乙醯輔酶A

乙醯輔酶A是人體內重要的化學物質。首先，丙酮酸氧化脫羧，脂酸的β-氧化的產物。同時，它是脂酸合成，膽固醇合成和酮體生成的碳來源。三大營養物質的徹底氧化殊途同歸，都會生成乙醯輔酶A以進入三羧酸循環。

乙醯輔酶A是活化了的乙酸。基團 (CH3CO- = 乙醯基)與輔酶A的半胱氨酸殘基的SH-基團相連。這其實是高能鍵硫酯鍵。它是脂肪酸的beta-氧化及糖酵解后產生的丙酮酸氧化脫羧的產物。

在三羧酸循環的第一步，乙醯基轉移到草醯乙酸中，生成檸檬酸。循環也叫檸檬酸循環。

乙醯輔酶 A acetyl CoA 由輔酶A（CoA）的SH基與乙醯基形成的硫酯鍵所構成。CH，CO-S-CoA（不寫 S，也可寫成CH3-CO-CoA）。此鍵是高能鍵ΔG°′=-7.7千卡，在生物體內的乙醯化反應中作為乙醯基的供體。由林南（F.Lyne，1951）從酵母中分離出來，證明它是被稱為活化乙酸的實體。在丙酮酸經丙酮酸脫氫酶複合體的催化反應中，在脂肪酸的β氧化中，以及在乙酸的活化反應（乙醯CoA合成酶EC6.2.1.1）均可生成乙醯輔酶A，這個乙醯基與草醯乙酸反應生成檸檬酸，而進入三羧酸循環。除了由於轉乙醯基反應生成各種的乙醯化合物外，還成為生成脂肪酸、甾類化合物、類胡蘿蔔素等重要物質的材料。

乙醯輔酶A是能源物質代謝的重要中間代謝產物，在體內能源物質代謝中是一個樞紐性的物質。糖、脂肪、蛋白質三大營養物質通過乙醯輔酶A匯聚成一條共同的代謝通路——三羧酸循環和氧化磷酸化，經過這條通路徹底氧化生成二氧化碳和水，釋放能量用以ATP的合成。乙醯輔酶A是合成脂肪酸、酮體等能源物質的前體物質，也是合成膽固醇及其衍生物等生理活性物質的前體物質。

糖是多羥基醛和多羥基酮及其衍生物的總稱。人體最重要的單糖是葡萄糖(glucose），葡萄糖是糖在體內的運輸形式；人體最重要的多糖是糖原，糖原是葡萄糖在體內的儲存形式；食物中的多糖主要是澱粉，澱粉由澱粉酶水解為葡萄糖后才能吸收，經血液運往全身各組織被利用或儲存。糖的主要生理功能是氧化供能，每克糖徹底氧化可釋能16.7 kJ（4kcal），一般由糖氧化供給的能量約佔人體所需總能量的50%～70%。

【糖的有氧氧化】葡萄糖→丙酮酸→乙醯輔酶A→CO2+H2O。此過程在只能有線粒體的細胞中進行，並且必須要有氧氣供應。糖的有氧氧化是機體獲得ATP的主要途徑，1分子葡萄糖徹底氧化為二氧化碳和水可合成30或32分子ATP（過去的理論值為36或38分子ATP）。

【糖的無氧氧化】葡萄糖→丙酮酸→乳酸。在細胞無線粒體或缺乏氧氣時進行，1分子葡萄糖氧化產生2分子乳酸，凈合成2分子ATP。此過程產生的乳酸如果積累過多會導致乳酸酸中毒。

【糖的磷酸戊糖途徑】葡萄糖→5-磷酸核糖、NADPH。此過程的產物5-磷酸核糖是合成核苷的原料之一，NADPH是細胞內良好的還原劑，為加氫反應提供氫。

【糖原合成】葡萄糖→肝糖原、肌糖原。糖原是機體糖的貯存形式，但由於糖原的貯存需要水的存在，因此貯存量較小，也正因為糖原親水，所以糖原的利用速度比脂肪快。

【糖轉化為脂肪】葡萄糖→乙醯輔酶A→脂肪酸→脂肪。這是糖轉化為脂肪的途徑，脂肪是機體高度還原的能源貯存形式，疏水，可以大量貯存，但利用速度較慢。

葡萄糖或糖原的葡萄糖單位通過糖酵解途徑分解為丙酮酸，這個過程稱為糖的無氧分解。由於此過程與酵母菌使糖生醇發酵的過程基本相似，故又稱糖酵解（圖5-1-3）。反應在胞液中進行，不需要氧氣。

糖酵解的反應過程可分兩個階段：①活化吸能階段，通過消耗2分子ATP使1分子葡萄糖裂解為2分子3碳糖。②3碳糖氧化釋放能量階段，產生2分子丙酮酸、2分子NADH和4分子ATP。糖酵解過程凈產生ATP 2分子（圖5-1-4）。

在糖酵解進行過程中，有三種酶催化的反應不可逆，這三個酶稱為關鍵酶，它們使糖酵解由葡萄糖向丙酮酸方向進行。

【己糖激酶】或肝中【葡萄糖激酶】催化葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖，由ATP提供能量和磷酸基團。這一步反應不僅活化了葡萄糖，使其能進入各種代謝途徑，還能捕獲進入細胞內的葡萄糖，使之不再透出細胞膜。反應不可逆，反應過程中消耗1分子ATP。己糖激酶或葡萄糖激酶是糖酵解途徑的第一個限速酶。

【磷酸果糖激酶-1】催化6-磷酸果糖轉變為1,6-二磷酸果糖，這是酵解途徑中的第二個磷酸化反應，需要ATP和Mg，反應不可逆。磷酸果糖激酶-1是糖酵解過程中最重要的限速酶。此酶為變構酶。檸檬酸、ATP為變構抑製劑，ADP、AMP和 F-1,6-BP等為變構激活劑。胰島素誘導其生成。

