曾德二，吳甘霖，魏和平，鄭彥坤

(安慶師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 安慶 246133)

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基于碳氧化數(shù)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(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 安慶 246133)

摘要：指出了細(xì)胞呼吸代謝涉及到許多代謝通路，每一條通都涉及到物質(zhì)變化和能量生成?；诖?，根據(jù)碳氧代數(shù)的的變化分析了細(xì)胞多條呼吸代謝途徑，并推斷出氧化脫氫及能量生成機(jī)理，總結(jié)了每條呼吸代謝的意義。

關(guān)鍵詞：呼吸代謝；碳的氧化數(shù)；途徑；ATP生成

1引言

在長期的進(jìn)化過程中，植物、微生物存在多條呼吸代謝途徑以應(yīng)對環(huán)境條件的改變。呼吸代謝是一個(gè)復(fù)雜的物質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)，并伴隨著能量的生成。以往的文獻(xiàn)、教材大多從呼吸代謝的每一步反應(yīng)入手，強(qiáng)調(diào)酶促化學(xué)反應(yīng)的過程及物質(zhì)代謝的組成變化。筆者從碳氧化數(shù)的角度，撇開復(fù)雜的反應(yīng)式及中間代謝物的結(jié)構(gòu)，刪繁就簡，抓住本質(zhì)來分析各種呼吸代謝途徑，并分析它存在的意義。對傳統(tǒng)經(jīng)典方法進(jìn)行了補(bǔ)充，有利于更好地理解呼吸代謝機(jī)制。

2碳的氧化數(shù)概念及“功效”

氧化態(tài)(oxidation state)表示一個(gè)化合物中某個(gè)原子的氧化程度。形式氧化態(tài)是通過假設(shè)所有異核化學(xué)鍵都為100 %離子鍵而算出來的。因此碳的氧化態(tài)就是在有機(jī)分子中通過計(jì)算得到的碳的氧化程度值。由于呼吸代謝的物質(zhì)組成都是碳、氫、氧等元素。根據(jù)國際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)的規(guī)定：化合物分子中氫的氧化態(tài)為+1價(jià)，氧的為-2價(jià)，且中性分子中各原子的氧化態(tài)代數(shù)和為零。在一個(gè)可能的酶促化學(xué)反應(yīng)中，只有碳的氧化態(tài)發(fā)生了改變。因此碳的氧化態(tài)變化可以反映呼吸代謝的本質(zhì)。即有碳的氧化數(shù)變化，必將有電子的轉(zhuǎn)移得失，反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)；沒有碳的氧化數(shù)改變，將不涉及氧化還原反應(yīng)，只存在碳原子結(jié)構(gòu)和數(shù)目的重排。加上呼吸代謝中的氧化還原反應(yīng)的電子受體一般為NAD和NADP，因此從碳的氧化數(shù)變化可以確定生成NADH和NADPH的多少。現(xiàn)假設(shè)碳水化合物的普通分子式為CiHjOk，根據(jù)中性分子氧化數(shù)為0的條件，并設(shè)Ci為第i個(gè)碳原子的氧化數(shù)，我們得到：

(1)

代入H、O的氧化數(shù)可以得出碳元素總的氧化數(shù)：

(2)

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

3糖酵解(EMP)和三羧酸循環(huán)(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(yīng)最后生成2分子丙酮酸。從圖1a可以看到，碳的氧化數(shù)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(shí)候發(fā)生變化，從0價(jià)上升到+2價(jià)，因此必有2個(gè)電子轉(zhuǎn)移生成1分子NADH?？紤]到磷酸二羥丙酮(DHAP)3-磷酸-甘油醛可以互相轉(zhuǎn)化，最終1分子葡萄糖生成2分子丙酮酸有2個(gè)NADH生成，碳總的氧化數(shù)從0價(jià)升高為丙酮酸的+4價(jià)。

