別位激活，當ATP高時，PDH就磷酸化而被激活，當ATP濃度下降，激酶活性也降低，而磷酸酶除去PDH上磷酸，PDH又被激活了。
對三羧酸循環(huán)中檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶的調(diào)節(jié)，主要通過產(chǎn)物的反饋抑制來實現(xiàn)的，而三羧酸循環(huán)是機體產(chǎn)能的主要方式。因此ATP/ADP與NADH/NAD+兩者的比值是其主要調(diào)節(jié)物。ATP/ADP比值升高，抑制檸檬酸合成酶和異檸檬酶脫氫酶活性，反之ATP/ADP比值下降可激活上述兩個酶。NADH/NAD+比值升高抑制檸檬酸合成酶和α-酮戊二酸脫氫酶活性，除上述ATP/ADP與NADH/NAD+之外其它一些代謝產(chǎn)物對酶的活性也有影響，如檸檬酸抑制檸檬酸合成酶活性，而琥珀酰CoA抑制α-酮戊二酸脫氫酶活性?？傊?，組織中代謝產(chǎn)物決定循環(huán)反應(yīng)的速度，以便調(diào)節(jié)機體ATP和NADH濃度，保證機體能量供給。(圖4-7)。
圖4-6 三羧酸循環(huán)中還原型輔酶和CO2的生成
圖4-7 三羧酸循環(huán)的抑制劑和激活劑
(四)有氧氧化和糖酵解的相互調(diào)節(jié)
Pasteur在研究酵母發(fā)酵時，發(fā)現(xiàn)在供氧充足的條件下，細胞內(nèi)糖酵解作用受到抑制。葡萄糖消耗和乳酸生成減少，這種有氧氧化對糖酵解的抑制作用稱為巴士德效應(yīng)(Pasteureffect)。
產(chǎn)生巴士德效應(yīng)主要是由于在供氧充足的條件下，細胞內(nèi)ATP/ADP比值升高，抑制了PK和PFK，使6-磷酸果糖和6-磷酸葡萄糖含量增加，后者反饋抑制已糖激權(quán)衡利弊（HK），使葡萄糖利用減少，呈現(xiàn)有氧氧化對糖酵解的抑制作用。
Crabtree效應(yīng)與巴士德效應(yīng)相反，在癌細胞發(fā)現(xiàn)給予葡萄糖時不論供氧充足與否都呈現(xiàn)很強的酵解反應(yīng)，而糖的有氧氧化受抑制，稱為Crabtree效應(yīng)或反巴士德效應(yīng)。這種現(xiàn)象較普遍地存在于癌細胞中，此外也存在于一些正常組織細胞如視網(wǎng)膜、睪丸、顆粒白細胞等。
一般認為，具Crabtree效應(yīng)的細胞，其酵解酶系(如PK、PFK、HK+)活性強，而線粒體內(nèi)氧化酶系如細胞色素氧化酶活性則較低，它們在爭奪ADF、Pi及ADH+H+方面線粒體必然處于劣勢，因而缺乏進行氧化磷酸化的底物，即使在供氧充足的情況下，其有氧氧化生成ATP的能力仍低于正常細胞，呈現(xiàn)Crabtree效應(yīng)。
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