生物氧化中氧化还原关系的分析

2014-03-26郭向东

生物学杂志 2014年6期

郭向东

(江汉大学医学院生化教研室, 湖北武汉 430056)

在生物化学的教学中，学生普遍反应生物氧化难学，而生物氧化是生化教材中的主要内容，包括糖类和脂类化合物的氧化代谢。生物氧化步骤多，过程复杂，几乎所有的教材[1-5]都把分析的焦点集中在每一步反应过程和涉及的酶类，几乎没有教材从氧化还原角度，对生物氧化过程做概括分析。如何理解生物氧化过程中的脱羧、脱氢、加水、电子传递的过程，他们和C原子氧化之间的关系如何？夏循礼曾有相关文章[5-6]对三羧酸循环过程中各个原子的来源去路做过一个细致的分析。而本篇文章则希望对这个问题做一个更简化，更有概括性，且更容易理解的分析。并且把分析的对象延伸到所有的糖类和脂类化合物，希望能够帮助学生学习生化氧化时，找到不同物质生物氧化的内在逻辑规律。

1 葡萄糖的的彻底氧化

一分子葡萄糖经过彻底氧化，完整的反应方程式应该如下：C6H12O6+ 6O2+ 6H2O = 6CO2+ 12H2O，整个彻底氧化全过程脱下24个H。在全部反应中，参加反应的H2O分子、 O2分子、脱下来的H原子、生成H2O分子，它们之间有什么关系？现在从以下几个方面对葡萄糖彻底氧化过程进行梳理分析。

1.1 葡萄糖彻底氧化中的脱羧反应

葡萄糖彻底氧化，依次在下列反应中发生3次脱羧：丙酮酸反应生成乙酰辅酶A；异柠檬酸反应生成α-酮戊二酸；α-酮戊二酸反应生成琥珀酰辅酶A。一分子葡萄糖形成2分子丙酮酸，所以，一分子葡萄糖彻底氧化共计发生6次脱羧，形成6个CO2。葡萄糖分子中有6个C原子，全部被氧化形成CO2。脱羧的C原子不一定来自原始的葡萄糖分子，参见文献[5-6]。

1.2 葡萄糖彻底氧化中的脱氢反应

葡萄糖彻底氧化，依次在下列反应中发生6次脱氢：3-磷酸甘油醛反应生成1.3-磷酸甘油酸；丙酮酸反应生成乙酰辅酶A；异柠檬酸反应生成α-酮戊二酸；α-酮戊二酸反应生成琥珀酰辅酶A；琥珀酸反应生成延胡索酸；苹果酸反应生成草酰乙酸。一分子3-磷酸甘油醛彻底被氧化分解，计经过6次脱氢反应[1-5]。

一分子葡萄糖可以形成2分子3磷酸甘油醛，共发生12次脱氢，共计脱去24个H原子。葡萄糖分子中本身含有12个H原子，参加反应的6个H2O分子中含有 12个H原子。脱下的24个氢原子，传递给单质氧原子，共形成12个H2O分子。磷酸化和辅酶A带来的H原子，实际上在脱磷酸化后，以及脱去辅酶A后均已经还给磷酸和辅酶A。并不影响整个代谢的H原子的数量。

1.3 葡萄糖彻底氧化中的加水反应

葡萄糖氧化过程中有加水反应，也有脱水反应，这些反应的结果是对有机物中所含O原子的数目产生影响。该问题，在夏循礼文章中做过详细的分析，本文只做一个概括分析[5-6]。

1)葡萄糖糖酵解途径中的脱水反应和加水反应：在葡萄糖的无氧酵解中，有伴随磷酸化的脱水反应(6-磷酸葡萄糖的形成，1，6-二磷酸果糖的形成)，还有伴随去磷酸化的加水反应(磷酸烯醇式丙酮酸反应生成烯醇式丙酮酸)，这样的反应互相抵消，不影响有机物中含有的氧原子数目，所以不去考虑。

