基于H原子和O原子代谢的葡萄糖有氧氧化解析

夏循礼，余英才

(江西中医学院基础医学院生物化学教研室，南昌330004)

普通高校《生物化学》教材中的糖代谢，历来是生物化学课程教学的重要章节，其中的葡萄糖有氧氧化途径更是必须牢固掌握的知识点。关于葡萄糖有氧氧化过程，目前国内外主要的生物化学教材［1-9］基本上专注于葡萄糖酵解途径、丙酮酸氧化脱羧、乙酰CoA三羧酸循环等三个阶段的具体反应，以及有哪些递氢体，脱下了多少H原子，通过电子传递链-氧化磷酸化产生了多少ATP，如何通过有机酸脱羧产生CO2等;而对葡萄糖分子有氧氧化过程中递氢体携带的H原子的来源、葡萄糖彻底氧化消耗了多少个O原子及其来源等，没有给予必要的关注和阐释。对这两个问题进行适度的解读，不仅可以深化对葡萄糖有氧氧化过程的把握，明晰葡萄糖有氧氧化途径不仅仅只是葡萄糖分子彻底分解代谢为CO2和H2O并合成ATP［10-12］，还有葡萄糖和O2以外的物质提供H原子和O原子参与该代谢途径;而且可以拓展对于生命活动中生物体小分子(如H2O、Pi、以及酶蛋白的辅助因子等)重要作用的直接感悟［13-15］。

1 葡萄糖有氧氧化途径全过程解析

葡萄糖有氧氧化途径的全部反应过程及其递氢体上H原子的来源和CO2的原子来源解析如下:为了便于简洁易读，所有催化反应的酶都省略，ATP的生成与消耗、与递氢相关的辅助因子则写入反应过程。具体反应见下表一葡萄糖有氧氧化反应过程(第一列):

从反应⑷开始，1分子葡萄糖分解为2分子3-磷酸甘油醛，后面的反应是以1分子3-磷酸甘油醛发生的反应进行计算的，涉及到递氢体携带的H原子、脱羧反应带走的C原子和反应消耗的O原子计算时，需要按×2倍计算。

表1 葡萄糖有氧氧化过程及基于H原子与O原子代谢的解析Table 1 Glucose aerobic oxidation pathway and its analysis based on H metabolism and O metabolism

反应⑸实际的反应过程可能分为两步，第一步为3-磷酸甘油醛与NAD+加入1个H2O发生氧化反应生成3-磷酸甘油酸和NADH+H+;第二步为3-磷酸甘油酸的羧基(-COOH)再与Pi发生一种形成酸酐键(Pi和-COOH之间)的反应，即产生1，3-二磷酸甘油酸和1个H2O(这个H2O“补”回第一步反应中消耗的H2O，所以整个反应过程“没有”看到H2O参与)，该酸酐键就是即将发生底物水平磷酸化的那个高能磷酸键。

反应⑻脱去1分子H2O①，在反应⑾中“补”回来参与生成柠檬酸，所以反应⑻和反应⑾中加H2O(+H2O)与失H2O(-H2O)不涉及H原子和O原子的引入与脱去。

反应⑽消耗1分子HSCoA②，在反应⑾中生成1分子HSCoA“补”回来。

反应⑿实际过程分为两步，柠檬酸脱H2O③(-H2O)生成顺乌头酸，顺乌头酸再加H2O③(+H2O)生成异柠檬酸，不涉及H原子和O原子的引入与脱去。

反应⒂实际过程可能分为两步，Pi+GDP反应生成GTP和H2O，H2O与琥珀酰CoA反应生成琥珀酸和HSCoA④。HSCoA④从琥珀酰CoA脱下来，“补”回反应⒁中消耗的HSCoA④，生成的H2O的H和O进入琥珀酰CoA的相应部位生成琥珀酸。

反应⒄加入1分子H2O⑤，来自于细胞内线粒体基质。

反应⒅生成的草酰乙酸，“补”回反应⑾消耗的草酰乙酸。

所以，葡萄糖有氧氧化全过程的反应为(为了如实反映整个反应过程，只进行同类项合并，反应式两边相同项保留):

从上述反应式可以看出，1个葡萄糖C6H12O6分子进行彻底的物质代谢产生了12对H原子，6个CO2分子。其他情况包括消耗 2ATP、2Pi、4ADP、4HSCoA、2(Pi+GDP)、4H2O，生成 2ADP、4ATP、4HSCoA、2GTP、2H2O。

