第三節(jié)　細胞呼吸

在動物體以及一些不靠光合作用獲取能量的生物體內(nèi)，其生命活動所需要的能量來自于食物中的淀粉、脂肪和蛋白質(zhì)，這些生物分子不能直接提供能量，需要經(jīng)過消化作用生成葡萄糖、脂肪酸或氨基酸等小分子物質(zhì)。就哺乳動物而言，食物中的淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)先局部消化，然后在小腸中分解成細胞能氧化分解的單體成分:淀粉分解成葡萄糖、蛋白質(zhì)分解成氨基酸、脂肪分解成甘油和脂肪酸。通過小腸的消化和吸收，這些小分子單體再進入細胞中被進一步氧化分解，釋放的能量暫時貯藏在ATP中。

那么，小分子單體進入細胞后，是如何將能量貯存在ATP中的呢?為了便于學習和理解，我們以葡萄糖為例來討論ATP的形成。ATP的形成有兩條途徑:一是在有氧條件下，由葡萄糖分子徹底氧化為CO₂和水，釋放出自由能并形成大量ATP;另一條途徑是在沒有氧分子參與的條件下，由葡萄糖降解為丙酮酸，并產(chǎn)生少量ATP。前者通常被稱為細胞呼吸，生命活動需要的能量主要通過細胞呼吸提供。

一、細胞呼吸的過程

細胞呼吸的本質(zhì)就是將“食物分子”氧化，這些“食物分子”包括糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等，人們通常用典型的葡萄糖來闡明細胞呼吸的代謝反應過程。葡萄糖徹底氧化分解產(chǎn)生的能量通過一系列化學反應轉(zhuǎn)移至ATP中，每一步化學反應都需要特定的酶參與才能完成，通常將這一系列化學過程分為糖酵解、三羧酸循環(huán)、電子傳遞和氧化磷酸化三個階段。

第一階段為糖酵解(glycolysis)階段，是動植物及微生物細胞中葡萄糖分解產(chǎn)生能量的共同代謝途徑。糖酵解過程可以分成兩個階段——六碳階段和三碳階段，在起始六碳階段，葡萄糖兩次磷酸化轉(zhuǎn)變成果糖－1，6－二磷酸，該階段要消耗2分子的ATP。隨后進入糖酵解的三碳階段，果糖－1，6－二磷酸在果糖－1，6－二磷酸醛縮酶催化下裂解成兩個三碳化合物:甘油醛－3－磷酸和二羥基丙酮磷酸，其中甘油醛－3－磷酸通過5步反應轉(zhuǎn)變成丙酮酸，而二羥基丙酮磷酸很容易異構(gòu)化成甘油醛－3－磷酸，再轉(zhuǎn)變成丙酮酸。在三碳階段，有2步反應是酶將底物分子中的磷酸基團直接轉(zhuǎn)移到ADP分子上生成ATP，我們把這種合成ATP的方式稱為底物水平磷酸化(substrate－level phosphorylation)。三碳階段共產(chǎn)生4分子ATP。糖酵解階段都在細胞質(zhì)中進行，不需要氧的參與。酵解過程中所有的中間物都是磷酸化的，可保存能量，并有利于與酶結(jié)合?？傊?，糖酵解過程將一個葡萄糖分子降解成兩個丙酮酸分子，還生成2分子ATP和2分子NADH(圖4－9)。

圖4－9　糖酵解階段各步化學反應

糖酵解的起點是葡萄糖，終點是丙酮酸。糖酵解過程將一個葡萄糖分子降解成兩個丙酮酸分子，還生成2分子ATP和2分子NADH。

丙酮酸的去向有三種:(1)生成乙酰輔酶A(acetyl coenzyme A，中文簡寫為乙酰CoA)，有氧時丙酮酸進入線粒體，脫羧生成乙酰CoA，通過三羧酸循環(huán)徹底氧化成水和CO₂。(2)生成乳酸，乳酸菌及肌肉供氧不足時，丙酮酸接受甘油醛－3－磷酸脫氫時產(chǎn)生的NADH上的H⁺，在乳酸脫氫酶催化下還原生成乳酸。(3)生成乙醇，在酵母菌中，由丙酮酸脫羧酶催化生成乙醛，再由乙醇脫氫酶催化還原生成乙醇。

