生物氧化CO2释放与氧化磷酸化生成ATP的相关性

夏循礼

(江西中医药大学 基础医学院，南昌 330004)

糖类是生物体的主要能源物质，葡萄糖有氧氧化过程是其供能的主要方式。当前主要的《生物化学》教材[1-4]对该过程基本描述为：在生物体内，葡萄糖(C6H12O6)经过一系列酶促反应，其H原子经过呼吸链传递，最终与O反应生成H2O，同时伴随着氧化还原电势转化为自由能，并以化学能形式储存在ATP(ADP磷酸化生成ATP)中，生成30～32ATP(或者36～38ATP)；其C原子以有机酸脱羧的形式生成CO2释放出来；其中1分子葡萄糖有氧氧化共产生12对H原子，氧化磷酸化生成12分子H2O，有机酸脱酸生成6分子CO2。

综观这些教材的葡萄糖有氧氧化过程，有两个主要问题并没有阐释清楚：一是经过呼吸链传递并与ATP生成量直接相关的12对(24个)H原子的来源问题，因为1分子葡萄糖只有6对(12个)H原子；二是有机酸脱羧生成6个CO2的O原子的来源问题，因为葡萄糖分子只有6个O原子，而6个CO2共需要12个O原子，以及其它来源O原子形成有机酸羧基的机制如何。检索近年来的生物学科期刊发表的关于生物氧化和三羧酸循环教学研究的论文[5-8]，对这两个问题或者语焉不详，或者涉及不深，没有能够全面地解析这两个问题。鉴于此，笔者在《基于H原子和O原子代谢的葡萄糖有氧氧化解析》[9]一文中已经尝试对第一个问题作答；本文试就第二个问题概要阐释。

1 葡萄糖有氧氧化的有机酸脱羧过程

葡萄糖有氧氧化过程中共有3次有机酸脱羧反应，发生在糖酵解途径之后，分别为丙酮酸氧化脱羧、异柠檬酸氧化脱羧和α-酮戊二酸氧化脱羧。

1)葡萄糖酵解途径总反应：

2)丙酮酸氧化脱羧反应：

3)异柠檬酸氧化脱羧反应：

4)α-酮戊二酸氧化脱羧反应：

从上述反应可以看出，1分子葡萄糖通过糖酵解途径，分解为2分子丙酮酸和2分子(NADH+H+)：通过丙酮酸氧化脱羧、异柠檬酸氧化脱羧和α-酮戊二酸氧化脱羧分别各生成1分子CO2，因此1分子葡萄糖共生成6分子CO2，具体为：丙酮酸氧化脱羧生成C0O2的C原子来源于葡萄糖，O原子来源于葡萄糖；异柠檬酸氧化脱羧生成CcO2的C原子来源于(与乙酰辅酶A 和H2O生成柠檬酸的)草酰乙酸，O原子同样来源于(与乙酰辅酶A 和H2O生成柠檬酸的)草酰乙酸；α-酮戊二酸氧化脱羧生成CfO2的C原子来源于(与乙酰辅酶A 和H2O生成柠檬酸的)草酰乙酸，O原子同样来源于(与乙酰辅酶A 和H2O生成柠檬酸的)草酰乙酸。

其中丙酮酸氧化脱羧发生在丙酮酸的C0位羧基上(CbH3-CaO-C0OOH)，异柠檬酸氧化脱羧发生在异柠檬酸的Cc位羧基上(CfOOH-CeHOH-CdHCcOOH-CbH2-CaOOH)，α-酮戊二酸氧化脱羧发生在α-酮戊二酸的Cf位羧基上(CfOOH-CeO-CdH2-CbH2-CaOOH)。丙酮酸的C0位羧基来源于葡萄糖分子，异柠檬酸的Cc位羧基和α-酮戊二酸的Cf位羧基都来源于三羧酸循环起始反应加入的草酰乙酸(C1(c)OOH-C2(d)O-C3(e)H2-C4(f)OOH)的2个羧基，分别为其Cc位羧基和Cf位羧基(-C1(c)OOH和-C4(f)OOH)。

葡萄糖氧化脱羧过程需要解读的是：与乙酰辅酶A 和H2O反应生成柠檬酸(CaOOH-CbH2-CdOHCcOOH-CeH2-CfOOH)的草酰乙酸的2个羧基(-CcOOH和-CfOOH)分别通过异柠檬酸氧化脱羧和α-酮戊二酸氧化脱羧形式生成CO2释放，而三羧酸循环结束时草酰乙酸得到还原；该“还原”的草酰乙酸(C1(a)OOH-C2(b)O-C3(d)H2-C4(e)OOH)的C原子来源及其羧基形成机制，即可解析外源O原子的来源问题。