【丙酮酸激酶】催化磷酸烯醇式丙酮酸轉變為丙酮酸，磷酸烯醇式丙酮酸的高能磷酸鍵在催化下轉移給ADP生成ATP，自身生成烯醇式丙酮酸后自發轉變為丙酮酸。反應不可逆。是糖酵解途徑中第二個以底物水平磷酸化方式生成ATP的反應。丙酮酸激酶是糖酵解途徑中的又一個限速酶，具有別構酶特性，ATP是其別構抑製劑，ADP是別構激活劑。

在糖酵解過程中有2步反應生成ATP，其一是在磷酸甘油酸激酶催化下將1,3-二磷酸甘油酸分子上的1個高能磷酸鍵轉移給ADP生成ATP；另1個是丙酮酸激酶催化使磷酸烯醇式丙酮酸的高能磷酸鍵轉移給ADP生成ATP。這兩步反應的共同點是底物分子都具有高能鍵，底物分子的高能鍵轉移給ADP生成ATP的方式稱為【底物水平磷酸化】。底物水平磷酸化是ATP的生成方式之一，另一種ATP的生成方式是氧化過程中脫下的氫（以NADH和FADH2形式存在）在線粒體中氧化成水的過程中，釋放的能量推動ADP與磷酸合成為ATP，這種方式稱為【氧化磷酸化】（見本章第二節）。

糖酵解過程的產物丙酮酸有多種分支去路

1．生成乙醯輔酶A：丙酮酸在有氧氣和線粒體存在時進入線粒體，經丙酮酸脫氫酶複合體（表5-1-2）催化氧化脫羧產生NADH、CO2和乙醯輔酶A，乙醯輔酶A進入三羧酸循環和氧化磷酸化徹底氧化為CO2和H2O，釋放的能量在此過程中可產生大量ATP。這是糖的有氧氧化過程。糖的有氧氧化是機體獲得ATP的主要途徑。

丙酮酸生成乙醯輔酶A的反應是糖有氧氧化過程中重要的不可逆反應。丙酮酸脫氫產生NADH+H，釋放的自由能則貯於乙醯輔酶A中。乙醯輔酶A可參與多種代謝途徑。

丙酮酸脫氫酶系的多種輔酶中均含有維生素，TPP中含有維生素B1，輔酶A（HSCoA）中含有泛酸，FAD含有維生素B2，NAD含尼克醯胺（維生素PP）。所以，當這些維生素缺乏，特別是維生素B1缺乏時，丙酮酸及乳酸堆積，能量生成減少，可發生多發性末梢神經炎，嚴重時可引起典型腳氣病。

2．丙酮酸在無氧或無線粒體條件下加氫還原為乳酸。糖酵解過程生成的產物有3個：NADH、ATP和丙酮酸。NADH、ATP的生成必將導致底物NAD和ADP的顯著減少，而這兩種底物的減少將嚴重抑製糖酵解的繼續進行。ATP在體內會很快被消耗而生成ADP和磷酸，因此ATP的抑制作用幾乎可以忽略不計。NADH在有氧氣存在的條件下在線粒體中被氧化為水而重新生成NAD，但在無氧或無線粒體的細胞中是無法進行這個過程的，因此NAD的減少和NADH的增多在無氧或無線粒體的細胞中對糖酵解的抑制非常顯著。在這些細胞中解決的辦法是，產物丙酮酸作為受氫體將NADH的氫接受重新生成NAD，丙酮酸加氫還原為乳酸。

乳酸的生成使NAD再生，能在一定時間內暫時解除糖酵解的抑制，但是如果乳酸進一步增多，乳酸的抑制作用將增強，最後糖酵解被完全抑制。同時乳酸解離產生的H也增多，體液pH下降。這些綜合結果被稱為【乳酸酸中毒】。在缺氧和劇烈運動時最容易產生乳酸中毒現象。乳酸中毒的解除需依賴氧氣的充分供應，此時，乳酸可脫氫生成丙酮酸通過有氧氧化代謝或進入肝臟進行糖異生。

紅細胞缺乏線粒體，因此，紅細胞只能依賴糖的無氧氧化（酵解）獲得能量，所釋放的乳酸經血液循環至肝臟代謝（糖異生）。某些組織細胞如視網膜、睾丸、白細胞、腫瘤細胞等，即使在有氧條件下仍以糖酵解為其主要供能方式。

機體在缺氧情況下，尤其在劇烈運動時肌肉的氧分得不到足夠供應（儘管此時氣喘吁吁），糖的無氧氧化（葡萄糖→乳酸）是機體獲得能量的一種有效方式，但無法維持很長時間，如果導致嚴重的乳酸中毒，又不能恢復氧氣供應，糖酵解被完全抑制，ATP消耗不能再生，生命過程將終止。

3．丙酮酸經轉氨基作用生成丙氨酸，作為蛋白質合成的原料。

4．在植物和酵母菌細胞內，無氧情況下丙酮酸脫羧產生乙醛，乙醛由NADH還原為乙醇（乙醇發酵）。乙醇發酵有很大的經濟意義，在發麵、製作麵包和饅頭，以及釀酒工業中起著關鍵性的作用。在釀醋工業上，微生物也是先在不需氧條件下形成乙醛而後在有氧條件下氧化為乙酸（醋酸）。

正常生理條件下，人體內的各種代謝過程受到嚴格而精細的調節，以保持內環境穩定，適應機體生理活動的需要。這種調節控制主要是通過改變酶的活性來實現的。己糖激酶（葡萄糖激酶）、磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶是糖酵解的關鍵酶，它們的活性大小，直接影響著整個代謝途徑的速度和方向，其中以磷酸果糖激酶-1最為重要。

