生物氧化中氧化还原关系的分析

郭向东

(江汉大学 医学院生化教研室, 湖北 武汉 430056)

在生物化学的教学中，学生普遍反应生物氧化难学，而生物氧化是生化教材中的主要内容，包括糖类和脂类化合物的氧化代谢。生物氧化步骤多，过程复杂，几乎所有的教材[1-5]都把分析的焦点集中在每一步反应过程和涉及的酶类，几乎没有教材从氧化还原角度，对生物氧化过程做概括分析。如何理解生物氧化过程中的脱羧、脱氢、加水、电子传递的过程，他们和C原子氧化之间的关系如何？夏循礼曾有相关文章[5-6]对三羧酸循环过程中各个原子的来源去路做过一个细致的分析。而本篇文章则希望对这个问题做一个更简化，更有概括性，且更容易理解的分析。并且把分析的对象延伸到所有的糖类和脂类化合物，希望能够帮助学生学习生化氧化时，找到不同物质生物氧化的内在逻辑规律。

1 葡萄糖的的彻底氧化

一分子葡萄糖经过彻底氧化，完整的反应方程式应该如下：C6H12O6+ 6O2+ 6H2O = 6CO2+ 12H2O，整个彻底氧化全过程脱下24个H。在全部反应中，参加反应的H2O分子、 O2分子、脱下来的H原子、生成H2O分子，它们之间有什么关系？现在从以下几个方面对葡萄糖彻底氧化过程进行梳理分析。

1.1 葡萄糖彻底氧化中的脱羧反应

葡萄糖彻底氧化，依次在下列反应中发生3次脱羧：丙酮酸反应生成乙酰辅酶A；异柠檬酸反应生成α-酮戊二酸；α-酮戊二酸反应生成琥珀酰辅酶A。一分子葡萄糖形成2分子丙酮酸，所以，一分子葡萄糖彻底氧化共计发生6次脱羧，形成6个CO2。葡萄糖分子中有6个C原子，全部被氧化形成CO2。脱羧的C原子不一定来自原始的葡萄糖分子，参见文献[5-6]。

1.2 葡萄糖彻底氧化中的脱氢反应

葡萄糖彻底氧化，依次在下列反应中发生6次脱氢：3-磷酸甘油醛反应生成1.3-磷酸甘油酸；丙酮酸反应生成乙酰辅酶A；异柠檬酸反应生成α-酮戊二酸；α-酮戊二酸反应生成琥珀酰辅酶A；琥珀酸反应生成延胡索酸；苹果酸反应生成草酰乙酸。一分子3-磷酸甘油醛彻底被氧化分解，计经过6次脱氢反应[1-5]。

一分子葡萄糖可以形成2分子3磷酸甘油醛，共发生12次脱氢，共计脱去24个H原子。葡萄糖分子中本身含有12个H原子，参加反应的6个H2O分子中含有 12个H原子。脱下的24个氢原子，传递给单质氧原子，共形成12个H2O分子。磷酸化和辅酶A带来的H原子，实际上在脱磷酸化后，以及脱去辅酶A后均已经还给磷酸和辅酶A。并不影响整个代谢的H原子的数量。

1.3 葡萄糖彻底氧化中的加水反应

葡萄糖氧化过程中有加水反应，也有脱水反应，这些反应的结果是对有机物中所含O原子的数目产生影响。该问题，在夏循礼文章中做过详细的分析，本文只做一个概括分析[5-6]。

1)葡萄糖糖酵解途径中的脱水反应和加水反应：在葡萄糖的无氧酵解中，有伴随磷酸化的脱水反应(6-磷酸葡萄糖的形成，1，6-二磷酸果糖的形成)，还有伴随去磷酸化的加水反应(磷酸烯醇式丙酮酸反应生成烯醇式丙酮酸)，这样的反应互相抵消，不影响有机物中含有的氧原子数目，所以不去考虑。

在葡萄糖的无氧酵解中，能对有机物所含O原子数发生影响的反应，有以下2次：一次加水反应，从3-磷酸甘油醛反应生成1，3三磷酸甘油酸，再生成3-磷酸甘油酸，这两步反应可以简化成3-磷酸甘油醛经过加水脱氢形成3-磷酸甘油酸，这是一次加水反应。一次脱水反应，2-磷酸甘油酸反应生成磷酸烯醇式丙酮酸过程中，脱去一分子水。

