乙酰辅酶A的彻底氧化
乙酰CoA是生化代谢中的一个枢纽性物质，如前所述，糖、脂肪、氨基酸分解代谢都能产生乙酰辅酶A；乙酰辅酶A有多种代谢去路，可以合成脂肪酸、胆固醇、酮体等，乙酰辅酶A彻底氧化释放能量的途径是三羧酸循环。通过三羧酸循环和氧化磷酸化，乙酰CoA氧化产生CO2、H2O，释放能量推动ATP合成。在营养物质产能代谢中，三羧酸循环和氧化磷酸化是释放能量最多的环节，是营养物质产能代谢和相互转化的枢纽。 三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle）是由Hans Adolf Krebs于1937年首先提出，故又称为Krebs循环（尿素循环也是Krebs提出的）。此循环是从活性二碳化合物—乙酰辅酶A和四碳草酰乙酸在线粒体内缩合成含三个羧基的柠檬酸开始，经过一系列脱氢脱羧反应，最后重新生成草酰乙酸而成为循环（图5-2-1）。此反应过程是由含有三个羧基的柠檬酸作为第一个中间产物的循环反应，故称为三羧酸循环，也称柠檬酸循环。三羧酸循环在线粒体内进行。
（一）三羧酸循环的反应过程
1．乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合为柠檬酸
此反应为三羧酸循环的关键反应之一，是由柠檬酸合成酶催化的不可逆反应，所需能量来自乙酰CoA的高能硫酯键水解供应。
2． 柠檬酸转变为异柠檬酸
柠檬酸本身不易氧化，在顺乌头酸酶作用下，通过脱水与加水反应，使羟基由β碳原子转移到α碳原子上，生成易于脱氢氧化的异柠檬酸，为进一步的氧化脱羧反应作准备。
3．异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸
异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶的催化下，氧化脱羧生成α-酮戊二酸，反应脱下的氢由NAD接受生成NADH+H，脱羧使6碳化合物变为5碳化合物。这是三羧酸循环中第一次氧化脱羧生成CO2的反应。此反应不可逆，是三羧酸循环中的限速步骤。
4．α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰辅酶A
这是三羧酸循环的第二次氧化脱羧反应，此反应类似于丙酮酸的氧化脱羧，也是不可逆反应，生成的琥珀酰CoA含有高能硫酯键。催化此反应的α-酮戊二酸脱氢酶复合体是三羧酸循环的限速酶，它由三个酶（α-酮戊二酸脱氢酶、琥珀酰基转移酶、二氢硫辛酸脱氢酶）和五个辅助因子（TPP、硫辛酸、HSCoA、NAD、FAD）组成（原理见图4-1-14）。
5．琥珀酰辅酶A生成琥珀酸
琥珀酰CoA在琥珀酸硫激酶的作用下，高能硫酯键水解，能量转移给GDP生成GTP和琥珀酸。生成的GTP可直接利用，也可将其高能磷酸基团转移给ADP生成ATP。这是三羧酸循环中唯一的一次底物磷酸化反应。
6．琥珀酸脱氢
琥珀酸在琥珀酸脱氢酶的催化下脱氢生成延胡索酸，脱下的氢由FAD接受生成FADH2。
7．苹果酸生成
延胡索酸在延胡索酸酶催化下，加水生成苹果酸。
8．草酰乙酸再生
苹果酸在苹果酸脱氢酶催化下脱氢生成草酰乙酸，脱下的氢由NAD接受生成NADH+H。再生的草酰乙酸可再次进入三羧酸循环用于柠檬酸的合成。
（二）三羧酸循环的深入讨论
1．三羧酸循环是在有氧的条件下，在线粒体内进行的循环反应过程。
三羧酸循环的产物有NADH+H、FADH2、ATP、CO2，这些产物对三羧酸循环的抑制效果不同。CO2经血循环至肺排出浓度降低，ATP快速消耗再生出ADP，因此在正常情况下这两种产物对三羧酸循环的抑制可以忽略不计。NADH、FADH2的受氢体主要是氧，因此在缺氧情况下NADH和FADH2无法将氢传递出去，致使NAD和FAD无法再生，三羧酸循环因此被抑制。这就是为什么三羧酸循环不消耗氧气但却只能在有氧条件下进行的原因。
