基于碳氧化數的呼吸代謝途徑分析及意義

曾德二，吳甘霖，魏和平，鄭彥坤

(安慶師范大學 生命科學學院，安徽 安慶 246133)

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基于碳氧化數的呼吸代謝途徑分析及意義

曾德二，吳甘霖，魏和平，鄭彥坤

(安慶師范大學 生命科學學院，安徽 安慶 246133)

摘要：指出了細胞呼吸代謝涉及到許多代謝通路，每一條通都涉及到物質變化和能量生成。基于此，根據碳氧代數的的變化分析了細胞多條呼吸代謝途徑，并推斷出氧化脫氫及能量生成機理，總結了每條呼吸代謝的意義。

關鍵詞：呼吸代謝；碳的氧化數；途徑；ATP生成

1引言

在長期的進化過程中，植物、微生物存在多條呼吸代謝途徑以應對環境條件的改變。呼吸代謝是一個復雜的物質代謝網絡，并伴隨著能量的生成。以往的文獻、教材大多從呼吸代謝的每一步反應入手，強調酶促化學反應的過程及物質代謝的組成變化。筆者從碳氧化數的角度，撇開復雜的反應式及中間代謝物的結構，刪繁就簡，抓住本質來分析各種呼吸代謝途徑，并分析它存在的意義。對傳統經典方法進行了補充，有利于更好地理解呼吸代謝機制。

2碳的氧化數概念及“功效”

氧化態(oxidation state)表示一個化合物中某個原子的氧化程度。形式氧化態是通過假設所有異核化學鍵都為100 %離子鍵而算出來的。因此碳的氧化態就是在有機分子中通過計算得到的碳的氧化程度值。由于呼吸代謝的物質組成都是碳、氫、氧等元素。根據國際理論與應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)的規定：化合物分子中氫的氧化態為+1價，氧的為-2價，且中性分子中各原子的氧化態代數和為零。在一個可能的酶促化學反應中，只有碳的氧化態發生了改變。因此碳的氧化態變化可以反映呼吸代謝的本質。即有碳的氧化數變化，必將有電子的轉移得失，反應為氧化還原反應；沒有碳的氧化數改變，將不涉及氧化還原反應，只存在碳原子結構和數目的重排。加上呼吸代謝中的氧化還原反應的電子受體一般為NAD和NADP，因此從碳的氧化數變化可以確定生成NADH和NADPH的多少。現假設碳水化合物的普通分子式為CiHjOk，根據中性分子氧化數為0的條件，并設Ci為第i個碳原子的氧化數，我們得到：

(1)

代入H、O的氧化數可以得出碳元素總的氧化數：

(2)

只需要知道物質的分子式，根據公式(2)就能求出該物質的碳的氧化。以下通過氧化數具體分析呼吸代謝的各種途徑。

3糖酵解(EMP)和三羧酸循環(TCA)途徑

糖酵解是葡萄糖的無氧呼吸過程，1分子葡萄糖通過10步反應最后生成2分子丙酮酸。從圖1a可以看到，碳的氧化數只在3-磷酸-甘油醛(3-GAP)生成1,3-二磷酸甘油酸(1,3-DPGA)的時候發生變化，從0價上升到+2價，因此必有2個電子轉移生成1分子NADH。考慮到磷酸二羥丙酮(DHAP)3-磷酸-甘油醛可以互相轉化，最終1分子葡萄糖生成2分子丙酮酸有2個NADH生成，碳總的氧化數從0價升高為丙酮酸的+4價。