在葡萄糖的无氧酵解中，能对有机物所含O原子数发生影响的反应，有以下2次：一次加水反应，从3-磷酸甘油醛反应生成1，3三磷酸甘油酸，再生成3-磷酸甘油酸，这两步反应可以简化成3-磷酸甘油醛经过加水脱氢形成3-磷酸甘油酸，这是一次加水反应。一次脱水反应，2-磷酸甘油酸反应生成磷酸烯醇式丙酮酸过程中，脱去一分子水。

综上所述，在葡萄糖的无氧酵解中，净加水为零，葡萄糖分子中带有6个O原子，在形成的2个丙酮酸中，仍然含有6个O原子。

2)三羧酸循环中的脱水反应和加水反应：第一次加水反应，乙酰辅酶和草酰乙酸反应生成柠檬酸，发生一次加水反应；(从柠檬酸反应生成顺乌头酸，发生脱水反应，顺乌头酸反应生成异柠檬酸，发生加水反应，这两步互相抵消可以不考虑)。第2次加水反应，琥珀酰辅酶A反应生成琥珀酸，发生一次加水反应；第3次加水反应，延胡索酸反应生成苹果酸，发生一次加水反应。一分子乙酰辅酶彻底氧化，要经过3次加水反应。一分子葡萄糖形成2分子乙酰辅酶A，再经过彻底氧化，共计加入6个H2O分子。

3)产物中CO2里O原子的来源：综合上面对加水反应的分析，葡萄糖彻底氧化，净加入6分子H2O分子。葡萄糖彻底氧化后生成6个CO2分子，共计需要12个O原子，其中6个O原子来自葡萄糖本身，6个O原子来自反应物中的H2O分子(见图1)。

图1 葡萄糖氧化过程中各原子去向Fig 1 Each atom fate of the the glucose oxidation process

1.4 葡萄糖彻底氧化中，加水总数和脱氢总数与葡萄糖中C原子状态的关系

糖类和脂肪酸的氧化反应，实质是对目标C原子的氧化，C原子周围的共价键，有C-C单键，C-H单键，还有C-O单键，C=O双键，按照与O原子相连的状况，可以分成5种类型。图2中标记5的C原子为CO2，在CO2中，C原子周围的4个共价键全部与O相连，处在彻底氧化状态，目标C原子由1到5的几种状态，其C-O键的数目，依次增加。要完成目标C原子由还原状态到氧化状态的转变，必须经过图2中的2，3，4共3个状态(见图2)。

图2 有机物中C原子周围化学键状态及转换关系Fig 2 The state and conversion relation of C atoms around chemical bond in organic

C原子由1到2，要经过脱氢和加水反应，例如，琥珀酸反应生成延胡索酸，再形成苹果酸。这一步反应，完成还原态C原子的第一次氧化，把一个共价键与氧相连，这个氧化过程通过脱氢反应和加水反应共同完成。有些反应，是依靠分子内部的原子转移，完成对目标C原子加O。

C原子由2到3，要经过脱氢反应，例如：苹果酸反应生成草酰乙酸的反应。这一步反应，完成目标C原子的第2次氧化，把2个共价键与氧相连，这个氧化过程通过脱氢反应完成。

C原子由3到4，要经过加水和脱氢反应，例如：α-酮戊二酸反应生成琥珀酰辅酶A，再反应生成琥珀酸。这两步反应连贯了5个过程，脱羧，加辅酶A，脱氢，底物水平磷酸化和伴随磷酸化的加水，实现对α-酮戊二酸脱羧，同时对α-C原子(目标C原子)加辅酶A。有许多目标C原子不是以-CO-OH状态存在，而是以-CO～S-CoA形式存在，在脱去辅酶A时，完成加水，向-CO-OH状态的转换，这一步反应，完成目标C原子的第3次氧化，把3个共价键与氧相连，这个氧化过程通过脱氢反应和加水反应共同完成。