1．激素的調節 胰島素可誘導GK、PFK-1、PK的合成，因而使糖酵解過程增強。

2．代謝物對限速酶的變構調節磷酸果糖激酶-1（PFK-1）是三個限速酶中催化效率最低的，故而是糖酵解途徑中最重要的調節點。該酶分子為四聚體。分子中不僅具有與底物結合的部位，還具有與變構激活劑和變構抑製劑結合的部位。F-1,6-BP、ADP、AMP等是其變構激活劑，而ATP、檸檬酸等為其變構抑製劑。在這些代謝物的共同調節下，機體可根據能量需求調整糖分解速度。當細胞內能量消耗增多，ATP濃度降低，AMP、ADP濃度增加，則磷酸果糖激酶-1被激活，糖分解速度加快，使ATP生成量增加；當細胞內有足夠的ATP儲備時，ATP濃度增加，AMP、ADP濃度下降，磷酸果糖激酶-1被抑制，糖分解速度減慢，減少ATP生成量，避免能量的浪費；當飢餓時，機體動員儲存脂肪分解氧化，生成大量乙醯CoA，乙醯CoA可與草醯乙酸縮合成檸檬酸，抑制磷酸果糖激酶-1的活性，從而減少糖的分解，以維持飢餓狀態下血糖濃度。

磷酸戊糖途徑（pentose phosphate pathway）由6-磷酸葡萄糖開始，全過程可分為二個階段：第一階段是6-磷酸葡萄糖脫氫氧化生成NADPH+H 、CO2和5-磷酸核糖。第二階段為一系列基團轉移反應。

1．反應過程（圖5-1-6）

（1）5-磷酸核糖生成 6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脫氫酶和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶相繼催化下，經2次脫氫和1次脫羧，生成2分子NADPH+H 和1分子CO2後生成5-磷酸核酮糖，5-磷酸核酮糖經異構酶催化轉變為5-磷酸核糖。

（2）基團移換反應 此階段由4分子5-磷酸木酮糖和2分子5-磷酸核糖在轉酮基酶、轉醛基酶催化下，通過一系列反應，最後生成4分子6-磷酸果糖和2 分子3-磷酸甘油醛。2分子3-磷酸甘油醛可縮合成1分子6-磷酸果糖。綜上所述，1分子6-磷酸葡萄糖經磷酸戊糖途徑氧化，需5 分子6-磷酸葡萄糖伴行，最後又生成5分子6-磷酸葡萄糖，實際消耗1分子6-磷酸葡萄糖。

磷酸戊糖途徑中的限速酶是6-磷酸葡萄糖脫氫酶，此酶活性受NADPH+H濃度影響，NADPH+H 濃度增高時抑制該酶活性，因此磷酸戊糖途徑的代謝速度主要受細胞內NADPH+H 需求量的調節。

2．磷酸戊糖途徑的生理意義

磷酸戊糖途徑的主要生理意義是產生5-磷酸核糖和NADPH+H。

（1）生成5-磷酸核糖（R-5-P）：磷酸戊糖途徑是體內利用葡萄糖生成5-磷酸核糖的唯一途徑。5-磷酸核糖是合成核酸和核苷酸輔酶的重要原料。對於缺乏6-磷酸葡萄糖脫氫酶的組織如肌肉，也可利用糖酵解中間產物3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖經轉酮基酶和轉醛基酶催化的逆反應生成。故損傷后修復的再生組織、更新旺盛的組織，此途徑都比較活躍。

（2）生成NADPH+H ：①NADPH+H是體內許多合成代謝中氫原子的供體，如脂肪酸、膽固醇和類固醇激素等化合物的合成，都需要大量NADPH，因此在脂肪、固醇類化合物合成旺盛的組織，如肝臟、哺乳期乳腺、脂肪組織、腎上腺皮質及睾丸等組織中，磷酸戊糖途徑特別活躍。②NADPH+H是谷胱甘肽（GSH）還原酶的輔酶，對於維持細胞中谷胱甘肽於還原狀態起重要作用。GSH是細胞中重要的抗氧化物質，有清除H2O2和過氧化物，保護細胞中含巰基的酶和蛋白質免遭氧化破壞的作用，以維持細胞結構和功能的完整。紅細胞中如發生H2O2和過氧化物的積累，將使紅細胞的壽命縮短並增加血紅蛋白氧化為高鐵血紅蛋白的速率，後者沒有運氧功能。遺傳性6-磷酸葡萄糖脫氫酶缺陷的患者，磷酸戊糖途徑不能正常進行，NADPH+H缺乏，GSH含量減少，常在進食蠶豆或使用某些藥物后誘發急性溶血性黃疸。③NADPH+H是加單氧酶系的組成成分，參與激素、藥物、毒物的生物轉化過程。

（3）中間產物3-磷酸甘油醛：3-磷酸甘油醛是三種代謝途徑的樞紐。如果磷酸戊糖途徑受阻，3-磷酸甘油醛則可進入糖的無氧分解或糖的有氧分解途徑；反之，若用碘乙酸抑制3-磷酸甘油醛脫氫酶，使糖的無氧分解和有氧分解不能進行，則3-磷酸甘油醛可進入磷酸戊糖途徑。磷酸戊糖途徑在整個代謝過程中沒有氧的摻入，但可使葡萄糖降解，這在種子萌發的初期作用很大。植物染病或受傷時，磷酸戊糖途徑增強，所以它與植物的抗病能力有一定關係。