第二階段稱為三羧酸循環(huán)階段(citric acid cycle，也稱Krebs循環(huán))，該階段在線粒體基質(zhì)中進行。糖酵解形成的丙酮酸由細胞質(zhì)進入到線粒體后，先氧化脫羧釋放出1分子CO₂，剩余的二碳片段與維生素來源的輔酶A結(jié)合形成乙酰CoA，同時NAD⁺接受該反應放出的氫和電子，形成了NADH。乙酰CoA是Krebs循環(huán)的高能“燃料分子”，在線粒體中，乙酰CoA與草酰乙酸反應生成了6碳的檸檬酸，檸檬酸通過9步反應，逐步脫去2個羧基碳，又形成4碳的草酰乙酸，由此完成了一輪循環(huán)(圖4－10)。每個循環(huán)除了放出2個CO₂分子，還產(chǎn)生3個NADH，1個FADH₂和1個GTP(相當于1個ATP)。Krebs循環(huán)的主要作用是為生物合成提供碳骨架前體，如草酰乙酸和α－酮戊二酸可用于合成天冬氨酸和谷氨酸。

圖4－10　三羧酸循環(huán)圖解

Krebs循環(huán)是以生物化學家Hans Krebs的名字來命名的，但它的發(fā)現(xiàn)凝集著許多科學家的艱辛勞動。Krebs等在前人工作的基礎(chǔ)上，用那些預期可能是食物氧化的中間產(chǎn)物如檸檬酸、琥珀酸、延胡索酸及乙酸等作為材料，研究它們在各種不同的動物組織勻漿中的氧化情況，發(fā)現(xiàn)上述幾種化合物在不同組織中的氧化速率都是最快的，又發(fā)現(xiàn)檸檬酸是草酰乙酸和一種來自丙酮酸或乙酸的化合物合成的，這一發(fā)現(xiàn)加上Albert SG和Carl M的研究成果，使得Krebs提出完整的循環(huán)途徑，他的推理和假設(shè)能夠完美地解釋許多代謝現(xiàn)象，該代謝途徑是Krebs對代謝研究的重大貢獻。

第三個階段是電子傳遞和氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)階段。當一個葡萄糖通過糖酵解和三羧酸循環(huán)氧化成6個CO₂時，僅僅直接合成4個ATP。大多數(shù)ATP來自NADH和FADH₂在電子傳遞鏈(electron transport chain)上的氧化。電子傳遞鏈又稱呼吸鏈(respiratory chain)，是由一系列電子載體構(gòu)成的，從NADH或FADH₂向氧傳遞電子的系統(tǒng)。原核細胞的呼吸鏈位于質(zhì)膜上，真核細胞的呼吸鏈則位于線粒體內(nèi)膜上。

呼吸鏈包含15種以上組分，主要由4種酶復合體和2種可移動電子載體構(gòu)成。復合體Ⅰ即NADH－Q還原酶，該酶從NADH得到兩個電子，轉(zhuǎn)移到FMN上，然后電子又經(jīng)鐵硫蛋白傳遞給輔酶Q。復合體Ⅱ即琥珀酸－Q還原酶，它從琥珀酸得到電子并傳遞給輔酶Q。輔酶Q是呼吸鏈中唯一的非蛋白氧化還原載體，可在膜中迅速移動。它在電子傳遞鏈中處于中心地位，可接受各種黃素酶類脫下的氫。復合體Ⅲ即輔酶Q－細胞色素C氧化還原酶復合體，它把來自輔酶Q的電子依次傳遞給結(jié)合在線粒體內(nèi)膜外表面的細胞色素C。細胞色素C是一個相對分子質(zhì)量較小的球形蛋白質(zhì)，細胞色素C交互地與復合體Ⅲ和復合體IV接觸，起到在復合體Ⅲ和復合體IV之間傳遞電子的作用。復合體IV即細胞色素氧化酶，它將電子傳遞給氧(圖4－11)。