2．三羧酸循环是机体主要的产能途径。
每循环一周，1分子的乙酰辅酶A被氧化，三羧酸循环直接消耗的底物是乙酰基。循环中有两次脱羧和四次脱氢反应，两次脱羧反应生成两分子CO2；四次脱氢反应，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（图5-2-2）。每个NADH+H经氧化磷酸化产生2.5个ATP共7.5个ATP，每个FADH2经氧化磷酸化产生1.5ATP共1.5个ATP，循环一周以此种方式可生成9分子ATP；加上一次底物磷酸化生成的GTP，三羧酸循环一周共可生成10分子ATP。
3．三羧酸循环是单向反应体系。
三羧酸循环中的柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体是该代谢途径的限速酶，所催化的是单向不可逆反应，所以三羧酸循环是不能逆转的，这保证了线粒体供能系统的稳定性。
4．三羧酸循环必须不断补充中间产物。
三羧酸循环的中间产物，从理论上讲，可以循环不消耗，但是由于体内各代谢途径的相互交汇和转化，三羧酸循环的中间产物常移出循环而参与其它代谢途径，如草酰乙酸可转变为天冬氨酸而参与蛋白质合成，琥珀酰辅酶A可用于血红素的合成，α-酮戊二酸可转变为谷氨酸等。
所以为了维持三羧酸循环中间产物的一定浓度，保证三羧酸循环的正常运转，就必须补充消耗的中间产物，称为回补反应。草酰乙酸的浓度，直接与乙酰辅酶A进入三羧酸循环的速度有关，因此不断补充草酰乙酸是使三羧酸循环得以顺利进行的关键，因而由丙酮酸形成草酰乙酸是最重要的回补反应。
草酰乙酸可以脱羧生成磷酸烯醇式丙酮酸，后者可以在肝脏和肾脏中逆糖酵解而生成葡萄糖或糖原，这就是非糖物质转化为糖的途径，称为【糖异生】，因此，三羧酸循环中所有的中间产物都能异生成糖。注意，乙酰CoA是无法异生成糖的，为什么？
5．三羧酸循环是三大营养物质彻底氧化的共同通路，是氧化释放能量产生ATP最多的阶段。糖、脂肪、蛋白质在体内氧化分解都将产生乙酰辅酶A，然后进入三羧酸循环进行降解，因此三羧酸循环是三大营养素在体内氧化的最终代谢通路（图5-1-1）。循环中脱下的四对氢，可进入呼吸链氧化磷酸化生成ATP，是体内ATP生成最多的反应阶段。
6．三羧酸循环是体内三大物质互变的枢纽
三羧酸循环是糖、脂肪、氨基酸代谢联系的枢纽。如葡萄糖氧化分解可生成乙酰CoA和NADPH+H，而乙酰CoA和NADPH+H可合成脂肪酸，进而合成脂肪；糖和甘油在体内代谢可生成α-酮戊二酸及草酰乙酸等三羧酸循环的中间产物，这些中间产物可以转变成为某些氨基酸；而有些氨基酸又可通过脱氨基作用生成α-酮酸，再经糖异生的途径生成糖或转变成甘油，因此三羧酸循环不仅是三大营养物质分解代谢的最终共同途径，而且也是它们互变的枢纽。 三大营养物质在体内的氧化可以分为三个阶段，首先是糖、脂肪、蛋白质经过分解代谢生成乙酰辅酶A；接着乙酰辅酶A进入三羧酸循环脱羧脱氢，生成CO2并使NAD和FAD还原成NADH+H和FADH2；第三阶段是NADH+H和FADH2中的氢经呼吸链传给氧生成水，氧化过程中释放出来的能量合成ATP。前两个阶段已在前讲述，本节主要讨论第三阶段，即代谢物脱下的氢是如何通过呼吸链传递给氧生成水，细胞通过什么方式将氧化过程中释放的能量转变成ATP分子中的高能键。
（一）呼吸链（电子传递链）
代谢物脱下的氢通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，由于此过程与细胞利用O2生成CO2的呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链（respiratory chain）。在呼吸链中，酶和辅酶按一定的顺序排列在线粒体内膜上，其中传递氢的称为递氢体，传递电子的称为递电子体。
