葡萄糖在有氧条件下彻底氧化成水和二氧化碳的反应过程称为糖的有氧氧化（aerobic oxidation）。有氧氧化是糖氧化的主要方式，绝大多数细胞都通过它获得能量。肌肉等进行糖酵解生成的乳酸，最终仍需在有氧时彻底氧化成水和二氧化碳。

绝大多数组织细胞通过糖的有氧氧化途径获得能量。此代谢过程在细胞胞液和线粒体（cytoplasm and mitochondrion）内进行。

1分子葡萄糖（glucose）彻底氧化分解可产生36/38分子ATP。

一、糖的有氧氧化的反应过程

糖的有氧氧化分三个阶段进行。第一阶段：葡萄糖分解生成丙酮酸，在细胞液中进行。第二阶段：丙酮酸进入线粒体氧化脱羧，生成乙酰CoA。第三阶段：三羧酸循环及氧化磷酸化，在线粒体内进行（图5-3）。

图5-3　有氧氧化反应过程

（一）葡萄糖分解生成丙酮酸

此阶段的反应步骤与糖无氧氧化途径基本相同。在有氧条件下，1分子葡萄糖分解生成2分子丙酮酸。所不同的是，3-磷酸甘油醛脱下的氢并不用于丙酮酸还原生成乳酸，而是交给NAD⁺，生成NADH+H⁺，再经线粒体内电子传递链的作用，与氧结合生成水，释放能量，使ADP磷酸化生成ATP。这种生成ATP的方式为氧化磷酸化。

（二）丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A

丙酮酸在胞液中生成以后，经线粒体内膜上特异载体转运到线粒体内，在丙酮酸脱氢酶复合体（又叫丙酮酸脱氢酶系）催化下进行氧化脱羧，并与辅酶A结合成乙酰辅酶A（CoA），反应不可逆。其总反应式为：

丙酮酸脱氢酶复合体由3种酶蛋白和5种辅酶组成，丙酮酸脱氢酶复合体存在于线粒体中，是由丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酰胺转乙酰酶、二氢硫辛酰脱氢酶按一定比例组合成的多酶体系，其组合比例随生物体不同而异。该复合体催化丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA，参与反应的辅酶有硫胺素焦磷酸酯（TPP）、硫辛酸、FAD、NAD⁺及CoA。

反应过程如图5-4所示：

图5-4　丙酮酸脱氢酶复合体的催化作用

（三）三羧酸循环

三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TAC）是以乙酰辅酶A的乙酰基与草酰乙酸缩合为柠檬酸开始，经过若干反应步骤，最后又以草酰乙酸的再生为结束的连续酶促反应过程。因为这个反应过程的第一个产物是含有三个羧基的柠檬酸，故称为三羧酸循环，也叫做柠檬酸循环。又因为这个循环学说是由Krebs于1937年首先提出，故又叫做Krebs循环。反应位点：线粒体。

三羧酸循环的反应过程如图5-5所示：

图5-5　三羧酸循环反应过程

二、有氧氧化的生理意义

（一）三羧酸循环是三大营养物质的最终代谢通路

糖、脂肪、氨基酸在体内进行生物氧化都将产生乙酰CoA，然后进入三羧酸循环被降解成为CO2和H2O，并释放能量满足机体需要。

（二）三羧酸循环也是糖、脂肪、氨基酸代谢联系的枢纽

由葡萄糖分解产生的乙酰CoA可以用来合成脂酸和胆固醇；许多生糖氨基酸都必须先转变为三羧酸循环的中间物质后，再经苹果酸或草酰乙酸异生为糖。三羧酸循环的中间产物还可转变为多种重要物质，如琥珀酰辅酶A可用于合成血红素；α-酮戊二酸、草酰乙酸可用于合成谷氨酸、天冬氨酸，这些非必需氨基酸参与蛋白质的生物合成（图5-6）。