（4）與植物光合作用有關：磷酸戊糖途徑產生的三碳糖、五碳糖、七碳糖都是植物光合作用的中間產物，有的反應是光合作用與卡爾文循環中某些反應的相應逆反應，而且它與卡爾文循環還有一些相同的酶。

脂肪（三脂醯甘油或甘油三酯）在體內主要功能是氧化分解，為機體提供生命活動所需要的能量。儲存於脂肪組織中的三脂醯甘油 (triglyceride），被脂肪酶逐步水解為遊離脂肪酸（free fatty acid,FFA）及甘油釋放入血，供給全身各組織氧化利用的過程，稱為三脂醯甘油動員。脂肪組織中含有的脂肪酶，一種是對激素敏感的三脂醯甘油脂肪酶，稱激素敏感脂肪酶（hormone-sensitive triglyceride lipase,HSL) ，也是三脂醯甘油動員的限速酶。另外還有二脂醯甘油脂肪酶和一脂醯甘油脂肪酶，這兩種酶活性較高，對激素不敏感。胰高血糖素、腎上腺素、去甲腎上腺素等能激活三脂醯甘油脂肪酶，促進脂肪分解，故稱為脂解激素；胰島素的作用則與之相反，使三脂醯甘油脂肪酶活性降低，拮抗脂解激素的脂解作用，故稱抗脂解激素。一分子脂肪被脂肪酶水解為1分子甘油和3分子脂肪酸后，分別進入各自的代謝途徑。

甘油主要由心、肝、骨骼肌等組織攝取利用，在細胞內經甘油激酶（glycerokinase）的作用，生成α-磷酸甘油（3-磷酸甘油），後者在α-磷酸甘油脫氫酶的催化下生成磷酸二羥丙酮，磷酸二羥丙酮可循糖代謝途徑氧化分解釋放能量，1分子甘油徹底氧化可凈生成17.5~19.5分子ATP。也可以在肝臟循糖異生途徑轉變為糖原和葡萄糖。

在氧供給充足的條件下，脂肪酸可在體內分解成二氧化碳和水，釋出大量能量。除腦組織和成熟紅細胞外，大多數組織均能氧化脂肪酸，但以肝及肌肉組織最活躍。

1．脂肪酸的活化——脂醯CoA的生成

脂肪酸的活化反應在胞液中進行，脂肪酸在脂醯CoA合成酶（acyl-CoA synthetase）催化下，在ATP、CoA-SH、Mg存在的條件下，活化為脂醯CoA。脂醯CoA含有高能硫酯鍵，而且水溶性增大，使脂醯基的代謝活性明顯增加。分子中的CoA是脂醯基的載體。由於反應過程中生成的焦磷酸（PPi），迅速被細胞內的焦磷酸酶水解，阻止了逆向反應的發生，因此1分子脂肪酸活化成脂醯CoA，實際上消耗了2個高能磷酸鍵。

2.脂醯CoA進入線粒體

脂肪酸的活化在胞液中進行，而催化脂肪酸氧化分解的酶系存在於線粒體基質，因此活化的脂醯CoA必須進入線粒體才能分解。脂醯CoA不能直接透過線粒體內膜，其脂醯基需經肉（毒）鹼轉運才能進入基質。線粒體內膜的兩側存在著肉毒鹼脂醯轉移酶Ⅰ及Ⅱ，在位於線粒體內膜外側面的酶Ⅰ的催化下，脂醯CoA轉化為脂肪醯肉毒鹼，而移到膜內側，進入膜內側的脂肪醯肉毒鹼又經酶Ⅱ的催化而重新轉變成脂醯CoA，並釋放出肉毒鹼。肉毒鹼脂醯轉移酶Ⅰ是限速酶，脂醯CoA進入線粒體是脂肪酸氧化的限速步驟，當飢餓、高脂低糖膳食或糖尿病時，體內糖利用發生障礙，需要脂肪酸供能，這時肉毒鹼脂醯轉移酶Ⅰ活性增加，脂肪酸氧化增強。

3.脂醯基的β-氧化

脂醯基進入線粒體基質后，從脂醯基的β-碳原子開始，經過脫氫、加水、再脫氫及硫解四步連續的反應，脂醯基斷裂產生1分子乙醯CoA和1分子比原來少兩個碳原子的脂醯CoA（圖5-1-9）。催化這些反應的酶彼此結合形成多酶複合體，稱脂肪酸氧化酶系。

（1）脫氫：脂醯CoA在脂醯CoA脫氫酶的催化下，α、β碳原子各脫去一個氫原子，生成α，β-烯脂醯CoA，脫下的2H由FAD接受生成FADH2。一分子FADH2進入呼吸鏈通過氧化磷酸化產生1.5分子ATP（過去的理論值為2分子ATP，詳見氧化磷酸化一節）。

（2）加水：在水化酶催化下，烯脂醯CoA加水生成β-羥脂醯CoA。

（3）再脫氫：在β-羥脂醯CoA脫氫酶催化下，β-羥脂醯CoA脫下2H，生成β-酮脂醯CoA，脫下的2H由NAD接受，生成NADH+H。一分子NADH+H進入呼吸鏈通過氧化磷酸化產生2.5分子ATP（過去的理論值為3分子ATP）。

（4）硫解（加CoASH分解）：β-酮脂醯CoA在硫解酶的催化下，加入CoASH使α、β碳原子之間化學鍵斷裂，生成1分子乙醯CoA和1分子比原來少兩個碳原子的脂醯CoA。

以上生成的比原來少2個碳原子的脂醯CoA可再進行脫氫、加水、再脫氫及硫解反應，如此反覆進行，直至最後生成丁醯CoA，後者再進行一次β-氧化，即完成脂肪酸的β-氧化。

