葡萄糖徹底氧化生成多少ATP問(wèn)題的探索

□曾德二 鄭彥坤 魏和平 龔 莉

一、問(wèn)題的提出

葡萄糖代謝是生物化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)，其中一個(gè)最基本的問(wèn)題是如何計(jì)算一分子葡萄糖在細(xì)胞中徹底氧化還原最后生成多少ATP？已有多篇文獻(xiàn)參與討論這類(lèi)問(wèn)題[1,2,5]。這些文獻(xiàn)多以分析葡萄糖代謝的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程來(lái)處理生成ATP數(shù)，但過(guò)于繁瑣，對(duì)于非葡萄糖物質(zhì)生成ATP的問(wèn)題沒(méi)有有效的啟發(fā)和引申。筆者在生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的教學(xué)中，經(jīng)常被學(xué)生問(wèn)到碳水化合物生成ATP的問(wèn)題。比如一分子草酰乙酸徹底氧化生成多少ATP？一分子甘油徹底氧化生成多少ATP？解決這類(lèi)問(wèn)題可以參照文獻(xiàn)中處理葡萄糖的方法，把所有的化學(xué)反應(yīng)式都列出來(lái)，然后“求和”。這是切實(shí)可行的方法，但需要對(duì)各種碳水化合物在體內(nèi)的各種化學(xué)反應(yīng)過(guò)程非常熟悉，過(guò)多的化學(xué)反應(yīng)式和各種系數(shù)的配平會(huì)讓最終的“求和”變得困難。要解決此類(lèi)問(wèn)題的疑問(wèn)，需要尋找具有普適意義的方法。基于這種初衷，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，找到了一種碳氧化數(shù)“算法”來(lái)處理此類(lèi)問(wèn)題。之所以稱(chēng)為“算法”是因?yàn)樗軌蝮w現(xiàn)問(wèn)題的本質(zhì)，并具有更簡(jiǎn)單有效的計(jì)算規(guī)則，也具有理論性、可操作性、可推廣性。

二、“算法”的基本原理

為了更好的闡述該計(jì)算方法，我們先來(lái)考察葡萄糖徹底氧化的兩個(gè)重要步驟中的能量轉(zhuǎn)化問(wèn)題。葡萄糖在細(xì)胞徹底氧化的第一個(gè)步驟是糖酵解過(guò)程和三羧酸循環(huán)[3,4]。蘊(yùn)含在葡萄糖分子中的不活潑的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成活潑的自由電子的能量，電子的載體是NADH。因此第一個(gè)步驟其實(shí)解決的是到底有多少自由電子轉(zhuǎn)移出來(lái)生成NADH的問(wèn)題。根據(jù)國(guó)際化學(xué)學(xué)會(huì)的規(guī)定，中性化合物分子所有元素氧化數(shù)代數(shù)和為0，而第一個(gè)步驟中的所有化學(xué)反應(yīng)只有中性水分子的加入，因此不改變反應(yīng)前后元素氧化數(shù)代數(shù)和為0的原則。由于沒(méi)有氧分子的參與，氧元素的氧化數(shù)在反應(yīng)前后沒(méi)有任何變化，始終是-2。碳的氧化數(shù)從0變化到二氧化碳的+4，葡萄糖分子碳的氧化數(shù)總共改變了+24，要維持氧化數(shù)反應(yīng)前后代數(shù)和為0的原則，氫的氧化數(shù)必須對(duì)等的改變了-24，即有24個(gè)氧化數(shù)+1氫變?yōu)檠趸瘮?shù)為0的氫。基于這種推理，總共有24個(gè)氧化數(shù)+1的氫接受了24個(gè)自由電子發(fā)生了這種改變。考慮到細(xì)胞中的電子轉(zhuǎn)移載體是NAD+，因此每轉(zhuǎn)移2個(gè)自由電子，會(huì)有一個(gè)NADH生成，總共有12個(gè)NADH的生成(實(shí)際上是10個(gè)NADH和2個(gè)FADH2)。通過(guò)以上討論，我們不需要認(rèn)真地對(duì)每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行求和，就可以直接定量葡萄糖在第一個(gè)步驟中的能量轉(zhuǎn)化。即1分子葡萄糖可以轉(zhuǎn)化成12分子的NADH儲(chǔ)存起來(lái)。在不知道葡萄糖在糖酵解途徑和三羧酸循環(huán)反應(yīng)的這是葡萄糖分解代謝第一個(gè)步驟的真正本質(zhì)，把不活潑的化學(xué)能高效地轉(zhuǎn)化成活潑的自由電子的能量。