2 基于H原子代谢的葡萄糖有氧氧化途径解析

基于H原子代谢的葡萄糖有氧氧化途径解析见表一的H原子代谢(第2列):

底物分子磷酸化，如反应⑴葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖、反应⑶6-磷酸果糖磷酸化为1，6-二磷酸果糖，是ATP的1个磷酸基(-H2PO3)与底物交换1个H原子，其结果是底物分子失去1个H原子。

反应⑸产生的NADH+H+脱去的2个H，直观表现为1个来自3-磷酸甘油醛，1个来自磷酸Pi。根据上述“反应⑸实际的反应过程可能分为两步”的分析，NADH+H+的2个H的真实来源更可能是环境(细胞液)中的H2O(而这个消耗的H2O在3-磷酸甘油酸与Pi反应生成1，3-二磷酸甘油酸和H2O时“还”回去了)。Pi与3-磷酸甘油酸生成1，3-二磷酸甘油酸和H2O时由3-磷酸甘油酸“归还”了一个H原子，生成H2O的另一个H原子由Pi的-OH提供，所以实际上反应⑸从Pi的-OH引入了1个H原子

底物水平磷酸化生成ATP的反应，如反应⑹1，3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸、反应⑼磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸生成ATP，从底物分子反应前后来看实际是“底物分子去磷酸化”，是底物的1个磷酸基(-H2PO3)与ADP交换1个H原子，底物分子得到1个H原子。

反应⑽产生的NADH+H+脱去的2个H来自于丙酮酸，由辅助因子硫辛酸脱下来依次传递给FAD和NAD+，HSCoA的H原子和-SCoA结合到丙酮酸的不同部位形成乙酰CoA。

如同反应⑽的分析，反应⒁产生的NADH+H+脱去的2个H来自α-酮戊二酸，由辅助因子硫辛酸脱下来依次传递给 FAD和 NAD+，HSCoA的 H原子和-SCoA结合到α-酮戊二酸的不同部位形成琥珀酰CoA。

如前分析“反应⒂实际过程可能分为两步”，反应⒂中琥珀酰CoA和H2O(H2O来自于Pi和GTP)发生反应生成琥珀酸，H2O中的H原子进入琥珀酰CoA的相应部位生成琥珀酸，从而引入2个H原子。

反应⒄延胡索酸和1分子H2O生成苹果酸，从而引入2个H原子。

整个葡萄糖有氧氧化过程共产生6×2=12对H原子，即5×2=10对NADH+H+，1×2=2对FADH2，分别为反应⑸产生的NADH+H+，反应⑽产生的NADH+H+，反应⒀产生的NADH+H+，反应⒁产生的NADH+H+，反应⒃产生的FADH2，反应⒅产生的NADH+H+;葡萄糖分子C6H12O6只有6对H原子，其余的6对H原子分别来自:反应⑴和⑶底物分子磷酸化并反应⑹和⑼底物分子去磷酸化共得到2个H原子，反应⑸从Pi得到2个H原子，反应⒂从H2O(Pi+GDP)引入4个H原子，反应⒄从H2O引入4个H原子。

所以，基于H原子代谢的葡萄糖有氧氧化全过程反应为:

从上述反应式可以看出，1分子C6H12O6进行彻底的物质代谢产生了12对H原子。除了C6H12O6分子的12个H原子外，其他关于葡萄糖或者葡萄糖分解中间物上的H原子的消耗和引入情况为:2次ATP对底物分子磷酸化消耗2个H原子(-2H)，2×2ADP的底物分子去磷酸化引入2×2个H原子(+4H)，2×Pi引入1×2个H原子(+2H)，2×H2O(Pi+GDP)引入2×2个H原子(+4H)，2×H2O引入2×2个H原子(+4H)，共引入12个H原子(-2+4+2+4+4)。引入H原子的来源包括底物分子去磷酸化、Pi和H2O。

3 基于O原子代谢的葡萄糖有氧氧化途径解析

基于O原子代谢的葡萄糖有氧氧化途径解析见表一的H原子代谢(第3列):