4．乙醯CoA的去路：脂肪酸β-氧化的終產物是乙醯CoA，其進一步的代謝變化可進入三羧酸循環徹底氧化為二氧化碳和水，也可轉變為其它物質。

5.脂肪酸徹底氧化時能量的釋放和利用

脂肪酸氧化是體內能量的重要來源。以16個碳原子的軟脂酸為例：一分子軟脂醯CoA需經7次β-氧化，生成8分子乙醯CoA。因此1分子軟脂酸徹底氧化共生成（7×1.5）+（7×2.5）+（8×10）=108分子ATP。減去軟脂酸活化時消耗的兩個高能磷酸鍵，凈生成106分子ATP。

脂肪酸在肝外組織（如心肌、骨骼肌等）經β-氧化生成的乙醯CoA，能徹底氧化生成二氧化碳和水，而在肝細胞中因為具有活性較強的合成酮體的酶系，β-氧化反應生成的乙醯CoA，大多轉變為乙醯乙酸（acetoacetate），β-羥丁酸（β-hydroxybutyrate）和丙酮（acetone），這三種中間產物統稱酮體（ketone bodies）。由於肝內缺乏氧化利用酮體的酶系，所以酮體不能在肝內氧化，必須透過細胞膜進入血液循環運輸到肝外組織才能進一步氧化分解供能。

酮體生成的部位是在肝細胞線粒體內。脂肪酸β-氧化生成的乙醯CoA是合成酮體的原料。其合成過程分三步進行（圖5-1-10）。

1．兩分子乙醯CoA在硫解酶（thiolase）催化下縮合成1分子乙醯乙醯CoA。

2．乙醯乙醯CoA再與1分子乙醯CoA縮合成β-羥-β-甲基戊二酸單醯CoA（HMG-CoA），催化這一反應的酶為HMG-CoA合成酶，是酮體合成的限速酶。

3．HMG-CoA經裂解酶催化分解成乙醯乙酸和乙醯CoA。乙醯乙酸加氫還原成β-羥丁酸，少量乙醯乙酸自發脫羧生成丙酮。酮體總量中約70%為β-羥丁酸，30%為乙醯乙酸，丙酮只佔少量，丙酮可通過腎和肺排出。

肝外組織（心肌、骨骼肌、大腦）中有活性很強的利用酮體的酶。乙醯乙酸在乙醯乙酸硫激酶或琥珀醯CoA轉硫酶催化下，轉變為乙醯乙醯CoA，然後再被硫解酶分解為兩分子乙醯CoA，乙醯CoA進入三羧酸循環徹底氧化。可見肝內生酮肝外用是脂肪酸在肝中氧化的一個代謝特點。

酮體是脂肪酸在肝臟氧化的正常中間產物，是肝臟為肝外組織提供能源物質的一種形式，酮體分子小、溶於水，便於通過血液運輸，也易於通過血腦屏障及肌肉等組織的毛細血管壁，是肌肉，尤其是腦組織的重要能源。腦組織不能氧化脂肪酸，卻能利用酮體。長期飢餓、糖供應不足時，酮體可以代替葡萄糖，成為腦組織的主要能源物質。

正常情況下血中僅含少量酮體。但在飢餓、妊娠嘔吐及糖尿病時，三脂醯甘油動員加強，肝中酮體生成過多，超出肝外組織利用的能力，可引起血中酮體升高，尿中出現酮體，即酮血症和酮尿症，可導致酮症酸中毒，嚴重者危及生命。

乙醯CoA是生化代謝中的一個樞紐性物質，如前所述，糖、脂肪、氨基酸分解代謝都能產生乙醯輔酶A；乙醯輔酶A有多種代謝去路，可以合成脂肪酸、膽固醇、酮體等，乙醯輔酶A徹底氧化釋放能量的途徑是三羧酸循環。通過三羧酸循環和氧化磷酸化，乙醯CoA氧化產生CO2、H2O，釋放能量推動ATP合成。在營養物質產能代謝中，三羧酸循環和氧化磷酸化是釋放能量最多的環節，是營養物質產能代謝和相互轉化的樞紐。

三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle）是由Hans Adolf Krebs於1937年首先提出，故又稱為Krebs循環（尿素循環也是Krebs提出的）。此循環是從活性二碳化合物—乙醯輔酶A和四碳草醯乙酸在線粒體內縮合成含三個羧基的檸檬酸開始，經過一系列脫氫脫羧反應，最後重新生成草醯乙酸而成為循環（圖5-2-1）。此反應過程是由含有三個羧基的檸檬酸作為第一個中間產物的循環反應，故稱為三羧酸循環，也稱檸檬酸循環。三羧酸循環在線粒體內進行。

（一）三羧酸循環的反應過程

1．乙醯輔酶A與草醯乙酸縮合為檸檬酸

此反應為三羧酸循環的關鍵反應之一，是由檸檬酸合成酶催化的不可逆反應，所需能量來自乙醯CoA的高能硫酯鍵水解供應。

2． 檸檬酸轉變為異檸檬酸

檸檬酸本身不易氧化，在順烏頭酸酶作用下，通過脫水與加水反應，使羥基由β碳原子轉移到α碳原子上，生成易於脫氫氧化的異檸檬酸，為進一步的氧化脫羧反應作準備。

3．異檸檬酸氧化脫羧生成α-酮戊二酸

異檸檬酸在異檸檬酸脫氫酶的催化下，氧化脫羧生成α-酮戊二酸，反應脫下的氫由NAD接受生成NADH+H，脫羧使6碳化合物變為5碳化合物。這是三羧酸循環中第一次氧化脫羧生成CO2的反應。此反應不可逆，是三羧酸循環中的限速步驟。

