葡萄糖彻底氧化生成多少ATP问题的探索

□曾德二 郑彦坤 魏和平 龚 莉

一、问题的提出

葡萄糖代谢是生物化学教学的重点，其中一个最基本的问题是如何计算一分子葡萄糖在细胞中彻底氧化还原最后生成多少ATP？已有多篇文献参与讨论这类问题[1,2,5]。这些文献多以分析葡萄糖代谢的化学反应过程来处理生成ATP数，但过于繁琐，对于非葡萄糖物质生成ATP的问题没有有效的启发和引申。笔者在生物化学和细胞生物学的教学中，经常被学生问到碳水化合物生成ATP的问题。比如一分子草酰乙酸彻底氧化生成多少ATP？一分子甘油彻底氧化生成多少ATP？解决这类问题可以参照文献中处理葡萄糖的方法，把所有的化学反应式都列出来，然后“求和”。这是切实可行的方法，但需要对各种碳水化合物在体内的各种化学反应过程非常熟悉，过多的化学反应式和各种系数的配平会让最终的“求和”变得困难。要解决此类问题的疑问，需要寻找具有普适意义的方法。基于这种初衷，结合教学实践，找到了一种碳氧化数“算法”来处理此类问题。之所以称为“算法”是因为它能够体现问题的本质，并具有更简单有效的计算规则，也具有理论性、可操作性、可推广性。

二、“算法”的基本原理

为了更好的阐述该计算方法，我们先来考察葡萄糖彻底氧化的两个重要步骤中的能量转化问题。葡萄糖在细胞彻底氧化的第一个步骤是糖酵解过程和三羧酸循环[3,4]。蕴含在葡萄糖分子中的不活泼的化学能转化成活泼的自由电子的能量，电子的载体是NADH。因此第一个步骤其实解决的是到底有多少自由电子转移出来生成NADH的问题。根据国际化学学会的规定，中性化合物分子所有元素氧化数代数和为0，而第一个步骤中的所有化学反应只有中性水分子的加入，因此不改变反应前后元素氧化数代数和为0的原则。由于没有氧分子的参与，氧元素的氧化数在反应前后没有任何变化，始终是-2。碳的氧化数从0变化到二氧化碳的+4，葡萄糖分子碳的氧化数总共改变了+24，要维持氧化数反应前后代数和为0的原则，氢的氧化数必须对等的改变了-24，即有24个氧化数+1氢变为氧化数为0的氢。基于这种推理，总共有24个氧化数+1的氢接受了24个自由电子发生了这种改变。考虑到细胞中的电子转移载体是NAD+，因此每转移2个自由电子，会有一个NADH生成，总共有12个NADH的生成(实际上是10个NADH和2个FADH2)。通过以上讨论，我们不需要认真地对每一个化学反应进行求和，就可以直接定量葡萄糖在第一个步骤中的能量转化。即1分子葡萄糖可以转化成12分子的NADH储存起来。在不知道葡萄糖在糖酵解途径和三羧酸循环反应的这是葡萄糖分解代谢第一个步骤的真正本质，把不活泼的化学能高效地转化成活泼的自由电子的能量。

三、应用实例

根据上面的规则，将七种典型的碳水化合物初始状态碳的氧化数、终末状态碳的氧化数、氧化数改变、NADH数目等在表1中列出。1分子NADH包含2个自由电子，通过在线粒体内膜电子传递链复合物上进行跨膜传递，将大约10个质子泵到线粒体内膜间隙形成质子驱动力。最后平均4个质子可以通过ATP合酶生成一个ATP分子，即一分子的NADH可以生成2.5个ATP。在不考虑这几种碳水化合物彻底氧化所经历的复杂的化学反应过程，我们能够快速求出这七种碳水化合物在细胞内生成ATP的数目。需要说明的问题是，葡萄糖在糖酵解途径和三羧酸循环反应中，有底物活化消耗ATP和底物水平磷酸化生成ATP的过程。自由电子跨膜传递形成的质子驱动力通过ATP合酶生成ATP的过程，只能是大约每4个质子可以生成一分子的ATP，从这个角度来说，碳水化合物彻底氧化生成ATP的数目不可能真正的“精确”定量。考虑到底物活化和底物水平磷酸化加起来对ATP的贡献非常小，可以忽略这种因素对结果的影响。

表1 碳水化合物彻底氧化前后氧化数变化及ATP初步估算

四、葡萄糖能量转化的讨论

从氧化数改变的角度处理葡萄糖或者其他碳水化合物彻底氧化生成多少ATP问题确实起到了一些好的效果，在教学实践中也确实有助于帮助学生对碳水化合物能量转化问题的理解。从葡萄糖彻底氧化生成二氧化碳和水的过程来看，总共有三次能量转化过程。从能量转化的圆饼图可以直观的看出，葡萄糖经过糖酵解和三羧酸循环的第一个步骤，将大约90.4%的自由能转化成自由电子载体NADH的能量；NADH在线粒体电子传递链上进行电子跨膜传递，将电势能转化成质子驱动力的能量，这个过程具有极高的能量转化效率，只损失大约3.4%的能量；最后质子驱动力驱动ATP合酶生成ATP，这个过程中将有60%质子驱动力的能量转化生成ATP，即分子马达的效率达到了60%。计算葡萄糖彻底有氧氧化生成ATP的能量转化效率，达到了52.3%，效率可观。

图1 葡萄糖不同途径的能量转化效率

五、结语

本文从碳的氧化数改变的角度，分析出葡萄糖及其他碳水化合物彻底氧化生成NADH的数目。通过计算NADH的自由能，质子驱动力储存的自由能以及生成ATP的自由能，也得出了葡萄糖糖酵解途径和三羧酸循环的能量转化效率；以及随后质子驱动力形成和ATP合成的能量转化效率，能够帮助学生深入理解葡萄糖在细胞内能量利用过程。