综上所述，在葡萄糖的无氧酵解中，净加水为零，葡萄糖分子中带有6个O原子，在形成的2个丙酮酸中，仍然含有6个O原子。

2)三羧酸循环中的脱水反应和加水反应：第一次加水反应，乙酰辅酶和草酰乙酸反应生成柠檬酸，发生一次加水反应；(从柠檬酸反应生成顺乌头酸，发生脱水反应，顺乌头酸反应生成异柠檬酸，发生加水反应，这两步互相抵消可以不考虑)。第2次加水反应，琥珀酰辅酶A反应生成琥珀酸，发生一次加水反应；第3次加水反应，延胡索酸反应生成苹果酸，发生一次加水反应。一分子乙酰辅酶彻底氧化，要经过3次加水反应。一分子葡萄糖形成2分子乙酰辅酶A，再经过彻底氧化，共计加入6个H2O分子。

3)产物中CO2里O原子的来源：综合上面对加水反应的分析，葡萄糖彻底氧化，净加入6分子H2O分子。葡萄糖彻底氧化后生成6个CO2分子，共计需要12个O原子，其中6个O原子来自葡萄糖本身，6个O原子来自反应物中的H2O分子(见图1)。

图1 葡萄糖氧化过程中各原子去向Fig 1 Each atom fate of the the glucose oxidation process

1.4 葡萄糖彻底氧化中，加水总数和脱氢总数与葡萄糖中C原子状态的关系

糖类和脂肪酸的氧化反应，实质是对目标C原子的氧化，C原子周围的共价键，有C-C单键，C-H单键，还有C-O单键，C=O双键，按照与O原子相连的状况，可以分成5种类型。图2中标记5的C原子为CO2，在CO2中，C原子周围的4个共价键全部与O相连，处在彻底氧化状态，目标C原子由1到5的几种状态，其C-O键的数目，依次增加。要完成目标C原子由还原状态到氧化状态的转变，必须经过图2中的2，3，4共3个状态(见图2)。

图2 有机物中C原子周围化学键状态及转换关系Fig 2 The state and conversion relation of C atoms around chemical bond in organic

C原子由1到2，要经过脱氢和加水反应，例如，琥珀酸反应生成延胡索酸，再形成苹果酸。这一步反应，完成还原态C原子的第一次氧化，把一个共价键与氧相连，这个氧化过程通过脱氢反应和加水反应共同完成。有些反应，是依靠分子内部的原子转移，完成对目标C原子加O。

C原子由2到3，要经过脱氢反应，例如：苹果酸反应生成草酰乙酸的反应。这一步反应，完成目标C原子的第2次氧化，把2个共价键与氧相连，这个氧化过程通过脱氢反应完成。

C原子由3到4，要经过加水和脱氢反应，例如：α-酮戊二酸反应生成琥珀酰辅酶A，再反应生成琥珀酸。这两步反应连贯了5个过程，脱羧，加辅酶A，脱氢，底物水平磷酸化和伴随磷酸化的加水，实现对α-酮戊二酸脱羧，同时对α-C原子(目标C原子)加辅酶A。有许多目标C原子不是以-CO-OH状态存在，而是以-CO～S-CoA形式存在，在脱去辅酶A时，完成加水，向-CO-OH状态的转换，这一步反应，完成目标C原子的第3次氧化，把3个共价键与氧相连，这个氧化过程通过脱氢反应和加水反应共同完成。

C原子由4反应到5，要经过脱羧反应和脱氢反应，例：丙酮酸反应生成乙酰辅酶A的反应[8]。这一步反应，完成C原子的最后一次氧化，这个氧化过程需要通过脱羧反应和脱氢反应共同完成。三羧酸循环中的3个脱羧反应都同时伴有脱氢反应，这是为了完成下一个目标C原子的氧化。

无论是糖类化合物中的C原子，还是脂类化合物中的C原子，要完成彻底氧化，必须经过上面的几个步骤。所以葡萄糖分子被彻底氧化，实质是把葡萄糖分子中的6个碳原子按照上述程序，依次完成被氧化。

葡萄糖分子中带有6个氧原子，氧化形成6个CO2，需要再加入6个O原子，故整个葡萄糖彻底氧化要净加入6个H2O分子。

葡萄糖结构式中，一个C原子带有C=O双键，5个C原子带有C-O单键。6个C原子周围的共计19个共价键，有7个共价键与O原子相连，有12个共价键没有与O相连(见图3)，氧化的过程就是对这12个共价键的电子进行转移，把它交给单质氧，而递交的媒介就是H原子，12个共价键共计24个电子，所以葡萄糖彻底氧化，需要脱下24个H原子。

图3 葡萄糖分子结构Fig 3 The molecular structure of glucose

朱钦士“以H换C”理论[9]认为，参与反应的有机物分子中本身含有O原子，还有水中的O原子，另外还有单质O原子，有机物分子中的O原子并没有起到氧化作用，水中的O原子通过加水反应，加入有机物，也没有起到氧化作用，单质O原子才是氧化剂，被氧化的对象是C原子；但是单质O原子并没有和C原子直接接触，这个氧化过程是通过脱氢和电子转移完成的(见图4)。关于“以H换C”理论在朱钦士[7]的博客和夏巡礼[5-6]的论文中，有详细的分析，本文不再过多分析。