2 葡萄糖有氧氧化中加H2O形成羧基(-COOH)

上述三羧酸循环“还原”的草酰乙酸(C1(a)OOH-C2(b)O-C3(d)H2-C4(e)OOH)的4个C原子来源分别为乙酰辅酶A (CbH3-CaO-SCoA)的2个C原子，以及(与乙酰辅酶A 和H2O生成柠檬酸的)草酰乙酸脱羧后“余下”的Cd和Ce位的2个C原子(C1(c)OOH-C2(d)O-C3(e)H2-C4(f)OOH)；其羧基的形成机制与3次加H2O反应紧密相关：

5)柠檬酸生成过程中的加H2O形成羧基

该过程中H2O分子的-OH加在Ca位形成羧基(-CaOOH)，H加在Cd位形成-OH。

6)琥珀酰辅酶A生成琥珀酸过程中的加H2O形成羧基

该过程中H2O分子来源于：H3PO4+GDP → GTP+H2O，其-OH加在Ce位形成羧基(-CeOOH)。

7)延胡索酸生成苹果酸过程中的加H2O形成羟基，在生成草酰乙酸时再形成酰基：

CaOOH-CbH=CdH-CeOOH(延胡索酸)+H2O → CaOOH-CbHOH-CdH2-CeOOH(苹果酸)

该过程中H2O分子的-OH加在Cb位形成羟基(-CbHOH)，再氧化脱氢形成酰基(-Cb=O)。

从上述反应(5)、(6)和(7)可以看出，葡萄糖通过糖酵解途径和丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A，加H2O和草酰乙酸生成柠檬酸，H2O以-OH形式加到乙酰辅酶A的酰基-Ca=O的C原子上形成羧基-CaOOH；H3PO4和GDP生成GTP和H2O，H2O以-OH形式加到琥珀酰辅酶A的酰基-Ce=O的C原子上形成羧基-CeOOH；延胡索酸加H2O生成苹果酸，H2O以-OH形式加到延胡索酸的不饱和烯酰基-Cb=Cd-的C原子上形成羟基(-CbHOH)，然后氧化脱氢生成草酰乙酸的酰基(-Cb=O)，该草酰乙酸的酰基(-Cb=O)再进入三羧酸循环生成柠檬酸时即加H2O中的H形成-CdOH-(-CdOH-CcOOH-)，在柠檬酸转化为异柠檬酸后形成-CeOH-(-OHCeH-HCdCcOOH-)，在异柠檬酸氧化脱羧过程中形成α-酮戊二酸的-Ce=O-CfOOH，在α-酮戊二酸氧化脱羧过程中形成琥珀酰辅酶A的-Ce=O-SCoA，最终加H2O转化为琥珀酸的羧基-CeOOH(CaOOH-CbH2-CdH2-CeOOH)。

以上3次加H2O反应，共加入6个O原子(2×3H2O=6H2O)到葡萄糖有氧氧化过程中，2个O原子参与形成乙酰辅酶A的酰基-C=O的C原子来源的羧基-COOH，此羧基即柠檬酸循环“还原”的草酰乙酸的Ca位羧基(C1(a)OOH-C2(b)O-C3(d)H2-C4(e)OOH)；2个O原子参与形成2分子琥珀酰辅酶A的酰基-Ce=O的C原子来源的羧基-CeOOH(CaOOH-CbH2-CdH2-CeOOH)，即琥珀酸的羧基-CeOOH，此羧基即三羧酸循环“还原”的草酰乙酸的Ce位羧基(C1(a)OOH-C2(b)O-C3(d)H2-C4(e)OOH)；2个O原子参与形成三羧酸循环“还原”的草酰乙酸的酰基-C=O，而柠檬酸循环起始加入的草酰乙酸的酰基-C=O的O原子通过一系列酶促反应进入琥珀酰辅酶A的酰基-C=O，即三羧酸循环“还原”的草酰乙酸的Ce位羧基(C1(a)OOH-C2(b)O-C3(d)H2-C4(e)OOH)中的另一个O原子。

综上所析，葡萄糖有氧氧化过程中3次有机酸脱羧：丙酮酸氧化脱羧生成CO2的C原子和O原子都来源于葡萄糖；异柠檬酸氧化脱羧生成CO2的C原子和O原子都来源于草酰乙酸的C1(c)位羧基；α-酮戊二酸氧化脱羧生成CO2的C原子和O原子都来源于草酰乙酸的C4(f)位羧基。柠檬酸循环最终“还原”的草酰乙酸(C1(a)OOH-C2(b)O-C3(d)H2-C4(e)OOH)的C1(a)和C2(b)位C原子来源于丙酮酸氧化脱羧生成的乙酰辅酶A，C3(d)和C4(e)位C原子来源于三羧酸循环起始草酰乙酸的C2(d)和C3(e)位C原子，其C1(a)位羧基的2个O原子分别来源于葡萄糖和H2O；C2(b)位酰基-C=O的O原子来源于H2O；C4(e)位羧基的2个O原子分别来源于H2O和三羧酸循环起始反应加入草酰乙酸的酰基-C=O的O原子。