C原子由4反应到5，要经过脱羧反应和脱氢反应，例：丙酮酸反应生成乙酰辅酶A的反应[8]。这一步反应，完成C原子的最后一次氧化，这个氧化过程需要通过脱羧反应和脱氢反应共同完成。三羧酸循环中的3个脱羧反应都同时伴有脱氢反应，这是为了完成下一个目标C原子的氧化。

无论是糖类化合物中的C原子，还是脂类化合物中的C原子，要完成彻底氧化，必须经过上面的几个步骤。所以葡萄糖分子被彻底氧化，实质是把葡萄糖分子中的6个碳原子按照上述程序，依次完成被氧化。

葡萄糖分子中带有6个氧原子，氧化形成6个CO2，需要再加入6个O原子，故整个葡萄糖彻底氧化要净加入6个H2O分子。

葡萄糖结构式中，一个C原子带有C=O双键，5个C原子带有C-O单键。6个C原子周围的共计19个共价键，有7个共价键与O原子相连，有12个共价键没有与O相连(见图3)，氧化的过程就是对这12个共价键的电子进行转移，把它交给单质氧，而递交的媒介就是H原子，12个共价键共计24个电子，所以葡萄糖彻底氧化，需要脱下24个H原子。

图3 葡萄糖分子结构Fig 3 The molecular structure of glucose

朱钦士“以H换C”理论[9]认为，参与反应的有机物分子中本身含有O原子，还有水中的O原子，另外还有单质O原子，有机物分子中的O原子并没有起到氧化作用，水中的O原子通过加水反应，加入有机物，也没有起到氧化作用，单质O原子才是氧化剂，被氧化的对象是C原子；但是单质O原子并没有和C原子直接接触，这个氧化过程是通过脱氢和电子转移完成的(见图4)。关于“以H换C”理论在朱钦士[7]的博客和夏巡礼[5-6]的论文中，有详细的分析，本文不再过多分析。

综上所述，葡萄糖分子被氧化的实质是C原子被氧化的过程，实现这个氧化过程，必须有水分子和单质O协同完成，中间通过脱氢完成电子的转移。

图4 以H换C氧化原理Fig 4 Oxidation theory of change H for C

2 软脂酸的彻底氧化

一分子软脂酸(C16)经过彻底氧化，生成16分子CO2和16分子H2O，经过7次β-氧化，8次三羧酸循环，有30分子的H2O参与反应，所以实际生成46分子的H2O。整个氧化过程中，共脱下92个H。其彻底氧化分子反应式：C16H32O2+ 23O2+ 30H2O = 16CO2+ 46H2O

2.1 软脂酸彻底氧化中的脱羧反应

软脂酸彻底氧化中的脱羧反应，都发生在乙酰辅酶A进入三羧酸循环后。依次为：异柠檬酸反应生成α-酮戊二酸；α-酮戊二酸生成琥珀酰辅酶A。一次三羧酸循环，共计经过2次脱羧，8次三羧酸循环[10]，共计脱去16个CO2(见图5)。

2.2 软脂酸彻底氧化中的脱氢反应

软脂酸彻底氧化中既有β氧化过程的脱氢反应，也有三羧酸循环中的脱氢反应。每一次β氧化发生2次脱氢反应；每一次三羧酸循环发生4次脱氢反应。16C的软脂酸彻底氧化，经过7次β-氧化，8次三羧酸循环[10]，共计发生脱氢的总次数为2×7 + 4×8 = 46，共计脱去92个H原子。92个H原子传递给单质氧共形成46个H2O分子。

2.3 软脂酸彻底氧化中的加水反应

软脂酸彻底氧化中既有β氧化过程的加水反应，也有三羧酸循环中的加水反应。每一次β氧化经过一次加水；每一次三羧酸循环经过3次加水反应。16C的软脂酸彻底氧化，经过7次β-氧化，8次三羧酸循环[10]，共计加入1×7 + 3×8 = 31个水分子，在脂肪酸活化的反应中，需要脱去一个水分子，所以软脂酸彻底氧化，净加入30个H2O分子。软脂酸彻底氧化后，各原子的去路，可参见图5。