葡萄糖徹底氧化生成多少ATP問題的探索

□曾德二 鄭彥坤 魏和平 龔 莉

一、問題的提出

葡萄糖代謝是生物化學教學的重點，其中一個最基本的問題是如何計算一分子葡萄糖在細胞中徹底氧化還原最后生成多少ATP？已有多篇文獻參與討論這類問題[1,2,5]。這些文獻多以分析葡萄糖代謝的化學反應過程來處理生成ATP數，但過于繁瑣，對于非葡萄糖物質生成ATP的問題沒有有效的啟發和引申。筆者在生物化學和細胞生物學的教學中，經常被學生問到碳水化合物生成ATP的問題。比如一分子草酰乙酸徹底氧化生成多少ATP？一分子甘油徹底氧化生成多少ATP？解決這類問題可以參照文獻中處理葡萄糖的方法，把所有的化學反應式都列出來，然后“求和”。這是切實可行的方法，但需要對各種碳水化合物在體內的各種化學反應過程非常熟悉，過多的化學反應式和各種系數的配平會讓最終的“求和”變得困難。要解決此類問題的疑問，需要尋找具有普適意義的方法。基于這種初衷，結合教學實踐，找到了一種碳氧化數“算法”來處理此類問題。之所以稱為“算法”是因為它能夠體現問題的本質，并具有更簡單有效的計算規則，也具有理論性、可操作性、可推廣性。

二、“算法”的基本原理

為了更好的闡述該計算方法，我們先來考察葡萄糖徹底氧化的兩個重要步驟中的能量轉化問題。葡萄糖在細胞徹底氧化的第一個步驟是糖酵解過程和三羧酸循環[3,4]。蘊含在葡萄糖分子中的不活潑的化學能轉化成活潑的自由電子的能量，電子的載體是NADH。因此第一個步驟其實解決的是到底有多少自由電子轉移出來生成NADH的問題。根據國際化學學會的規定，中性化合物分子所有元素氧化數代數和為0，而第一個步驟中的所有化學反應只有中性水分子的加入，因此不改變反應前后元素氧化數代數和為0的原則。由于沒有氧分子的參與，氧元素的氧化數在反應前后沒有任何變化，始終是-2。碳的氧化數從0變化到二氧化碳的+4，葡萄糖分子碳的氧化數總共改變了+24，要維持氧化數反應前后代數和為0的原則，氫的氧化數必須對等的改變了-24，即有24個氧化數+1氫變為氧化數為0的氫。基于這種推理，總共有24個氧化數+1的氫接受了24個自由電子發生了這種改變。考慮到細胞中的電子轉移載體是NAD+，因此每轉移2個自由電子，會有一個NADH生成，總共有12個NADH的生成(實際上是10個NADH和2個FADH2)。通過以上討論，我們不需要認真地對每一個化學反應進行求和，就可以直接定量葡萄糖在第一個步驟中的能量轉化。即1分子葡萄糖可以轉化成12分子的NADH儲存起來。在不知道葡萄糖在糖酵解途徑和三羧酸循環反應的這是葡萄糖分解代謝第一個步驟的真正本質，把不活潑的化學能高效地轉化成活潑的自由電子的能量。

三、應用實例

根據上面的規則，將七種典型的碳水化合物初始狀態碳的氧化數、終末狀態碳的氧化數、氧化數改變、NADH數目等在表1中列出。1分子NADH包含2個自由電子，通過在線粒體內膜電子傳遞鏈復合物上進行跨膜傳遞，將大約10個質子泵到線粒體內膜間隙形成質子驅動力。最后平均4個質子可以通過ATP合酶生成一個ATP分子，即一分子的NADH可以生成2.5個ATP。在不考慮這幾種碳水化合物徹底氧化所經歷的復雜的化學反應過程，我們能夠快速求出這七種碳水化合物在細胞內生成ATP的數目。需要說明的問題是，葡萄糖在糖酵解途徑和三羧酸循環反應中，有底物活化消耗ATP和底物水平磷酸化生成ATP的過程。自由電子跨膜傳遞形成的質子驅動力通過ATP合酶生成ATP的過程，只能是大約每4個質子可以生成一分子的ATP，從這個角度來說，碳水化合物徹底氧化生成ATP的數目不可能真正的“精確”定量。考慮到底物活化和底物水平磷酸化加起來對ATP的貢獻非常小，可以忽略這種因素對結果的影響。

表1 碳水化合物徹底氧化前后氧化數變化及ATP初步估算

四、葡萄糖能量轉化的討論

從氧化數改變的角度處理葡萄糖或者其他碳水化合物徹底氧化生成多少ATP問題確實起到了一些好的效果，在教學實踐中也確實有助于幫助學生對碳水化合物能量轉化問題的理解。從葡萄糖徹底氧化生成二氧化碳和水的過程來看，總共有三次能量轉化過程。從能量轉化的圓餅圖可以直觀的看出，葡萄糖經過糖酵解和三羧酸循環的第一個步驟，將大約90.4%的自由能轉化成自由電子載體NADH的能量；NADH在線粒體電子傳遞鏈上進行電子跨膜傳遞，將電勢能轉化成質子驅動力的能量，這個過程具有極高的能量轉化效率，只損失大約3.4%的能量；最后質子驅動力驅動ATP合酶生成ATP，這個過程中將有60%質子驅動力的能量轉化生成ATP，即分子馬達的效率達到了60%。計算葡萄糖徹底有氧氧化生成ATP的能量轉化效率，達到了52.3%，效率可觀。

圖1 葡萄糖不同途徑的能量轉化效率

五、結語

本文從碳的氧化數改變的角度，分析出葡萄糖及其他碳水化合物徹底氧化生成NADH的數目。通過計算NADH的自由能，質子驅動力儲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徑和三羧酸循環的能量轉化效率；以及隨后質子驅動力形成和ATP合成的能量轉化效率，能夠幫助學生深入理解葡萄糖在細胞內能量利用過程。