呼吸链由线粒体内膜上的5种复合体（复合蛋白）组成，它们是复合体I（NADH-Q还原酶，又称NADH氧化酶，辅基为FMN和Fe-S）、复合体II（琥珀酸-Q还原酶，辅基为FAD和Fe-S）、复合体III（细胞色素还原酶，辅基为血红素b、血红素c1和Fe-S）、复合体IV（细胞色素氧化酶，辅基血红素a、血红素a3和Cu）、复合体V（ATP合酶）。辅基传递氢和电子的有NAD、FMN、FAD、CoQ（图5-2-6），传递电子的有Fe-S（图5-2-7）和血红素Fe、Cu（图5-2-8），Fe、Cu通过得失电子来传递电子。
复合体I（NADH-Q还原酶）、CoQ、复合体III（细胞色素还原酶）和复合体IV（细胞色素氧化酶）组成NADH氧化呼吸链，复合体II（琥珀酸-Q还原酶）、复合体III（细胞色素还原酶）和复合体IV（细胞色素氧化酶）组成琥珀酸氧化呼吸链。
（二）电子传递与线粒体内膜两侧质子梯度的形成
【NADH氧化呼吸链的电子（氢）传递】线粒体内大多数脱氢酶都以NAD作为辅酶，在脱氢酶催化下底物SH2脱下的氢交给NAD生成NADH+H。NADH在NADH-Q还原酶（复合体I）作用下，NADH+H将氢原子传递给FMN生成FMNH2，后者再将氢传递给Q生成QH2，此时两个氢原子解离成2个质子和2个电子，2个质子游离于介质中，2个电子经由细胞色素还原酶（复合体III）传递至细胞色素C，然后细胞色素氧化酶（复合体IV）将细胞色素C上的2个电子传递给氧生成O，O与2H结合生成水。
【琥珀酸氧化呼吸链的电子（氢）传递】琥珀酸-Q还原酶使琥珀酸脱氢生成FADH2，然后将FADH2上的氢传递给Q生成QH2，其后的传递过程如NADH呼吸链。
电子传递的氧化势能使线粒体基质的氢离子H泵出到膜间腔（内膜外侧），从而形成内膜两侧的质子梯度差（内正外负），这个梯度差是合成ATP的势能所在。
复合体I（NADH-Q还原酶）、复合体III（细胞色素还原酶）、复合体IV（细胞色素氧化酶）具有质子泵作用，复合体II（琥珀酸-Q还原酶）传递电子的氧化势能太小，不能将质子泵出。
（三）ATP的合成
ATP合酶（复合体V）由FO和F1等蛋白复合而成，有质子通道，当质子由膜间腔经质子通道回流时，ATP合酶被活化而驱动ATP的合成（图5-2-11）。这种合成ATP的方式称做【氧化磷酸化】，即在呼吸链中伴随电子（质子）传递的氧化还原反应产生的电化学势能，推动ADP磷酸化为ATP的过程。氧化磷酸化是细胞合成ATP的主要方式，合成ATP的另一种方式是【底物磷酸化】（见本章糖酵解一节）。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经呼吸链氧化可合成2.5个ATP分子，FADH2经呼吸链氧化可生成1.5个ATP分子。注意，这与传统的数字是不同的！
ATP是人体各种生命活动能量的直接供给者，它是食物中蕴藏的能量和机体利用的能量之间的纽带。糖、脂类及蛋白质等能源物质氧化分解释放的能量约有40%以化学能贮存在高能化合物中，ATP是体内最重要的高能化合物。但是ATP在细胞中的含量很低，在哺乳动物的脑和肌肉中约为3～8mmol/kg，这么微的含量只能供给肌肉剧烈活动1s左右的消耗，因此肌肉和脑中存在着一类贮存能量的高能化合物，这个化合物就是磷酸肌酸。
ATP将～P转移给肌酸（CP）生成磷酸肌酸（CP～P），作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。磷酸肌酸在脑中的含量是ATP的1.5倍，肌肉中相当于ATP的5倍。受过良好训练的运动员肌肉中的磷酸肌酸含量可高达30mmol/kg。当机体消耗ATP过多时，磷酸肌酸将～P转移给ADP，生成ATP，供生理活动之用。磷酸肌酸是细胞内首先供应ADP使之再合成ATP的能源物质。ATP是体内的能量使者，是生物体内能量的储存和利用的中心分子。
（四）氧化磷酸化的影响因素?
