基于碳氧化数的呼吸代谢途径分析及意义

摘要：指出了细胞呼吸代谢涉及到许多代谢通路，每一条通都涉及到物质变化和能量生成。基于此，根据碳氧代数的的变化分析了细胞多条呼吸代谢途径，并推断出氧化脱氢及能量生成机理，总结了每条呼吸代谢的意义。

关键词：呼吸代谢；碳的氧化数；途径；ATP生成

中图分类号：Q252

文献标识码：A文章编号：16749944（2016）12025203

1引言

在长期的进化过程中，植物、微生物存在多条呼吸代谢途径以应对环境条件的改变。呼吸代谢是一个复杂的物质代谢网络，并伴随着能量的生成。以往的文献、教材大多从呼吸代谢的每一步反应入手，强调酶促化学反应的过程及物质代谢的组成变化。笔者从碳氧化数的角度，撇开复杂的反应式及中间代谢物的结构，删繁就简，抓住本质来分析各种呼吸代谢途径，并分析它存在的意义。对传统经典方法进行了补充，有利于更好地理解呼吸代谢机制。

2碳的氧化数概念及“功效”

氧化态（oxidation state）表示一个化合物中某个原子的氧化程度。形式氧化态是通过假设所有异核化学键都为100 %离子键而算出来的。因此碳的氧化态就是在有机分子中通过计算得到的碳的氧化程度值。由于呼吸代谢的物质组成都是碳、氢、氧等元素。根据国际理论与应用化学联合会（International Union of Pure and Applied Chemistry， IUPAC）的规定：化合物分子中氢的氧化态为+1价，氧的为-2价，且中性分子中各原子的氧化态代数和为零。在一个可能的酶促化学反应中，只有碳的氧化态发生了改变。因此碳的氧化态变化可以反映呼吸代谢的本质。即有碳的氧化数变化，必将有电子的转移得失，反应为氧化还原反应；没有碳的氧化数改变，将不涉及氧化还原反应，只存在碳原子结构和数目的重排。加上呼吸代谢中的氧化还原反应的电子受体一般为NAD和NADP，因此从碳的氧化数变化可以确定生成NADH和NADPH的多少。现假设碳水化合物的普通分子式为CiHjOk，根据中性分子氧化数为0的条件，并设Ci为第i个碳原子的氧化数，我们得到：

∑ii=1Ci+∑jj=1Hi+∑kk=1Oi=0 （1）

代入H、O的氧化数可以得出碳元素总的氧化数：

∑ii=1Ci=2ki-j（2）

只需要知道物质的分子式，根据公式（2）就能求出该物质的碳的氧化。以下通过氧化数具体分析呼吸代谢的各种途径。

3糖酵解（EMP）和三羧酸循环（TCA）途径

糖酵解是葡萄糖的无氧呼吸过程，1分子葡萄糖通过10步反应最后生成2分子丙酮酸。从图1a可以看到，碳的氧化数只在3-磷酸-甘油醛（3-GAP）生成1，3-二磷酸甘油酸（1，3-DPGA）的时候发生变化，从0价上升到+2价，因此必有2个电子转移生成1分子NADH。考虑到磷酸二羟丙酮（DHAP）3-磷酸-甘油醛可以互相转化，最终1分子葡萄糖生成2分子丙酮酸有2个NADH生成，碳总的氧化数从0价升高为丙酮酸的+4价。

三羧酸循环是丙酮酸在线粒体中彻底的有氧氧化过程，最终产物是CO2和H2O。从图1b可以看到，有3个反应存在有C个数的变化，分别是丙酮酸（pyruvate）到乙酰辅酶A（Acetyl-CoA），草酰琥珀酸到a-酮戊二酸，a-酮戊二酸到琥珀酰CoA，这3个反应都有1分子CO2的生成。同时根据反应前后碳总氧化数变化可推断每个脱羧反应都有一次氧化脱氢，生成1分子NADH，共有3分子NADH生成。除了3个有CO2生成的反应外，还有两个反应前后有碳的氧化数变化，即琥珀酸（succinic acid）到延胡索酸（fumaric acid），苹果酸（malic acid）到草酰乙酸（oxaloacetic acid）的反应过程。碳的氧化数都升高了+2价，因此转移4个电子生成1分子的NADH和1分子FADH2。因此可以得出结论：1分子丙酮酸在线粒体中由氧氧化将有4分子NADH和1分子FADH2的能量生成。同时碳的氧化数也从丙酮酸的+4价（2分子丙酮酸）升高到CO2的+24价（共6分子CO2），共计20个电子的转移，生成8分子NADH和2分子FADH2。算上糖酵解途径的2分子NADH，葡萄糖彻底有氧氧化将有10分子NADH和2分子FADH2的能量物质生成。

糖酵解普遍存在于生物体中，是有氧呼吸和无氧呼吸途径的共同部分。通过糖酵解，生物体可获得葡萄糖中的部分能量。特别是对厌氧生物来说，糖酵解是糖分解和获取能量的主要方式。而TCA循环是生物体利用糖或其它物质彻底氧化获得能量的最主要途径。它通过把碳水化合物中碳的氧化数提升到CO2的+4价，从而获得化合物中所储存最大部分的能量。同时该途径是糖类、脂肪和蛋白质彻底氧化分解的共同中间过程，起到物质代谢网络的中枢作用。