4．α-酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀醯輔酶A

這是三羧酸循環的第二次氧化脫羧反應，此反應類似於丙酮酸的氧化脫羧，也是不可逆反應，生成的琥珀醯CoA含有高能硫酯鍵。催化此反應的α-酮戊二酸脫氫酶複合體是三羧酸循環的限速酶，它由三個酶（α-酮戊二酸脫氫酶、琥珀醯基轉移酶、二氫硫辛酸脫氫酶）和五個輔助因子（TPP、硫辛酸、HSCoA、NAD、FAD）組成（原理見圖4-1-14）。

5．琥珀醯輔酶A生成琥珀酸

琥珀醯CoA在琥珀酸硫激酶的作用下，高能硫酯鍵水解，能量轉移給GDP生成GTP和琥珀酸。生成的GTP可直接利用，也可將其高能磷酸基團轉移給ADP生成ATP。這是三羧酸循環中唯一的一次底物磷酸化反應。

6．琥珀酸脫氫

琥珀酸在琥珀酸脫氫酶的催化下脫氫生成延胡索酸，脫下的氫由FAD接受生成FADH2。

7．蘋果酸生成

延胡索酸在延胡索酸酶催化下，加水生成蘋果酸。

8．草醯乙酸再生

蘋果酸在蘋果酸脫氫酶催化下脫氫生成草醯乙酸，脫下的氫由NAD接受生成NADH+H。再生的草醯乙酸可再次進入三羧酸循環用於檸檬酸的合成。

（二）三羧酸循環的深入討論

1．三羧酸循環是在有氧的條件下，在線粒體內進行的循環反應過程。

三羧酸循環的產物有NADH+H、FADH2、ATP、CO2，這些產物對三羧酸循環的抑制效果不同。CO2經血循環至肺排出濃度降低，ATP快速消耗再生出ADP，因此在正常情況下這兩種產物對三羧酸循環的抑制可以忽略不計。NADH、FADH2的受氫體主要是氧，因此在缺氧情況下NADH和FADH2無法將氫傳遞出去，致使NAD和FAD無法再生，三羧酸循環因此被抑制。這就是為什麼三羧酸循環不消耗氧氣但卻只能在有氧條件下進行的原因。

2．三羧酸循環是機體主要的產能途徑。

每循環一周，1分子的乙醯輔酶A被氧化，三羧酸循環直接消耗的底物是乙醯基。循環中有兩次脫羧和四次脫氫反應，兩次脫羧反應生成兩分子CO2；四次脫氫反應，有三次由NAD接受共生成3分子NADH+H，有一次由FAD接受生成1分子FADH2（圖5-2-2）。每個NADH+H經氧化磷酸化產生2.5個ATP共7.5個ATP，每個FADH2經氧化磷酸化產生1.5ATP共1.5個ATP，循環一周以此種方式可生成9分子ATP；加上一次底物磷酸化生成的GTP，三羧酸循環一周共可生成10分子ATP。

3．三羧酸循環是單向反應體系。

三羧酸循環中的檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶、α-酮戊二酸脫氫酶複合體是該代謝途徑的限速酶，所催化的是單向不可逆反應，所以三羧酸循環是不能逆轉的，這保證了線粒體供能系統的穩定性。

4．三羧酸循環必須不斷補充中間產物。

三羧酸循環的中間產物，從理論上講，可以循環不消耗，但是由於體內各代謝途徑的相互交匯和轉化，三羧酸循環的中間產物常移出循環而參與其它代謝途徑，如草醯乙酸可轉變為天冬氨酸而參與蛋白質合成，琥珀醯輔酶A可用於血紅素的合成，α-酮戊二酸可轉變為谷氨酸等。

所以為了維持三羧酸循環中間產物的一定濃度，保證三羧酸循環的正常運轉，就必須補充消耗的中間產物，稱為回補反應。草醯乙酸的濃度，直接與乙醯輔酶A進入三羧酸循環的速度有關，因此不斷補充草醯乙酸是使三羧酸循環得以順利進行的關鍵，因而由丙酮酸形成草醯乙酸是最重要的回補反應。

草醯乙酸可以脫羧生成磷酸烯醇式丙酮酸，後者可以在肝臟和腎臟中逆糖酵解而生成葡萄糖或糖原，這就是非糖物質轉化為糖的途徑，稱為【糖異生】，因此，三羧酸循環中所有的中間產物都能異生成糖。注意，乙醯CoA是無法異生成糖的，為什麼？

5．三羧酸循環是三大營養物質徹底氧化的共同通路，是氧化釋放能量產生ATP最多的階段。糖、脂肪、蛋白質在體內氧化分解都將產生乙醯輔酶A，然後進入三羧酸循環進行降解，因此三羧酸循環是三大營養素在體內氧化的最終代謝通路（圖5-1-1）。循環中脫下的四對氫，可進入呼吸鏈氧化磷酸化生成ATP，是體內ATP生成最多的反應階段。

6．三羧酸循環是體內三大物質互變的樞紐

三羧酸循環是糖、脂肪、氨基酸代謝聯繫的樞紐。如葡萄糖氧化分解可生成乙醯CoA和NADPH+H，而乙醯CoA和NADPH+H可合成脂肪酸，進而合成脂肪；糖和甘油在體內代謝可生成α-酮戊二酸及草醯乙酸等三羧酸循環的中間產物，這些中間產物可以轉變成為某些氨基酸；而有些氨基酸又可通過脫氨基作用生成α-酮酸，再經糖異生的途徑生成糖或轉變成甘油，因此三羧酸循環不僅是三大營養物質分解代謝的最終共同途徑，而且也是它們互變的樞紐。