三羧酸循環是丙酮酸在線粒體中徹底的有氧氧化過程，最終產物是CO2和H2O。從圖1b可以看到，有3個反應存在有C個數的變化，分別是丙酮酸(pyruvate)到乙酰輔酶A(Acetyl-CoA)，草酰琥珀酸到a-酮戊二酸，a-酮戊二酸到琥珀酰CoA，這3個反應都有1分子CO2的生成。同時根據反應前后碳總氧化數變化可推斷每個脫羧反應都有一次氧化脫氫，生成1分子NADH，共有3分子NADH生成。除了3個有CO2生成的反應外，還有兩個反應前后有碳的氧化數變化，即琥珀酸(succinic acid)到延胡索酸(fumaric acid)，蘋果酸(malic acid)到草酰乙酸(oxaloacetic acid)的反應過程。碳的氧化數都升高了+2價，因此轉移4個電子生成1分子的NADH和1分子FADH2。因此可以得出結論：1分子丙酮酸在線粒體中由氧氧化將有4分子NADH和1分子FADH2的能量生成。同時碳的氧化數也從丙酮酸的+4價(2分子丙酮酸)升高到CO2的+24價(共6分子CO2)，共計20個電子的轉移，生成8分子NADH和2分子FADH2。算上糖酵解途徑的2分子NADH，葡萄糖徹底有氧氧化將有10分子NADH和2分子FADH2的能量物質生成。

糖酵解普遍存在于生物體中，是有氧呼吸和無氧呼吸途徑的共同部分。通過糖酵解，生物體可獲得葡萄糖中的部分能量。特別是對厭氧生物來說，糖酵解是糖分解和獲取能量的主要方式。而TCA循環是生物體利用糖或其它物質徹底氧化獲得能量的最主要途徑。它通過把碳水化合物中碳的氧化數提升到CO2的+4價，從而獲得化合物中所儲存最大部分的能量。同時該途徑是糖類、脂肪和蛋白質徹底氧化分解的共同中間過程，起到物質代謝網絡的中樞作用。

4己糖單磷酸(HMP)途徑

HMP途徑也成為戊糖磷酸途徑，簡稱PPP途徑。從圖2可以看出，PPP代謝途徑的中間產物大多數為糖類化合物，碳的氧化數不發生改變，始終為0(包括3-磷酸甘油醛GAP)。但有兩個地方除外，圖中紅色標記部分顯示：6-磷酸葡萄糖(6-P-G)生成6-磷酸葡萄糖酸(6-P-GA)時碳的氧化數升高+2價，有1分子的NADPH生成；6-磷酸葡萄糖酸生成5-磷酸核酮糖，碳數目減少一個，推斷有脫羧CO2生成，氧化數從+2價變成+4價，因此也應該有兩個電子發生轉移，生成另外1個NADPH。其余部位發生的反應，由于碳的氧化數不發生改變，只是碳元素的數目發生改變，屬于碳骨架的重排。因此，圖2中每3分子葡萄糖分子發生戊糖磷酸代謝循環，有6分子NADPH生成，同時通過碳骨架的重排，得到2分子葡萄糖和1分子3-磷酸甘油醛。則二次這樣的循環，需要6分子葡萄糖參與，同時得到5分子葡萄糖(其中兩分子3-磷酸甘油醛合成一分子葡萄糖)，12分子NADPH，并有6分子的CO2釋放。

戊糖磷酸途徑是葡萄糖直接氧化分解的生化過程，特別是在植物感病、受傷、干旱時，該途徑可占全部呼吸的50 %以上，由于該途徑和EMP-TCA途徑的酶系統不同，因此當EMP-TCA途徑受阻時，PPP途徑則可替代正常的有氧呼吸，為植物適應環境提供另外一種呼吸代謝選擇。該途徑中生成的NADPH在脂肪酸、固醇等的生物合成、非光合細胞的硝酸鹽、亞硝酸鹽的還原以及氨的同化、丙酮酸羧化還原成蘋果酸等過程中起重要作用。同時.該途徑中的一些中間產物是許多重要有機物質生物合成的原料，如5-磷酸核酮糖和5-磷酸核糖是合成核苷酸的原料。4-磷酸赤蘚糖和EMP中的PEP可合成莽草酸，經莽草酸途徑可合成芳香族氨基酸，還可合成與植物生長、抗病性有關的生長素、木質素、綠原酸、咖啡酸等。