4己糖单磷酸（HMP）途径

HMP途径也成为戊糖磷酸途径，简称PPP途径。从图2可以看出，PPP代谢途径的中间产物大多数为糖类化合物，碳的氧化数不发生改变，始终为0（包括3-磷酸甘油醛GAP）。但有两个地方除外，图中红色标记部分显示：6-磷酸葡萄糖（6-P-G）生成6-磷酸葡萄糖酸（6-P-GA）时碳的氧化数升高+2价，有1分子的NADPH生成；6-磷酸葡萄糖酸生成5-磷酸核酮糖，碳数目减少一个，推断有脱羧CO2生成，氧化数从+2价变成+4价，因此也应该有两个电子发生转移，生成另外1个NADPH。其余部位发生的反应，由于碳的氧化数不发生改变，只是碳元素的数目发生改变，属于碳骨架的重排。因此，图2中每3分子葡萄糖分子发生

戊糖磷酸代谢循环，有6分子NADPH生成，同时通过碳骨架的重排，得到2分子葡萄糖和1分子3-磷酸甘油醛。则二次这样的循环，需要6分子葡萄糖参与，同时得到5分子葡萄糖（其中两分子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释放。

戊糖磷酸途径是葡萄糖直接氧化分解的生化过程，特别是在植物感病、受伤、干旱时，该途径可占全部呼吸的50 %以上，由于该途径和EMP-TCA途径的酶系统不同，因此当EMP-TCA途径受阻时，PPP途径则可替代正常的有氧呼吸，为植物适应环境提供另外一种呼吸代谢选择。该途径中生成的NADPH在脂肪酸、固醇等的生物合成、非光合细胞的硝酸盐、亚硝酸盐的还原以及氨的同化、丙酮酸羧化还原成苹果酸等过程中起重要作用。同时.该途径中的一些中间产物是许多重要有机物质生物合成的原料，如5-磷酸核酮糖和5-磷酸核糖是合成核苷酸的原料。4-磷酸赤藓糖和EMP中的PEP可合成莽草酸，经莽草酸途径可合成芳香族氨基酸，还可合成与植物生长、抗病性有关的生长素、木质素、绿原酸、咖啡酸等。

ED途径是Entner和doudoroff在研究嗜糖假单胞菌的代谢时发现的，所以简称为ED途径，又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途径。这是存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中的一种替代途径，为微生物所特有。特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步反应才能够形成的丙酮酸。从图3可以看出葡萄糖到2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸的过程只有一次碳的氧化数改变，生成1分子NADH。KDPG裂解成3-磷酸甘油醛和丙酮酸，没有碳的氧化数变化，没有NADH生成。3-磷酸甘油醛可以通过EMP途径生成丙酮酸，中间有1分子NADH生成。该途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。丙酮酸在有氧条件下可以进行TCA循环，无氧条件可以进行酒精发酵。在极端嗜热古菌和极端嗜盐古菌中，葡萄糖的分解还可以靠修饰的ED途径而进行，其初期的中间产物不经过磷酸化。

6乙醛酸途径

植物细胞内脂肪酸氧化分解为乙酰CoA之后，在乙醛酸体（glyoxysome）内生成琥珀酸、乙醛酸和苹果酸；此琥珀酸可用于糖的合成，该过程称为乙醛酸循环（glyoxylic acid cycle，GAC）。从图4可以看到，2分子的乙酰CoA参与了循环，最后净生成了1分子草酰乙酸OAA。乙酰CoA碳的氧化数为0价，而草酰乙酸碳的氧化数为+6价，即在3个部位发生了电子转移生成2分子NADH和1分子FADH2（红线所示）。图4中琥珀酸由乙醛酸体转移到线粒体，在其中通过三羧酸循环的部分反应转变为延胡索酸、苹果酸，再生成草酰乙酸。然后，草酰乙酸继续进入TCA循环或者转移到细胞质，在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEP carboxykinase）催化下脱羧生成磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），PEP再通过糖酵解的逆转而转变为葡萄-6-磷酸并形成蔗糖。因此，油料种子在发芽过程中，细胞中出现许多乙醛酸体，贮藏脂肪首先水解为甘油和脂肪酸，然后脂肪酸在乙醛酸体内氧化分解为乙酰CoA，并通过乙醛酸循环转化为糖，直到种子中贮藏的脂肪耗尽为止，满足种子萌发初期的能量需要。而淀粉种子萌发时不发生乙醛酸循环。可见，乙醛酸循环是富含脂肪的油料种子所特有的一种呼吸代谢途径。

7结语

细胞呼吸代谢涉及到很多代谢通路，每一条代谢通路都涉及到物质变化和能量生成。其中，物质变化主要体现碳骨架的变化，包含数目变化和结构变化；能量生成主要体现在总碳氧化数的改变。对复杂的各条细胞呼吸代谢途径不是采用传统逐步化学反应式的解析方法来处理分析，而是从中找到碳的氧化数改变的本质，综合分析了各条呼吸代谢过程，并简要阐述了其意义。希望能对理解和掌握呼吸代谢过程有所启发。

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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