生物氧化“逐步釋能”的作用機(jī)制

夏循禮

(江西中醫(yī)藥大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院, 南昌 330004)

生物體通過代謝維持其生長、發(fā)育、繁殖、運(yùn)動等各種生命活動。代謝是生命活動的化學(xué)本質(zhì)，是物質(zhì)代謝與能量代謝的有機(jī)統(tǒng)一。生物體的能量代謝是能量攝取、能量轉(zhuǎn)換、以及能量利用的過程，生物氧化是其能量代謝的主要和重要方式。

糖類、脂肪和蛋白質(zhì)等能量營養(yǎng)物質(zhì)通過生物氧化釋放出能量、滿足生物體生命活動的需要。這些能量營養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)的氧化供能(生物氧化)不同于其在生物體外的燃燒作用——高溫條件下O與C和H直接氧化(生成CO2和H2O)瞬間燃燒釋放出大量的能量。生物氧化是在適宜生物體溫度和生理?xiàng)l件下，O與H間接氧化(生成H2O)逐步釋放等值能量，并且將其一部分能量通過氧化磷酸化合成ATP儲存為化學(xué)能。能量營養(yǎng)物質(zhì)生物氧化“逐步釋能”的分子機(jī)制主要有兩種形式：呼吸鏈機(jī)制和“加H2O以H換C”機(jī)制。

鑒于《生物化學(xué)》教科書和文獻(xiàn)資料只有生物氧化“逐步釋能”的“呼吸鏈”機(jī)制的相關(guān)內(nèi)容[1-7]，缺乏“加H2O以H換C”機(jī)制的內(nèi)容，本文試作概要闡釋，以資探討。

1 生物氧化“逐步釋能”的“呼吸鏈”機(jī)制

真核生物線粒體內(nèi)膜或者原核生物細(xì)胞膜上的呼吸鏈(亦稱電子傳遞鏈)，是生物體能量代謝的重要“裝置”，是生物氧化“逐步釋能”的主要場所(見圖1)。呼吸鏈接受能量營養(yǎng)物質(zhì)及其分解的中間體釋放出的H原子(由脫氫酶催化生成NADH或FADH2)，通過呼吸鏈上排列有序的遞氫體和遞電子體，逐次將其電子進(jìn)行傳遞，最終在呼吸鏈末端與O原子結(jié)合生成H2O。能量營養(yǎng)物質(zhì)及其分解的中間體釋放出的H原子(電子)在呼吸鏈上逐次傳遞電子的過程，即是其所攜帶的能量(電勢能)逐步釋放的過程。

例如，能量營養(yǎng)物質(zhì)及其分解中間體脫下的H以NADH形式進(jìn)入呼吸鏈傳遞、與O原子結(jié)合間接氧化生成H2O的過程，就是一個(gè)遞氫體和遞電子體的還原電勢能逐級降低、能量逐步釋放(轉(zhuǎn)化為其他形式能量，如自由能)的過程[8]。進(jìn)入呼吸鏈的NADH+H+攜帶的能量其標(biāo)準(zhǔn)還原電勢為-0.320 V，經(jīng)過呼吸鏈逐次傳遞電子、逐步釋放能量、至最終將O原子還原為O2-時(shí)其存留的標(biāo)準(zhǔn)還原電勢為0.816 V，該過程標(biāo)準(zhǔn)還原電勢降低了1.136 V[0.816-(-0.320)]，大約釋放出220.1 KJ的標(biāo)準(zhǔn)自由能。呼吸鏈上排列有序的每一個(gè)遞氫體和遞電子體、每一次的電子傳遞基本上都參與了這個(gè)能量“逐步釋放”的代謝過程。

圖1 呼吸鏈的組成(引自唐炳華主編《生物化學(xué)》)[1]