三大營養物質在體內的氧化可以分為三個階段，首先是糖、脂肪、蛋白質經過分解代謝生成乙醯輔酶A；接著乙醯輔酶A進入三羧酸循環脫羧脫氫，生成CO2並使NAD和FAD還原成NADH+H和FADH2；第三階段是NADH+H和FADH2中的氫經呼吸鏈傳給氧生成水，氧化過程中釋放出來的能量合成ATP。前兩個階段已在前講述，本節主要討論第三階段，即代謝物脫下的氫是如何通過呼吸鏈傳遞給氧生成水，細胞通過什麼方式將氧化過程中釋放的能量轉變成ATP分子中的高能鍵。

（一）呼吸鏈（電子傳遞鏈）

代謝物脫下的氫通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應逐步傳遞，最終與氧結合生成水，由於此過程與細胞利用O2生成CO2的呼吸有關，所以將此傳遞鏈稱為呼吸鏈（respiratory chain）。在呼吸鏈中，酶和輔酶按一定的順序排列在線粒體內膜上，其中傳遞氫的稱為遞氫體，傳遞電子的稱為遞電子體。

呼吸鏈由線粒體內膜上的5種複合體（複合蛋白）組成，它們是複合體I（NADH-Q還原酶，又稱NADH氧化酶，輔基為FMN和Fe-S）、複合體II（琥珀酸-Q還原酶，輔基為FAD和Fe-S）、複合體III（細胞色素還原酶，輔基為血紅素b、血紅素c1和Fe-S）、複合體IV（細胞色素氧化酶，輔基血紅素a、血紅素a3和Cu）、複合體V（ATP合酶）。輔基傳遞氫和電子的有NAD、FMN、FAD、CoQ（圖5-2-6），傳遞電子的有Fe-S（圖5-2-7）和血紅素Fe、Cu（圖5-2-8），Fe、Cu通過得失電子來傳遞電子。

複合體I（NADH-Q還原酶）、CoQ、複合體III（細胞色素還原酶）和複合體IV（細胞色素氧化酶）組成NADH氧化呼吸鏈，複合體II（琥珀酸-Q還原酶）、複合體III（細胞色素還原酶）和複合體IV（細胞色素氧化酶）組成琥珀酸氧化呼吸鏈。

（二）電子傳遞與線粒體內膜兩側質子梯度的形成

【NADH氧化呼吸鏈的電子（氫）傳遞】線粒體內大多數脫氫酶都以NAD作為輔酶，在脫氫酶催化下底物SH2脫下的氫交給NAD生成NADH+H。NADH在NADH-Q還原酶（複合體I）作用下，NADH+H將氫原子傳遞給FMN生成FMNH2，後者再將氫傳遞給Q生成QH2，此時兩個氫原子解離成2個質子和2個電子，2個質子遊離於介質中，2個電子經由細胞色素還原酶（複合體III）傳遞至細胞色素C，然後細胞色素氧化酶（複合體IV）將細胞色素C上的2個電子傳遞給氧生成O，O與2H結合生成水。

【琥珀酸氧化呼吸鏈的電子（氫）傳遞】琥珀酸-Q還原酶使琥珀酸脫氫生成FADH2，然後將FADH2上的氫傳遞給Q生成QH2，其後的傳遞過程如NADH呼吸鏈。

電子傳遞的氧化勢能使線粒體基質的氫離子H泵出到膜間腔（內膜外側），從而形成內膜兩側的質子梯度差（內正外負），這個梯度差是合成ATP的勢能所在。

複合體I（NADH-Q還原酶）、複合體III（細胞色素還原酶）、複合體IV（細胞色素氧化酶）具有質子泵作用，複合體II（琥珀酸-Q還原酶）傳遞電子的氧化勢能太小，不能將質子泵出。

（三）ATP的合成

ATP合酶（複合體V）由FO和F1等蛋白複合而成，有質子通道，當質子由膜間腔經質子通道迴流時，ATP合酶被活化而驅動ATP的合成（圖5-2-11）。這種合成ATP的方式稱做【氧化磷酸化】，即在呼吸鏈中伴隨電子（質子）傳遞的氧化還原反應產生的電化學勢能，推動ADP磷酸化為ATP的過程。氧化磷酸化是細胞合成ATP的主要方式，合成ATP的另一種方式是【底物磷酸化】（見本章糖酵解一節）。注意：ATP合酶的FO中的O是字母O，不是零。

新近的研究表明，NADH經呼吸鏈氧化可合成2.5個ATP分子，FADH2經呼吸鏈氧化可生成1.5個ATP分子。注意，這與傳統的數字是不同的！

ATP是人體各種生命活動能量的直接供給者，它是食物中蘊藏的能量和機體利用的能量之間的紐帶。糖、脂類及蛋白質等能源物質氧化分解釋放的能量約有40%以化學能貯存在高能化合物中，ATP是體內最重要的高能化合物。但是ATP在細胞中的含量很低，在哺乳動物的腦和肌肉中約為3～8mmol/kg，這麼微的含量只能供給肌肉劇烈活動1s左右的消耗，因此肌肉和腦中存在著一類貯存能量的高能化合物，這個化合物就是磷酸肌酸。

ATP將～P轉移給肌酸（CP）生成磷酸肌酸（CP～P），作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。磷酸肌酸在腦中的含量是ATP的1.5倍，肌肉中相當於ATP的5倍。受過良好訓練的運動員肌肉中的磷酸肌酸含量可高達30mmol/kg。當機體消耗ATP過多時，磷酸肌酸將～P轉移給ADP，生成ATP，供生理活動之用。磷酸肌酸是細胞內首先供應ADP使之再合成ATP的能源物質。ATP是體內的能量使者，是生物體內能量的儲存和利用的中心分子。

（四）氧化磷酸化的影響因素?