1．ADP/ATP比值的影响
氧化磷酸化主要受细胞对能量需求的影响。细胞能量供应缺乏时，即ATP减少，ADP增加，ADP/ATP比值增大，氧化磷酸化速率加快，NADH迅速减少而NAD增多，促进三羧酸循环；反之，细胞内能量供应充足时，即ATP增加，ADP减少，ADP/ATP比值减少，氧化磷酸化速率减慢，NADH消耗减少，三羧酸循环减缓。ADP/ATP比值是调节氧化磷酸化的基本因素，这种反馈调节可使机体适应生理需要，合理利用能源。
2．甲状腺素的调节
甲状腺素能诱导细胞膜上Na-K-ATP酶的生成，使ATP分解为ADP的速度加快，线粒体中ADP/ATP比值增大，导致氧化磷酸化加强。由于ATP的合成和分解都增加，使机体耗氧量和产热量都增加。所以甲状腺功能亢进患者常出现基础代谢率增高。
3．抑制剂的作用
一些化合物对氧化磷酸化有抑制作用，根据其作用部位不同分为两类：
⑴呼吸链抑制剂：
这类抑制剂阻断呼吸链上某一环节的电子传递。由于电子传递受阻，磷酸化反应也无法正常进行。如安眠药异戊巴比妥（阿米妥）、植物毒素鱼藤酮（常用作杀虫剂）能阻断NADH到Q之间的电子传递；一氧化碳和氰化物能与细胞色素氧化酶分子中的铁离子结合，使其失去电子传递能力。
⑵解偶联剂：
这类抑制剂不影响呼吸链的电子传递，而是解除氧化与磷酸化的偶联作用，使氧化过程产生的能量不能生成ATP，而是以热能的形式散发。如2，4-二硝基酚、双香豆素等属于解偶联剂，感冒或患某些传染病时体温升高，是由于细菌或病毒产生的解偶联剂所致。 体内很多物质氧化分解产生NADH，线粒体内生成的NADH可直接通过呼吸链进行氧化磷酸化，而胞液中生成的NADH由于不能自由透过线粒体内膜，故需通过某种转运机制，将氢转移到线粒体内，重新生成NADH或FADH2后再参加氧化磷酸化。这种转运机制主要有α-磷酸甘油穿梭和苹果酸穿梭。
（一）3-磷酸甘油（α-磷酸甘油）穿梭系统
该穿梭系统主要存在于肌肉和神经组织，它是通过α-磷酸甘油将胞液中NADH的氢带入线粒体内，具体过程如下：
当胞液中NADH浓度升高时，磷酸二羟丙酮在胞液α-磷酸甘油脱氢酶（辅酶为NAD）催化下由NADH+H供氢生成α-磷酸甘油，后者进入线粒体后在线粒体内α-磷酸甘油脱氢酶（辅酶为FAD）的催化下重新生成磷酸二羟丙酮和FADH2。磷酸二羟丙酮穿出线粒体外可继续利用。生成的FADH2经呼吸链氧化磷酸化，这种穿梭作用可生成1.5分子ATP。
（二）苹果酸穿梭系统
又称苹果酸-天冬氨酸穿梭系统，主要存在于肝、肾、心。是指通过苹果酸将胞液中NADH的氢带进线粒体内，具体过程如下：
当胞液中NADH浓度升高时，首先由苹果酸脱氢酶（辅酶NAD）催化，使草酰乙酸还原成苹果酸。苹果酸在线粒体内膜转位酶的催化下穿过线粒体内膜，进入线粒体的苹果酸，在苹果酸脱氢酶作用下脱氢生成草酰乙酸，并生成NADH+H。生成的NADH+H通过呼吸链传递进行氧化磷酸化，生成2.5分子ATP。
草酰乙酸不能直接透过线粒体内膜返回胞液，但它可在天冬氨酸转氨酶作用下从谷氨酸接受氨基生成天冬氨酸，谷氨酸转出氨基后生成α酮戊二酸，α酮戊二酸、天冬氨酸都能在膜上转位酶的作用下穿过线粒体内膜而进入胞液，在胞液中天冬氨酸和α酮戊二酸在天冬氨酸转氨酶的作用下又重新生成草酰乙酸和谷氨酸，草酰乙酸又可重新参与苹果酸穿梭作用。 （一）葡萄糖彻底氧化产生ATP结算
关于葡萄糖彻底氧化为水和二氧化碳究竟产生多少ATP分子的问题一直受到人们的关注。葡萄糖分解通过糖酵解和柠檬酸循环的底物磷酸化作用产生ATP的分子数，根据化学计算可以得到明确的答复。但是氧化磷酸化产生的ATP分子数并不十分准确。因为质子泵、ATP合成以及代谢物的转运过程并不需要是完整的数值甚至不需要固定值。根据最新测定计算，一对NADH传至O2，所产生的ATP分子数是2.5个，琥珀酸及脂肪酸氧化产生的FADH2传递至O2，产生的ATP是1.5个。这样，当一分子葡萄糖彻底氧化彻底氧化为CO2和H2O所得到的ATP分子数和过去传统的统计数（36或38个ATP）少了6个ATP分子，成为30个或32个。全部的统计列于表5-2-1。在30或32个ATP分子中，氧化磷酸化产生26或28个，底物磷酸化产生6个，葡萄糖活化共消耗2个。
（二）软脂酸彻底氧化产生ATP结算
软脂酸（16碳饱和脂肪酸）彻底氧化产生ATP数目为106个，其中氧化磷酸化为100个，底物磷酸化为8个，脂肪酸活化消耗2个（消耗1个ATP生成1个AMP，即消耗2个高能键）。