圖4－11　線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞鏈組成

還原型輔酶NADH和FADH₂通過電子傳遞而氧化。電子從較負還原電勢的載體流向較正還原電勢的載體，隨后結(jié)合O₂，形成離子型氧，再與質(zhì)子結(jié)合生成水。O₂與NADH之間的還原電勢差別大，約為1．14伏特，可釋放很多的能量，這些能量用于形成ATP。2個電子從最上游的NADH經(jīng)呼吸鏈傳遞到分子氧可形成2．5個ATP，2個電子從最上游的FADH₂經(jīng)呼吸鏈傳遞到分子氧可形成1．5個ATP(圖4－12)。這種來自電子傳遞鏈的能量用于合成ATP的過程稱為氧化磷酸化。

圖4－12

(a)1個NADH分子中的2個電子經(jīng)呼吸鏈傳遞到分子氧可形成2．5個ATP。(b)1個FADH₂分子中的2個電子經(jīng)呼吸鏈傳遞到分子氧可形成1．5個ATP。

科學家對氧化磷酸化作用機制進行了多年深入研究，目前被廣泛接受的是化學滲透假說(chemiosmotic hypothesis)?；瘜W滲透假說首先由英國生物化學家Peter．Mitchell于1961年提出，該假說認為電子傳遞鏈的組成導致質(zhì)子從線粒體的基質(zhì)向外移動，作用的結(jié)果是形成質(zhì)子動勢，當質(zhì)子返回線粒體基質(zhì)時驅(qū)動ATP的合成(圖4－13)。

圖4－13　化學滲透學說模式圖

在線粒體內(nèi)膜上，電子經(jīng)呼吸鏈傳遞，在這個過程中所釋放的能量用于將質(zhì)子從線粒體基質(zhì)泵入內(nèi)膜外的膜間隙中，從而造成膜外氫離子濃度高于膜內(nèi)氫離子濃度。當質(zhì)子返回線粒體基質(zhì)時，所釋放的能量用來生成ATP。

在糖酵解階段，1個葡萄糖分子凈生成2個ATP和2個NADH，2個NADH經(jīng)過電子傳遞鏈生成5個ATP，由于這2個NADH在穿過線粒體膜進入呼吸鏈時要消耗2分子ATP，因此糖酵解階段合計生成5個ATP。三羧酸循環(huán)階段生成2分子ATP、8分子NADH和2分子FADH2，8分子NADH經(jīng)呼吸鏈生成20個ATP，2分子FADH₂經(jīng)呼吸鏈生成3個ATP，因此三羧酸循環(huán)階段和電子傳遞階段凈生成25個ATP。

經(jīng)過糖酵解、三羧酸循環(huán)和電子傳遞三個階段，1分子葡萄糖通過有氧呼吸共生成30個ATP。

表4－2　細胞產(chǎn)生ATP的統(tǒng)計

二、其他物質(zhì)的代謝

許多食物除了多糖，還有蛋白質(zhì)和脂肪，它們經(jīng)消化水解形成氨基酸和脂肪酸，這些單體物質(zhì)也可以氧化分解為細胞提供能量，它們先形成某種中間產(chǎn)物，然后進入糖酵解或三羧酸循環(huán)(圖4－14)。

生物的新陳代謝包括有機物的分解與合成及能量的產(chǎn)生與消耗兩方面。由細胞呼吸產(chǎn)生的中間產(chǎn)物及能量可被用來合成生物大分子，并進一步形成細胞的結(jié)構(gòu)成分，如此滿足了細胞生長與分裂、組織與器官的形成、生物個體的生長與發(fā)育的需要。

圖4－14　蛋白質(zhì)、糖類和脂肪的氧化簡圖

食物除了多糖，還有蛋白質(zhì)和脂肪，它們經(jīng)消化水解形成氨基酸和脂肪酸，這些單體物質(zhì)也可以氧化分解為細胞提供能量，它們先形成某種中間產(chǎn)物，然后進入糖酵解或三羧酸循環(huán)。