能量營養(yǎng)物質(zhì)及其分解中間體脫下的H從呼吸鏈上不同的位置通過不同的遞氫體進(jìn)入電子傳遞過程，其經(jīng)過的“逐步釋能”的路徑不同，標(biāo)準(zhǔn)還原電勢降低值也不一樣，釋放出的能量值也有差異。例如，琥珀酸脫下的H原子以FADH2形式通過呼吸鏈的復(fù)合體Ⅱ進(jìn)入電子傳遞過程，其標(biāo)準(zhǔn)還原電勢的降低值和釋放的標(biāo)準(zhǔn)自由能比NADH要少一些。

2 生物氧化“逐步釋能”的“加H2O以H換C”機(jī)制

能量物質(zhì)在體外燃燒，O原子在高溫條件下直接與C原子和H原子發(fā)生氧化，生成CO2和H2O，瞬間燃燒釋放出大量能量，能量物質(zhì)的C原子和H原子都是能量攜帶者。生物體的能量營養(yǎng)物質(zhì)(如葡萄糖、脂肪、蛋白質(zhì)等)生物氧化，只有H原子通過呼吸鏈間接和O原子結(jié)合氧化釋放能量，那么C原子攜帶的能量是怎樣氧化釋放出來的呢？

生物體內(nèi)能量營養(yǎng)物質(zhì)的C原子沒有直接或者間接與O原子發(fā)生氧化生成CO2，釋放出其所攜帶的能量，其生成CO2來源于有機(jī)酸脫羧方式，該代謝方式基本上不釋放出多少能量。能量營養(yǎng)物質(zhì)及其分解中間體通過加H2O反應(yīng)，將H2O的H原子和OH分別結(jié)合到其C原子上；H2O的O原子結(jié)合到C原子上以形成羧基(-COOH)，再通過有機(jī)酸脫羧反應(yīng)生成CO2，而結(jié)合到C原子上的H2O的H原子則由脫氫酶催化以NADH或FADH2形式脫下進(jìn)入呼吸鏈發(fā)生氧化而逐步釋能。因此，能量營養(yǎng)物質(zhì)的C原子攜帶的能量通過轉(zhuǎn)換成H原子攜帶的能量進(jìn)入呼吸鏈氧化釋放，這就是“加H2O以H換C”機(jī)制[9-11]。

能量營養(yǎng)物質(zhì)生物氧化的“加H2O以H換C”主要發(fā)生在檸檬酸循環(huán)和脂肪酸β氧化環(huán)節(jié)，其中檸檬酸循環(huán)發(fā)生3次“加H2O以H換C”(見圖2反應(yīng)①⑤⑦，反應(yīng)⑤中ADP+Pi→ATP+H2O)， 脂肪酸β氧化每循環(huán)1次發(fā)生1次“加H2O以H換C”(見圖3反應(yīng)②)，檸檬酸循環(huán)通過“加H2O以H換C”產(chǎn)生3分子NADH或FADH2，脂肪酸β氧化通過“加H2O以H換C”產(chǎn)生1分子NADH或FADH2。

檸檬酸循環(huán)的底物分子乙酰CoA的乙酰基(CH3CO-)只攜帶了2個(gè)H原子，徹底反應(yīng)后卻生成了4對NADH和FADH2，其中3對NADH和FADH2就來自于3次“加H2O以H換C”，3個(gè)O原子加到C原子上，后續(xù)再轉(zhuǎn)化為羧基；脂肪酸β氧化每循環(huán)1次，把1個(gè)-CH2CH2-代謝為-CH2CO-，生成了1對NADH和1對FADH2，其中的2個(gè)H就來自于“加H2O以H換C”，O原子加到C原子上形成了-CO-，后續(xù)再轉(zhuǎn)化為羧基。

不論檸檬酸循環(huán)途徑，還是脂肪酸β氧化過程，“加H2O以H換C”都是逐次分步進(jìn)行的。檸檬酸循環(huán)有3次加H2O反應(yīng)，脂肪酸β氧化每循環(huán)1次加1次H2O(如軟脂酸β氧化循環(huán)7次加7次水)，逐次分步的“加H2O以H換C”充分體現(xiàn)生物氧化的“逐步釋能”特征。分析葡萄糖和軟脂酸徹底氧化供能過程可知：

