生物氧化“逐步释能”的作用机制

夏循礼

(江西中医药大学 基础医学院, 南昌 330004)

生物体通过代谢维持其生长、发育、繁殖、运动等各种生命活动。代谢是生命活动的化学本质，是物质代谢与能量代谢的有机统一。生物体的能量代谢是能量摄取、能量转换、以及能量利用的过程，生物氧化是其能量代谢的主要和重要方式。

糖类、脂肪和蛋白质等能量营养物质通过生物氧化释放出能量、满足生物体生命活动的需要。这些能量营养物质在生物体内的氧化供能(生物氧化)不同于其在生物体外的燃烧作用——高温条件下O与C和H直接氧化(生成CO2和H2O)瞬间燃烧释放出大量的能量。生物氧化是在适宜生物体温度和生理条件下，O与H间接氧化(生成H2O)逐步释放等值能量，并且将其一部分能量通过氧化磷酸化合成ATP储存为化学能。能量营养物质生物氧化“逐步释能”的分子机制主要有两种形式：呼吸链机制和“加H2O以H换C”机制。

鉴于《生物化学》教科书和文献资料只有生物氧化“逐步释能”的“呼吸链”机制的相关内容[1-7]，缺乏“加H2O以H换C”机制的内容，本文试作概要阐释，以资探讨。

1 生物氧化“逐步释能”的“呼吸链”机制

真核生物线粒体内膜或者原核生物细胞膜上的呼吸链(亦称电子传递链)，是生物体能量代谢的重要“装置”，是生物氧化“逐步释能”的主要场所(见图1)。呼吸链接受能量营养物质及其分解的中间体释放出的H原子(由脱氢酶催化生成NADH或FADH2)，通过呼吸链上排列有序的递氢体和递电子体，逐次将其电子进行传递，最终在呼吸链末端与O原子结合生成H2O。能量营养物质及其分解的中间体释放出的H原子(电子)在呼吸链上逐次传递电子的过程，即是其所携带的能量(电势能)逐步释放的过程。

例如，能量营养物质及其分解中间体脱下的H以NADH形式进入呼吸链传递、与O原子结合间接氧化生成H2O的过程，就是一个递氢体和递电子体的还原电势能逐级降低、能量逐步释放(转化为其他形式能量，如自由能)的过程[8]。进入呼吸链的NADH+H+携带的能量其标准还原电势为-0.320 V，经过呼吸链逐次传递电子、逐步释放能量、至最终将O原子还原为O2-时其存留的标准还原电势为0.816 V，该过程标准还原电势降低了1.136 V[0.816-(-0.320)]，大约释放出220.1 KJ的标准自由能。呼吸链上排列有序的每一个递氢体和递电子体、每一次的电子传递基本上都参与了这个能量“逐步释放”的代谢过程。

图1 呼吸链的组成(引自唐炳华主编《生物化学》)[1]

能量营养物质及其分解中间体脱下的H从呼吸链上不同的位置通过不同的递氢体进入电子传递过程，其经过的“逐步释能”的路径不同，标准还原电势降低值也不一样，释放出的能量值也有差异。例如，琥珀酸脱下的H原子以FADH2形式通过呼吸链的复合体Ⅱ进入电子传递过程，其标准还原电势的降低值和释放的标准自由能比NADH要少一些。

2 生物氧化“逐步释能”的“加H2O以H换C”机制

能量物质在体外燃烧，O原子在高温条件下直接与C原子和H原子发生氧化，生成CO2和H2O，瞬间燃烧释放出大量能量，能量物质的C原子和H原子都是能量携带者。生物体的能量营养物质(如葡萄糖、脂肪、蛋白质等)生物氧化，只有H原子通过呼吸链间接和O原子结合氧化释放能量，那么C原子携带的能量是怎样氧化释放出来的呢？

生物体内能量营养物质的C原子没有直接或者间接与O原子发生氧化生成CO2，释放出其所携带的能量，其生成CO2来源于有机酸脱羧方式，该代谢方式基本上不释放出多少能量。能量营养物质及其分解中间体通过加H2O反应，将H2O的H原子和OH分别结合到其C原子上；H2O的O原子结合到C原子上以形成羧基(-COOH)，再通过有机酸脱羧反应生成CO2，而结合到C原子上的H2O的H原子则由脱氢酶催化以NADH或FADH2形式脱下进入呼吸链发生氧化而逐步释能。因此，能量营养物质的C原子携带的能量通过转换成H原子携带的能量进入呼吸链氧化释放，这就是“加H2O以H换C”机制[9-11]。

能量营养物质生物氧化的“加H2O以H换C”主要发生在柠檬酸循环和脂肪酸β氧化环节，其中柠檬酸循环发生3次“加H2O以H换C”(见图2反应①⑤⑦，反应⑤中ADP+Pi→ATP+H2O)， 脂肪酸β氧化每循环1次发生1次“加H2O以H换C”(见图3反应②)，柠檬酸循环通过“加H2O以H换C”产生3分子NADH或FADH2，脂肪酸β氧化通过“加H2O以H换C”产生1分子NADH或FADH2。