三羧酸循環(huán)是丙酮酸在線粒體中徹底的有氧氧化過程，最終產(chǎn)物是CO2和H2O。從圖1b可以看到，有3個(gè)反應(yīng)存在有C個(gè)數(shù)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(gè)反應(yīng)都有1分子CO2的生成。同時(shí)根據(jù)反應(yīng)前后碳總氧化數(shù)變化可推斷每個(gè)脫羧反應(yīng)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(gè)有CO2生成的反應(yīng)外，還有兩個(gè)反應(yīng)前后有碳的氧化數(shù)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(yīng)過程。碳的氧化數(shù)都升高了+2價(jià)，因此轉(zhuǎn)移4個(gè)電子生成1分子的NADH和1分子FADH2。因此可以得出結(jié)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(shí)碳的氧化數(shù)也從丙酮酸的+4價(jià)(2分子丙酮酸)升高到CO2的+24價(jià)(共6分子CO2)，共計(jì)20個(gè)電子的轉(zhuǎn)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(zhì)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(huán)是生物體利用糖或其它物質(zhì)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(shù)提升到CO2的+4價(jià)，從而獲得化合物中所儲(chǔ)存最大部分的能量。同時(shí)該途徑是糖類、脂肪和蛋白質(zhì)徹底氧化分解的共同中間過程，起到物質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)物大多數(shù)為糖類化合物，碳的氧化數(shù)不發(fā)生改變，始終為0(包括3-磷酸甘油醛GAP)。但有兩個(gè)地方除外，圖中紅色標(biāo)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(shí)碳的氧化數(shù)升高+2價(jià)，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(shù)目減少一個(gè)，推斷有脫羧CO2生成，氧化數(shù)從+2價(jià)變成+4價(jià)，因此也應(yīng)該有兩個(gè)電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，生成另外1個(gè)NADPH。其余部位發(fā)生的反應(yīng)，由于碳的氧化數(shù)不發(fā)生改變，只是碳元素的數(shù)目發(fā)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(fā)生戊糖磷酸代謝循環(huán)，有6分子NADPH生成，同時(shí)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(huán)，需要6分子葡萄糖參與，同時(shí)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(shí)，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(tǒng)不同，因此當(dāng)EMP-TCA途徑受阻時(shí)，PPP途徑則可替代正常的有氧呼吸，為植物適應(yīng)環(huán)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(xì)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(shí).該途徑中的一些中間產(chǎn)物是許多重要有機(jī)物質(zhì)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(jīng)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(guān)的生長素、木質(zhì)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(shí)發(fā)現(xiàn)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(diǎn)是葡萄糖只經(jīng)過4步反應(yīng)即可快速獲得由EMP途徑須經(jīng)10步反應(yīng)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(shù)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(shù)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(huán)相連接，可互相協(xié)調(diào)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(jìn)行TCA循環(huán)，無氧條件可以進(jìn)行酒精發(fā)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(jìn)行，其初期的中間產(chǎn)物不經(jīng)過磷酸化。

圖3　ED代謝途徑

6乙醛酸途徑

植物細(xì)胞內(nèi)脂肪酸氧化分解為乙酰CoA之后，在乙醛酸體(glyoxysome)內(nèi)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(huán)(glyoxylic acid cycle，GAC)。從圖4可以看到，2分子的乙酰CoA參與了循環(huán)，最后凈生成了1分子草酰乙酸OAA。乙酰CoA碳的氧化數(shù)為0價(jià)，而草酰乙酸碳的氧化數(shù)為+6價(jià)，即在3個(gè)部位發(fā)生了電子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移到線粒體，在其中通過三羧酸循環(huán)的部分反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檠雍魉帷⑻O果酸，再生成草酰乙酸。然后，草酰乙酸繼續(xù)進(jìn)入TCA循環(huán)或者轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)，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(zhuǎn)而轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸?6-磷酸并形成蔗糖。因此，油料種子在發(fā)芽過程中，細(xì)胞中出現(xiàn)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(nèi)氧化分解為乙酰CoA，并通過乙醛酸循環(huán)轉(zhuǎn)化為糖，直到種子中貯藏的脂肪耗盡為止，滿足種子萌發(fā)初期的能量需要。而淀粉種子萌發(fā)時(shí)不發(fā)生乙醛酸循環(huán)?？梢?，乙醛酸循環(huán)是富含脂肪的油料種子所特有的一種呼吸代謝途徑。

7結(jié)語

細(xì)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(zhì)變化和能量生成。其中，物質(zhì)變化主要體現(xiàn)碳骨架的變化，包含數(shù)目變化和結(jié)構(gòu)變化；能量生成主要體現(xiàn)在總碳氧化數(shù)的改變。對復(fù)雜的各條細(xì)胞呼吸代謝途徑不是采用傳統(tǒng)逐步化學(xué)反應(yīng)式的解析方法來處理分析，而是從中找到碳的氧化數(shù)改變的本質(zhì)，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(fā)。

圖4　乙醛酸循環(huán)途徑

參考文獻(xiàn)：

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收稿日期：2016-05-05

基金項(xiàng)目：國家青年科學(xué)基金(編號：31400714)；安徽省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(編號：KJ2015A168)

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

中圖分類號：Q252

文獻(xiàn)標(biāo)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