三、應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)上面的規(guī)則，將七種典型的碳水化合物初始狀態(tài)碳的氧化數(shù)、終末狀態(tài)碳的氧化數(shù)、氧化數(shù)改變、NADH數(shù)目等在表1中列出。1分子NADH包含2個(gè)自由電子，通過(guò)在線粒體內(nèi)膜電子傳遞鏈復(fù)合物上進(jìn)行跨膜傳遞，將大約10個(gè)質(zhì)子泵到線粒體內(nèi)膜間隙形成質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力。最后平均4個(gè)質(zhì)子可以通過(guò)ATP合酶生成一個(gè)ATP分子，即一分子的NADH可以生成2.5個(gè)ATP。在不考慮這幾種碳水化合物徹底氧化所經(jīng)歷的復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，我們能夠快速求出這七種碳水化合物在細(xì)胞內(nèi)生成ATP的數(shù)目。需要說(shuō)明的問(wèn)題是，葡萄糖在糖酵解途徑和三羧酸循環(huán)反應(yīng)中，有底物活化消耗ATP和底物水平磷酸化生成ATP的過(guò)程。自由電子跨膜傳遞形成的質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力通過(guò)ATP合酶生成ATP的過(guò)程，只能是大約每4個(gè)質(zhì)子可以生成一分子的ATP，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，碳水化合物徹底氧化生成ATP的數(shù)目不可能真正的“精確”定量。考慮到底物活化和底物水平磷酸化加起來(lái)對(duì)ATP的貢獻(xiàn)非常小，可以忽略這種因素對(duì)結(jié)果的影響。

表1 碳水化合物徹底氧化前后氧化數(shù)變化及ATP初步估算

四、葡萄糖能量轉(zhuǎn)化的討論

從氧化數(shù)改變的角度處理葡萄糖或者其他碳水化合物徹底氧化生成多少ATP問(wèn)題確實(shí)起到了一些好的效果，在教學(xué)實(shí)踐中也確實(shí)有助于幫助學(xué)生對(duì)碳水化合物能量轉(zhuǎn)化問(wèn)題的理解。從葡萄糖徹底氧化生成二氧化碳和水的過(guò)程來(lái)看，總共有三次能量轉(zhuǎn)化過(guò)程。從能量轉(zhuǎn)化的圓餅圖可以直觀的看出，葡萄糖經(jīng)過(guò)糖酵解和三羧酸循環(huán)的第一個(gè)步驟，將大約90.4%的自由能轉(zhuǎn)化成自由電子載體NADH的能量；NADH在線粒體電子傳遞鏈上進(jìn)行電子跨膜傳遞，將電勢(shì)能轉(zhuǎn)化成質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力的能量，這個(gè)過(guò)程具有極高的能量轉(zhuǎn)化效率，只損失大約3.4%的能量；最后質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)ATP合酶生成ATP，這個(gè)過(guò)程中將有60%質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力的能量轉(zhuǎn)化生成ATP，即分子馬達(dá)的效率達(dá)到了60%。計(jì)算葡萄糖徹底有氧氧化生成ATP的能量轉(zhuǎn)化效率，達(dá)到了52.3%，效率可觀。

圖1 葡萄糖不同途徑的能量轉(zhuǎn)化效率

五、結(jié)語(yǔ)

本文從碳的氧化數(shù)改變的角度，分析出葡萄糖及其他碳水化合物徹底氧化生成NADH的數(shù)目。通過(guò)計(jì)算NADH的自由能，質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力儲(chǔ)存的自由能以及生成ATP的自由能，也得出了葡萄糖糖酵解途徑和三羧酸循環(huán)的能量轉(zhuǎn)化效率；以及隨后質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力形成和ATP合成的能量轉(zhuǎn)化效率，能夠幫助學(xué)生深入理解葡萄糖在細(xì)胞內(nèi)能量利用過(guò)程。