所以，葡萄糖有氧氧化过程中CO2生成的有机酸脱羧机制为：葡萄糖通过一系列酶促反应生成丙酮酸，丙酮酸氧化脱羧生成CO2；异柠檬酸氧化脱羧生成CO2，“借用”的草酰乙酸的C1(c)位有机酸羧基通过乙酰辅酶A的酰基-C=O加H2O生成羧基“归还”；α-酮戊二酸氧化脱羧生成CO2，“借用”的草酰乙酸的C4(f)位有机酸羧基通过琥珀酰辅酶A的酰基-C=O加H2O生成羧基“归还”。葡萄糖有氧氧化过程中加H2O成为有机酸脱羧反应的羧基来源的关键。

关于葡萄糖有氧氧化通过有机酸脱羧生成CO2的机制，朱钦士[10]、吴剑侯认为[11]：葡萄糖的C原子不能直接与O2中的O原子结合。为了解决这个难题，线粒体采用了一个非常聪明的“以H换C”的迂回方式，先在“燃料”分子中的C原子上加上H2O(在C=C双键处)。H2O是由一个O原子和两个H原子组成的(H2O, 即H-O-H)。在被加到食物分子中的C原子上以后，原来H2O上的H被脱掉(由脱氢酶催化)，留下O原子与食物分子中的C原子结合。然后C原子再带着两个O原子从食物分子中被分离出来(由脱羧酶催化)，成为CO2。机体呼出的CO2就是这样形成的(所以机体呼出的二氧化碳里面的O，并不来自机体吸进的O，而是来自H2O)。这样，C原子作为“燃料”的价值，就被“转移”到了H原子上。同样，这些H “燃料”也是来自H2O分子。

从本文的解析来看，线粒体“以H换C”的方式成立，即以H2O的H原子，换取葡萄糖的C原子，H原子被脱氢酶脱下来，由辅助因子(NAD+和FAD)传递到呼吸链，伴随氧化磷酸化过程合成ATP，C原子结合H2O的O原子形成有机酸羧基，以氧化脱羧方式生成CO2释放出来，结果是葡萄糖的C原子作为“燃料”的价值，被“转移”到了加入的H2O的H原子上。但是，“以H换C”的方式不是在C=C双键处加上H2O，而是在各中间产物(如乙酰辅酶A和琥珀酰辅酶A)的酰基-C=O上加上H2O的-OH，形成羧基-COOH，最终以有机酸脱羧生成CO2。

3 有机酸脱羧与氧化磷酸化合成ATP

1个葡萄糖分子彻底氧化生成CO2和H2O，共产生6个CO2和12对脱氢酶辅助因子结合的H原子(以NADH+H+和FADH2形式存在)：细胞液中糖酵解途径产生2对H原子(NADH+H+形式)，线粒体中产生10对H原子(8对NADH+H+形式，2对FADH2形式)。

1个葡萄糖分子共有6对H原子(12个)，全部转化为脱氢酶辅助因子结合的H原子，另外的6对H原子(12个)则来源于上述加H2O反应过程中加入的6个H2O。来源于6个H2O的6对H原子由相应的脱氢酶从底物分子上脱下，通过呼吸链-氧化磷酸化与机体吸进的O反应生成H2O，释放的自由能转化为化学能储存在ATP中。

葡萄糖有氧氧化过程中加入的6分子H2O提供的6对H原子产生了多少ATP呢？

有机酸脱羧生成CO2发生在丙酮酸氧化脱羧和三羧酸循环两个阶段，3次加H2O反应都发生在三羧酸循环，在这两个阶段共发生5次脱氢酶催化的反应，产生2×4(NADH+H+)，2×1FADH2，只要确认产生的FADH2的H原子是否来自加入的H2O，就可以计算出加入的H2O“以H换C”产生了多少ATP。

FADH2的2个H原子分别来源于琥珀酸(CaOOH-CbH2-CdH2-CeOOH)的Cb位和Cd位上的H原子,其中Cb位的H原子来源于乙酰辅酶A的甲基-CH3上的H原子，源头上其来自于葡萄糖的H原子；Cd位的H原子来源于草酰乙酸的非羧基C原子(C3(e)位)上的H原子，所以，FADH2的2个H原子不是来源于加H2O“以H换C”的H2O中的H原子。