柠檬酸循环的底物分子乙酰CoA的乙酰基(CH3CO-)只携带了2个H原子，彻底反应后却生成了4对NADH和FADH2，其中3对NADH和FADH2就来自于3次“加H2O以H换C”，3个O原子加到C原子上，后续再转化为羧基；脂肪酸β氧化每循环1次，把1个-CH2CH2-代谢为-CH2CO-，生成了1对NADH和1对FADH2，其中的2个H就来自于“加H2O以H换C”，O原子加到C原子上形成了-CO-，后续再转化为羧基。

不论柠檬酸循环途径，还是脂肪酸β氧化过程，“加H2O以H换C”都是逐次分步进行的。柠檬酸循环有3次加H2O反应，脂肪酸β氧化每循环1次加1次H2O(如软脂酸β氧化循环7次加7次水)，逐次分步的“加H2O以H换C”充分体现生物氧化的“逐步释能”特征。分析葡萄糖和软脂酸彻底氧化供能过程可知：

1分子葡萄糖(C6H12O6)彻底氧化共产生12分子NADH或FADH2，其中6分子NADH或FADH2的H原子来自“加H2O”，葡萄糖彻底氧化的总反应式为：

图2 柠檬酸循环(引自唐炳华主编《生物化学》)[1]

图3 脂肪酸的β氧化(引自唐炳华主编《生物化学》)[1]

(1)C6H12O6+6H2O=6CO2+10(NADH+H+) +2FADH2

(2)10(NADH+H+)+2FADH2+6O2=12H2O

1分子软脂酸(C16H32O2)彻底氧化共产生46分子NADH或FADH2，其中31分子NADH或FADH2的H原子来自“加H2O”，软脂酸彻底氧化的总反应式为：

(1)C16H32O2+ATP + 31H2O=16CO2+AMP+PPi+31(NADH+H+)+15FADH2

(2)31(NADH+H+)+15FADH2+23O2=46H2O

3 柠檬酸循环途径是生物氧化“逐步释能”的关键环节

柠檬酸循环是生物体内糖类、脂肪和蛋白质等能量营养物质氧化供能的共同途径，是糖类、脂类、蛋白质以及核酸等代谢的联系枢纽。而其实，柠檬酸循环还是生物体内能量营养物质生物氧化“逐步释能”的关键环节。

葡萄糖在有氧氧化的3个阶段即糖酵解途径、丙酮酸氧化脱羧和柠檬酸循环中，前两个阶段产生的能量极其有限，主要是为第3个阶段柠檬酸循环原料乙酰CoA。1分子葡萄糖有氧氧化共产生12对NADH和FADH2，其中6对NADH和FADH2是通过“加H2O以H换C”产生的，都是发生在柠檬酸循环阶段。

脂肪酸在氧化供能的两个阶段即β氧化和柠檬酸循环中，β氧化每循环1次加1分子H2O，通过“加H2O以H换C”方式生成1分子NADH或FADH2，而β氧化的终产物基本是乙酰CoA，进入柠檬酸循环途径氧化释能。

蛋白质的氧化供能主要是其分解产物氨基酸的氧化供能，基本上是各种氨基酸转化为乙酰CoA(如丙氨酸、亮氨酸)进入柠檬酸循环途径氧化释能，或者转化为柠檬酸循环途径的代谢物α-酮戊二酸(如谷氨酸、精氨酸)、以及延胡索酸(如苯丙氨酸、天冬氨酸)等直接进入柠檬酸循环途径氧化供能。

因此，生物体内能量营养物质糖类、脂肪和蛋白质等生物氧化“逐步释能”的关键环节是柠檬酸循环途径，各种能量营养物质主要通过柠檬酸循环途径氧化释能，而柠檬酸循环途径是“加H2O以H换C”的主要环节。

4 结论

生物氧化“逐步释能”的分子机制是：能量营养物质及其中间体上的C原子携带的能量通过多环节、分阶段地“加H2O以H换C”转移到H原子(C原子通过有机酸氧化脱羧生成CO2释放出来)，该H原子以及能量营养物质及其中间体上的H原子由脱氢酶催化转化为NADH或FADH2，NADH或FADH2进入呼吸链，通过呼吸链上排列有序的递氢体和递电子体的逐级氧化最后生成H2O，同时逐步释放出其所携带的大量能量。真核生物的柠檬酸循环途径、脂肪酸β氧化过程以及呼吸链都“同居”于线粒体内，应是生物进化的结果；而通过加入大量的H2O来实现生物体能量的逐步释放，也可以加深对“生命离不开水”或“水是生命之源”等的理解。