反应⑸中3-磷酸甘油醛生成1，3-二磷酸甘油酸引入1个O原子，如前面“反应⑸实际的反应过程可能分为两步”的分析，3-磷酸甘油醛与H2O反应生成3-磷酸甘油酸(引入1个O原子)，3-磷酸甘油酸的羧基(-COOH)再与Pi发生一种形成酸酐键(Pi和-COOH之间)的反应，即产生1，3-二磷酸甘油酸和1个H2O，这个H2O“补”回第一步反应中消耗的H2O(但是它的O原子来自于Pi的-OH)。所以反应⑸引入的O原子来自于 Pi。

反应⒂中琥珀酰CoA接受H2O(Pi+GDP)的1个O生成琥珀酸，从而引入1个O原子。

反应⒄延胡索酸和1分子H2O生成苹果酸，从而引入1个O原子。

综合以上基于O原子代谢的葡萄糖有氧氧化途径各反应，共产生6对H原子，即5对NADH+H+和1对FADH2，进入线粒体上的电子传递链氧化共需消耗6个O原子，生成6个H2O;3次有机酸脱羧生成3个CO2共需要消耗6个O原子。以1分子个葡萄糖有氧氧化来计算，生成H2O和CO2需要消耗(6+6)×2=24个O原子。1分子葡萄糖C6H12O6自身含有6个O原子被消耗，电子传递链上12对H氧化消耗12个O原子(由细胞呼吸的6个O2提供)，余下的6个O原子来源于:反应⑸中3-磷酸甘油醛生成1，3-二磷酸甘油酸引入1×2=2个O原子，反应⒂中琥珀酰CoA生成琥珀酸引入1×2=2个O原子，反应⒄延胡索酸生成苹果酸引入1×2=2个O原子。

所以，基于O原子代谢的葡萄糖有氧氧化全过程反应为:

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

10(NADH+H+)+2FADH2+6O2→12H2O(6O2通过细胞呼吸从体外吸入提供)

从上述反应式可以看出，1分子葡萄糖C6H12O6进行彻底氧化产生12对H原子，6个CO2分子，12对H原子进入电子传递链氧化消耗6O2生成12H2O并偶联生成36-38ATP。除了葡萄糖C6H12O6分子自身所带的6个O原子外，其他关于葡萄糖或者葡萄糖分解中间物上的O原子的引入情况为:反应⑸2×Pi引入2个O原子(+2O)，反应⒂2×H2O(Pi+GDP)引入2个O原子(+2O)，反应⒄2×H2O引入2个O原子(+2O)，共引入6个O原子(2+2+2)。引入O原子的来源包括Pi和H2O。

4 总结

综合以上三个部分分别针对整个葡萄糖有氧氧化全过程、基于H原子代谢的葡萄糖有氧氧化过程和基于O原子代谢的葡萄糖有氧氧化过程的解析，我们可以做出如下结论:

1)葡萄糖有氧氧化途径是一个复杂、系统的过程，并不仅仅只有葡萄糖分子被分解代谢为CO2，脱下的H进入电子传递链，最终转化为热能(维持体温)和化学能ATP(供生命活动所需)并生成H2O。在整个过程中，有12个进入电子传递链的H原子来自于葡萄糖分子以外的ADP、Pi、Pi+GDP和H2O;有机酸脱羧产生CO2的O原子有6个来自于葡萄糖分子以外的Pi、Pi+GDP和H2O。

2)1个葡萄糖分子有氧氧化净生成36-38ATP，其中葡萄糖及其分解代谢的中间产物磷酸化(消耗ATP)和底物水平磷酸化(生成ATP)净生成4ATP(含三羧酸循环过程产生的2GTP)，其余32-34ATP全部为24个H原子(12对H原子)以电子传递链-氧化磷酸化形式合成。而葡萄糖分子只有12个H原子，另外12个H原子由反应途径中的其他物质提供，即葡萄糖有氧氧化途径产生的ATP不全部是葡萄糖自己的“功劳”。

3)葡萄糖及其分解代谢的中间产物组成整个有氧氧化途径的主线，另外的12个H原子和6个O原子由其他物质(如Pi、Pi+GDP和H2O等)在不同时期、不同的反应中引入到各种中间产物上，然后分别参与有机酸脱羧和递氢体脱H并进入电子传递链，完成整个葡萄糖有氧氧化过程。

4)葡萄糖有氧氧化途径含有一个主要过程-三羧酸循环，在三羧酸循环过程中含有多次H原子引入和O原子引入的反应。因此，在含有三羧酸循环的代谢，如脂肪酸氧化供能和氨基酸分解的α-酮酸氧化供能，类似葡萄糖有氧氧化途径的这种情况同样存在。

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