图5-6　三羧酸循环是物质代谢的枢纽

（三）三羧酸循环的总反应式及能量代谢

C₃CO～SCoA+3NAD⁺+FAD+GDP+Pi+2H₂O+2CO₂+3NADH+3H⁺+FADH₂+HSCoA+GTP

三羧酸循环运转一周：有2次脱羧（氧化1分子乙酰CoA）、4次脱氢（3次由NAD⁺接受、1次由FAD接受）、1次底物水平磷酸化。（表5-2）

表5-2　葡萄糖有氧氧化过程中ATP的生成位点

*（1）糖酵解途经产生的NADH＋H⁺，如果经苹果酸穿梭机制，1个NADH＋H⁺产生3分子ATP：若经α-磷酸甘油穿梭机制，则产生2分子ATP；

（2）1分子葡萄糖分解生成2分子3-磷酸甘油醛，故乘以2。

（四）三羧酸循环的特点

（1）循环反应在线粒体（mitochondrion）中进行，为不可逆反应。

（2）每完成一次循环，氧化分解掉1分子乙酰基，可生成12分子ATP。

（3）循环的中间产物既不能通过此循环反应生成，也不被此循环反应所消耗。

（4）三羧酸循环中有两次脱羧反应，生成2分子CO2。

（5）循环中有四次脱氢反应，生成3分子NADH和1分子FADH₂。

（6）循环中有一次底物水平磷酸化，生成1分子GTP。

（7）三羧酸循环的关键酶是柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶系。

三、有氧氧化的调节

糖的有氧氧化的三个阶段中，第一阶段的调节见糖酵解的调节，这里主要叙述第二、三阶段的调节。

（一）丙酮酸脱氢酶复合体的调节

丙酮酸脱氢酶复合体可通过变构效应和共价修饰两种方式进行快速调节。反应产物NADH、乙酰CoA对丙酮酸脱氢酶复合体有反馈抑制作用，使有氧氧化减弱；ATP对其也有抑制作用，而AMP则有激活作用。此外，丙酮酸脱氢酶复合体还可被丙酮酸脱氢酶激酶磷酸化，引起酶蛋白变构而失去活性；丙酮酸脱氢酶磷酸酶则使其脱磷酸而恢复活性。NADH、乙酰CoA 增加，还可通过增强丙酮酸脱氢酶激酶活性，加强对丙酮酸脱氢酶复合体的抑制作用，协同减弱糖的有氧氧化，使NADH和乙酰CoA生成不致过多；而NAD+和ADP则有相反作用。胰岛素可增强丙酮酸脱氢酶磷酸酶活性，促进糖的氧化分解。

（二）三羧酸循环的调节

三羧酸循环的速率和流量受多种因素的调控，在三个不可逆反应中，其中异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合体所催化的反应是三羧酸循环的主要调节点。

当NADH/NAD＋和ATP/ADP浓度比值升高时，异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体被反馈抑制，三羧酸循环速率减慢，而ADP则是异柠檬酸脱氢酶的变构激活剂。

线粒体中Ca2＋浓度增高，可激活异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体及丙酮酸脱氢酶复合体活性，糖的有氧氧化增强。

三羧酸循环也受氧化磷酸化速率的影响。三羧酸循环中由4次脱氢生成的NADH＋H＋和FADH2中的氢和电子需通过电子传递链进行氧化及磷酸化生成ATP，使氧化型NAD＋和FAD得以再生，否则三羧酸循环中的脱氢反应将无法进行。因此，凡是抑制电子传递链各环节的因素均可阻断三羧酸循环运转。

（三）巴斯德效应

有氧氧化抑制糖酵解的现象称为巴斯德效应（Pasteur effect），此效应是由法国科学家Pasteur利用酵母菌进行生醇发酵时发现。人体组织中同样存在此效应。当组织供氧充足时，丙酮酸进入三羧酸循环氧化，NADH＋H＋可穿梭进入线粒体经电子传递链氧化，使乳酸生成受到抑制，所以有氧抑制糖酵解。缺氧时，氧化磷酸化受阻，NADH＋H＋累积，使ADP与Pi不能转变为ATP，ATP/ADP比值降低，促使6-磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶活性增强，丙酮酸作为氢接受体在胞液中还原为乳酸，加速葡萄糖沿糖酵解途径分解。

【搬运】糖的有氧氧化