加H2O“以H换C”的6个H2O中的12个H原子全部以6个NADH+H+形式传递到呼吸链，通过氧化磷酸化与O反应生成H2O，释放的自由能中一部分转化为化学能储存在15ATP中：

1分子NADH+H+经过呼吸链-氧化磷酸化产生2.5分子ATP；

6分子NADH+H+经过呼吸链-氧化磷酸化产生6×2.5分子ATP=15ATP。

4 总结

综合以上分别针对葡萄糖有氧氧化的有机酸脱羧过程、加H2O“以H换C”形成有机酸羧基机制、以及加H2O“以H换C”与氧化磷酸化产生ATP 3个部分的解析，我们可以得出如下结论：

1)葡萄糖有氧氧化过程产生12对以NADH+H+和FADH2形式存在的H原子，其中6对H原子来源于“以H换C”的加H2O反应，由脱氢酶脱下以NADH+H+形式传递到呼吸链，与O反应生成H2O，同时释放能量生成15个ATP。加H2O反应的H2O有两种来源：一是直接加入基质中的H2O；二是H3PO4和GDP反应生成GTP时产生的H2O。

2)葡萄糖有氧氧化的C原子通过有机酸脱羧方式生成CO2释放出来，葡萄糖分子的6个C原子以有机酸脱羧方式生成CO2需要12个O原子，葡萄糖提供6个O原子，另外6个O原子由“以H换C”加入的6个H2O提供。H2O的-OH加到中间产物的酰基-C=O上形成羧基-COOH，再以有机酸脱羧生成CO2完成葡萄糖C原子的彻底代谢。

3)葡萄糖有氧氧化的有机酸脱羧有两种方式：一是葡萄糖经过一系列酶促反应生成丙酮酸，丙酮酸进行有机酸脱羧生成CO2；二是丙酮酸通过乙酰辅酶A进入三羧酸循环，“借用”草酰乙酸(生成柠檬酸)执行有机酸脱羧，完成葡萄糖全部C原子生成CO2的代谢，而“借用”的草酰乙酸在一系列脱氢和加H2O的酶促反应后得到“归还”。

4)葡萄糖有氧氧化过程中的有些加H2O反应，并不参与“以H换C” 形成有机酸羧基机制，如柠檬酸经过顺乌头酸生成异柠檬酸的加H2O和脱H2O反应，这种性质的加H2O和脱H2O反应只是为了底物分子的-OH和H的位置置换、分子内部重组而进行氧化脱羧反应；有些反应发生的脱H2O反应，如2-磷酸甘油酸脱H2O生成磷酸烯醇式丙酮酸，并不减少葡萄糖分子的O原子和H原子数量，它们只是把葡萄糖代谢途径“暂时”引入的O原子和H原子“清除”掉。这些加H2O和脱H2O反应当然也不会影响到葡萄糖彻底氧化通过呼吸链-氧化磷酸化生成ATP的数量。

5)三羧酸循环途径通过“借用”草酰乙酸还有一个重要生理作用。食物来源的葡萄糖经过有氧氧化途径彻底氧化，其6个C原子只有2个以CO2形式释放出来(丙酮酸氧化脱羧反应)，另外4个C原子则进入三羧酸循环(以2个乙酰辅酶A形式)参与合成2个柠檬酸分子，最终交换至三羧酸循环结束时“归还”的2个草酰乙酸分子上；而三羧酸循环起点的(参与合成2个柠檬酸分子的)机体内的2个草酰乙酸分子上的羧基以有机酸脱羧方式生成4个CO2释放出来，表观上体现为葡萄糖分子的6个C原子全部转化为CO2。事实上，通过三羧酸循环途径，食物来源的葡萄糖(以乙酰辅酶A形式)与机体内的草酰乙酸进行了C原子的交换：葡萄糖的C原子有三分之一(2/6)通过丙酮酸氧化脱羧以CO2形式释放出来，三分之二(4/6)通过三羧酸循环进入机体内的草酰乙酸；同时，机体内的2个草酰乙酸分子通过三羧酸循环对其C原子进行了二分之一(4/8)的更新。该过程(或生理功能)可以通过三羧酸循环连续不断地进行，从而实现机体内外生物分子中C原子的“更新”。认识到三羧酸循环是葡萄糖、脂类和蛋白质等营养物质氧化供能的共同途径，则对这种机体内外生物分子中C原子“更新”机制的意义应引起更大的重视。

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

[11]吴剑侯．论生物氧化[J]．山东海洋学院学报，1980,10(4)：103-113.