1．ADP/ATP比值的影響

氧化磷酸化主要受細胞對能量需求的影響。細胞能量供應缺乏時，即ATP減少，ADP增加，ADP/ATP比值增大，氧化磷酸化速率加快，NADH迅速減少而NAD增多，促進三羧酸循環；反之，細胞內能量供應充足時，即ATP增加，ADP減少，ADP/ATP比值減少，氧化磷酸化速率減慢，NADH消耗減少，三羧酸循環減緩。ADP/ATP比值是調節氧化磷酸化的基本因素，這種反饋調節可使機體適應生理需要，合理利用能源。

2．甲狀腺素的調節

甲狀腺素能誘導細胞膜上Na-K-ATP酶的生成，使ATP分解為ADP的速度加快，線粒體中ADP/ATP比值增大，導致氧化磷酸化加強。由於ATP的合成和分解都增加，使機體耗氧量和產熱量都增加。所以甲狀腺功能亢進患者常出現基礎代謝率增高。

3．抑製劑的作用

一些化合物對氧化磷酸化有抑制作用，根據其作用部位不同分為兩類：

⑴呼吸鏈抑製劑：

這類抑製劑阻斷呼吸鏈上某一環節的電子傳遞。由於電子傳遞受阻，磷酸化反應也無法正常進行。如安眠藥異戊巴比妥（阿米妥）、植物毒素魚藤酮（常用作殺蟲劑）能阻斷NADH到Q之間的電子傳遞；一氧化碳和氰化物能與細胞色素氧化酶分子中的鐵離子結合，使其失去電子傳遞能力。

⑵解偶聯劑：

這類抑製劑不影響呼吸鏈的電子傳遞，而是解除氧化與磷酸化的偶聯作用，使氧化過程產生的能量不能生成ATP，而是以熱能的形式散發。如2，4-二硝基酚、雙香豆素等屬於解偶聯劑，感冒或患某些傳染病時體溫升高，是由於細菌或病毒產生的解偶聯劑所致。

體內很多物質氧化分解產生NADH，線粒體內生成的NADH可直接通過呼吸鏈進行氧化磷酸化，而胞液中生成的NADH由於不能自由透過線粒體內膜，故需通過某種轉運機制，將氫轉移到線粒體內，重新生成NADH或FADH2后再參加氧化磷酸化。這種轉運機制主要有α-磷酸甘油穿梭和蘋果酸穿梭。

（一）3-磷酸甘油（α-磷酸甘油）穿梭系統

該穿梭系統主要存在於肌肉和神經組織，它是通過α-磷酸甘油將胞液中NADH的氫帶入線粒體內，具體過程如下：

當胞液中NADH濃度升高時，磷酸二羥丙酮在胞液α-磷酸甘油脫氫酶（輔酶為NAD）催化下由NADH+H供氫生成α-磷酸甘油，後者進入線粒體后在線粒體內α-磷酸甘油脫氫酶（輔酶為FAD）的催化下重新生成磷酸二羥丙酮和FADH2。磷酸二羥丙酮穿出線粒體外可繼續利用。生成的FADH2經呼吸鏈氧化磷酸化，這種穿梭作用可生成1.5分子ATP。

（二）蘋果酸穿梭系統

又稱蘋果酸-天冬氨酸穿梭系統，主要存在於肝、腎、心。是指通過蘋果酸將胞液中NADH的氫帶進線粒體內，具體過程如下：

當胞液中NADH濃度升高時，首先由蘋果酸脫氫酶（輔酶NAD）催化，使草醯乙酸還原成蘋果酸。蘋果酸在線粒體內膜轉位酶的催化下穿過線粒體內膜，進入線粒體的蘋果酸，在蘋果酸脫氫酶作用下脫氫生成草醯乙酸，並生成NADH+H。生成的NADH+H通過呼吸鏈傳遞進行氧化磷酸化，生成2.5分子ATP。

草醯乙酸不能直接透過線粒體內膜返回胞液，但它可在天冬氨酸轉氨酶作用下從谷氨酸接受氨基生成天冬氨酸，谷氨酸轉出氨基後生成α酮戊二酸，α酮戊二酸、天冬氨酸都能在膜上轉位酶的作用下穿過線粒體內膜而進入胞液，在胞液中天冬氨酸和α酮戊二酸在天冬氨酸轉氨酶的作用下又重新生成草醯乙酸和谷氨酸，草醯乙酸又可重新參與蘋果酸穿梭作用。

（一）葡萄糖徹底氧化產生ATP結算

關於葡萄糖徹底氧化為水和二氧化碳究竟產生多少ATP分子的問題一直受到人們的關注。葡萄糖分解通過糖酵解和檸檬酸循環的底物磷酸化作用產生ATP的分子數，根據化學計算可以得到明確的答覆。但是氧化磷酸化產生的ATP分子數並不十分準確。因為質子泵、ATP合成以及代謝物的轉運過程並不需要是完整的數值甚至不需要固定值。根據最新測定計算，一對NADH傳至O2，所產生的ATP分子數是2.5個，琥珀酸及脂肪酸氧化產生的FADH2傳遞至O2，產生的ATP是1.5個。這樣，當一分子葡萄糖徹底氧化徹底氧化為CO2和H2O所得到的ATP分子數和過去傳統的統計數（36或38個ATP）少了6個ATP分子，成為30個或32個。全部的統計列於表5-2-1。在30或32個ATP分子中，氧化磷酸化產生26或28個，底物磷酸化產生6個，葡萄糖活化共消耗2個。

（二）軟脂酸徹底氧化產生ATP結算

軟脂酸（16碳飽和脂肪酸）徹底氧化產生ATP數目為106個，其中氧化磷酸化為100個，底物磷酸化為8個，脂肪酸活化消耗2個（消耗1個ATP生成1個AMP，即消耗2個高能鍵）。