1分子葡萄糖(C6H12O6)徹底氧化共產(chǎn)生12分子NADH或FADH2，其中6分子NADH或FADH2的H原子來自“加H2O”，葡萄糖徹底氧化的總反應(yīng)式為：

圖2 檸檬酸循環(huán)(引自唐炳華主編《生物化學(xué)》)[1]

圖3 脂肪酸的β氧化(引自唐炳華主編《生物化學(xué)》)[1]

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

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

1分子軟脂酸(C16H32O2)徹底氧化共產(chǎn)生46分子NADH或FADH2，其中31分子NADH或FADH2的H原子來自“加H2O”，軟脂酸徹底氧化的總反應(yīng)式為：

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

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

3 檸檬酸循環(huán)途徑是生物氧化“逐步釋能”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

檸檬酸循環(huán)是生物體內(nèi)糖類、脂肪和蛋白質(zhì)等能量營養(yǎng)物質(zhì)氧化供能的共同途徑，是糖類、脂類、蛋白質(zhì)以及核酸等代謝的聯(lián)系樞紐。而其實(shí)，檸檬酸循環(huán)還是生物體內(nèi)能量營養(yǎng)物質(zhì)生物氧化“逐步釋能”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

葡萄糖在有氧氧化的3個(gè)階段即糖酵解途徑、丙酮酸氧化脫羧和檸檬酸循環(huán)中，前兩個(gè)階段產(chǎn)生的能量極其有限，主要是為第3個(gè)階段檸檬酸循環(huán)原料乙酰CoA。1分子葡萄糖有氧氧化共產(chǎn)生12對NADH和FADH2，其中6對NADH和FADH2是通過“加H2O以H換C”產(chǎn)生的，都是發(fā)生在檸檬酸循環(huán)階段。

脂肪酸在氧化供能的兩個(gè)階段即β氧化和檸檬酸循環(huán)中，β氧化每循環(huán)1次加1分子H2O，通過“加H2O以H換C”方式生成1分子NADH或FADH2，而β氧化的終產(chǎn)物基本是乙酰CoA，進(jìn)入檸檬酸循環(huán)途徑氧化釋能。

蛋白質(zhì)的氧化供能主要是其分解產(chǎn)物氨基酸的氧化供能，基本上是各種氨基酸轉(zhuǎn)化為乙酰CoA(如丙氨酸、亮氨酸)進(jìn)入檸檬酸循環(huán)途徑氧化釋能，或者轉(zhuǎn)化為檸檬酸循環(huán)途徑的代謝物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)等直接進(jìn)入檸檬酸循環(huán)途徑氧化供能。

因此，生物體內(nèi)能量營養(yǎng)物質(zhì)糖類、脂肪和蛋白質(zhì)等生物氧化“逐步釋能”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是檸檬酸循環(huán)途徑，各種能量營養(yǎng)物質(zhì)主要通過檸檬酸循環(huán)途徑氧化釋能，而檸檬酸循環(huán)途徑是“加H2O以H換C”的主要環(huán)節(jié)。

4 結(jié)論

生物氧化“逐步釋能”的分子機(jī)制是：能量營養(yǎng)物質(zhì)及其中間體上的C原子攜帶的能量通過多環(huán)節(jié)、分階段地“加H2O以H換C”轉(zhuǎn)移到H原子(C原子通過有機(jī)酸氧化脫羧生成CO2釋放出來)，該H原子以及能量營養(yǎng)物質(zhì)及其中間體上的H原子由脫氫酶催化轉(zhuǎn)化為NADH或FADH2，NADH或FADH2進(jìn)入呼吸鏈，通過呼吸鏈上排列有序的遞氫體和遞電子體的逐級氧化最后生成H2O，同時(shí)逐步釋放出其所攜帶的大量能量。真核生物的檸檬酸循環(huán)途徑、脂肪酸β氧化過程以及呼吸鏈都“同居”于線粒體內(nèi)，應(yīng)是生物進(jìn)化的結(jié)果；而通過加入大量的H2O來實(shí)現(xiàn)生物體能量的逐步釋放，也可以加深對“生命離不開水”或“水是生命之源”等的理解。