5ED途徑

ED途徑是Entner和doudoroff在研究嗜糖假單胞菌的代謝時發現的，所以簡稱為ED途徑，又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸(KDPG)途徑。這是存在于某些缺乏完整EMP途徑的微生物中的一種替代途徑，為微生物所特有。特點是葡萄糖只經過4步反應即可快速獲得由EMP途徑須經10步反應才能夠形成的丙酮酸。從圖3可以看出葡萄糖到2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸的過程只有一次碳的氧化數改變，生成1分子NADH。KDPG裂解成3-磷酸甘油醛和丙酮酸，沒有碳的氧化數變化，沒有NADH生成。3-磷酸甘油醛可以通過EMP途徑生成丙酮酸，中間有1分子NADH生成。該途徑可與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環相連接，可互相協調以滿足微生物對能量、還原力和不同中間代謝物的需要。丙酮酸在有氧條件下可以進行TCA循環，無氧條件可以進行酒精發酵。在極端嗜熱古菌和極端嗜鹽古菌中，葡萄糖的分解還可以靠修飾的ED途徑而進行，其初期的中間產物不經過磷酸化。

圖3　ED代謝途徑

6乙醛酸途徑

植物細胞內脂肪酸氧化分解為乙酰CoA之后，在乙醛酸體(glyoxysome)內生成琥珀酸、乙醛酸和蘋果酸；此琥珀酸可用于糖的合成，該過程稱為乙醛酸循環(glyoxylic acid cycle，GAC)。從圖4可以看到，2分子的乙酰CoA參與了循環，最后凈生成了1分子草酰乙酸OAA。乙酰CoA碳的氧化數為0價，而草酰乙酸碳的氧化數為+6價，即在3個部位發生了電子轉移生成2分子NADH和1分子FADH2(紅線所示)。圖4中琥珀酸由乙醛酸體轉移到線粒體，在其中通過三羧酸循環的部分反應轉變為延胡索酸、蘋果酸，再生成草酰乙酸。然后，草酰乙酸繼續進入TCA循環或者轉移到細胞質，在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEP carboxykinase)催化下脫羧生成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，PEP再通過糖酵解的逆轉而轉變為葡萄-6-磷酸并形成蔗糖。因此，油料種子在發芽過程中，細胞中出現許多乙醛酸體，貯藏脂肪首先水解為甘油和脂肪酸，然后脂肪酸在乙醛酸體內氧化分解為乙酰CoA，并通過乙醛酸循環轉化為糖，直到種子中貯藏的脂肪耗盡為止，滿足種子萌發初期的能量需要。而淀粉種子萌發時不發生乙醛酸循環。可見，乙醛酸循環是富含脂肪的油料種子所特有的一種呼吸代謝途徑。

7結語

細胞呼吸代謝涉及到很多代謝通路，每一條代謝通路都涉及到物質變化和能量生成。其中，物質變化主要體現碳骨架的變化，包含數目變化和結構變化；能量生成主要體現在總碳氧化數的改變。對復雜的各條細胞呼吸代謝途徑不是采用傳統逐步化學反應式的解析方法來處理分析，而是從中找到碳的氧化數改變的本質，綜合分析了各條呼吸代謝過程，并簡要闡述了其意義。希望能對理解和掌握呼吸代謝過程有所啟發。

圖4　乙醛酸循環途徑

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收稿日期：2016-05-05

基金項目：國家青年科學基金(編號：31400714)；安徽省教育廳重點項目(編號：KJ2015A168)

作者簡介：曾德二(1980—)，男，博士，主要從事生物化學及分子生物學方向的研究工作。

中圖分類號：Q252

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)12-0252-03

Analysis of respiratory metabolism pathway based on carbon oxidation number and its significance

Zeng De’er, Wu Ganlin, Wei Heping , Zheng Yankun

(AnqingNormalUniversitySchoolofLifeScience,Anqing346133)

Abstract:In this paper, we analyzed the respiration metabolism pathway based on the carbon oxidation number and the formation of ATP synthesis. And we summarized the significance of each respiratory metabolismpathway.

Key words:respiratory metabolism; oxidation number of carbon；pathway；ATP synthesis