综上所述，葡萄糖分子被氧化的实质是C原子被氧化的过程，实现这个氧化过程，必须有水分子和单质O协同完成，中间通过脱氢完成电子的转移。

图4 以H换C氧化原理Fig 4 Oxidation theory of change H for C

2 软脂酸的彻底氧化

一分子软脂酸(C16)经过彻底氧化，生成16分子CO2和16分子H2O，经过7次β-氧化，8次三羧酸循环，有30分子的H2O参与反应，所以实际生成46分子的H2O。整个氧化过程中，共脱下92个H。其彻底氧化分子反应式：C16H32O2+ 23O2+ 30H2O = 16CO2+ 46H2O

2.1 软脂酸彻底氧化中的脱羧反应

软脂酸彻底氧化中的脱羧反应，都发生在乙酰辅酶A进入三羧酸循环后。依次为：异柠檬酸反应生成α-酮戊二酸；α-酮戊二酸生成琥珀酰辅酶A。一次三羧酸循环，共计经过2次脱羧，8次三羧酸循环[10]，共计脱去16个CO2(见图5)。

2.2 软脂酸彻底氧化中的脱氢反应

软脂酸彻底氧化中既有β氧化过程的脱氢反应，也有三羧酸循环中的脱氢反应。每一次β氧化发生2次脱氢反应；每一次三羧酸循环发生4次脱氢反应。16C的软脂酸彻底氧化，经过7次β-氧化，8次三羧酸循环[10]，共计发生脱氢的总次数为2×7 + 4×8 = 46，共计脱去92个H原子。92个H原子传递给单质氧共形成46个H2O分子。

2.3 软脂酸彻底氧化中的加水反应

软脂酸彻底氧化中既有β氧化过程的加水反应，也有三羧酸循环中的加水反应。每一次β氧化经过一次加水；每一次三羧酸循环经过3次加水反应。16C的软脂酸彻底氧化，经过7次β-氧化，8次三羧酸循环[10]，共计加入1×7 + 3×8 = 31个水分子，在脂肪酸活化的反应中，需要脱去一个水分子，所以软脂酸彻底氧化，净加入30个H2O分子。软脂酸彻底氧化后，各原子的去路，可参见图5。

图5 软脂酸氧化过程中各原子的去向Fig 5 Each atom fate of the palmitic acid oxidation process

2.4 软脂酸氧化分解中，加水和脱氢总数与软脂酸分子内C原子状态的关系

16C的软脂酸彻底氧化分解，共计形成16个CO2，一共需要32个O原子，软脂酸中本身带有2个O原子，共需另提供30个O原子，所以软脂酸分解氧化反应中，共需净加入30水分子。

16C的软脂酸中，共计有16个C原子，其中含一个羧基，15个C-C单键，31个C-H键，共计46个化学键未与O原子相连，共涉及92个电子。软脂酸的氧化，需要脱去92个电子，即发生46次脱氢。而30个H2O分子共带来60个H原子，软脂酸中本身带有32个H原子，共计92个H原子(见图6)。

图6软脂酸分子结构Fig 6 The molecular structure of palmitic acid

3 总结

糖类和脂类化合物氧化的实质是C原子的被氧化，根据C原子周围的共价键的构成，可以推导该有机物如何实现被氧化。在任何一个糖类化合物或者脂肪酸(饱和或不饱和)的氧化分解过程中，需要净加水的总数，需要脱氢的总数，都可以根据这个化合物的分子的结构推导分析出来。

例如：乳酸分子中，共有2个C-C单键，4个C-H单键，共计6个化学键未与O原子相连，每个葡萄糖分子经过无氧酵解，形成2个乳酸分子，共计12个化学键未与O相连，而葡萄糖分子中本身含有12个未与O相连的化学键，所以葡萄糖无氧酵解的结果，脱氢数为零。

表 1 5种有机化合物生物氧化过程中的净脱氢数

表2 5种有机化合物生物氧化过程中的净加水数

在表1和表2中，列举了几个反应的脱氢数和加水数，这样的分析还可以运用到任何糖类和脂肪酸类的有机化合物在体内的彻底氧化过程。脂肪酸在彻底氧化后比糖类化合物彻底氧化释放的能量多，就是因为脂肪酸分子内含的非C-O化学键更多。

参考文献:

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[7]朱钦士．人体内“烧”氢的“发电厂”．(http:// blog．sciencenet．cn/home．php?mod=8pace&uid=582158&do=blog&id=499831)[EB].

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