三羧酸循环ppt文档课件.ppt

,绪论:,在无氧条件下，葡萄糖经分解代谢形成丙酮酸，丙酮酸继续形成乳酸或乙醇。在有氧条件下，丙酮酸可继续进行有氧分解，最后完全氧化，形成CO2和水。此途径分为柠檬酸循环和氧化磷酸化两个阶段。定义：在有氧条件下，葡萄糖酵解产生的丙酮酸氧化脱羧形成 乙酰CoA。乙酰CoA经一系列氧化、脱羧，最终生成CO2 和H2O并产生能量的过程，称为柠檬酸循环，由于柠檬 酸含三个羧基，所以亦称为三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA 循环)。由于它是由(德国)正 式提出的，故又称Krebs循环。,TCA循环是糖、脂肪、蛋白质和氨基酸等氧化所共同经历的途径。同时，TCA循环生成的中间物也是许多生物合成的前体。因此TCA循环是两用代谢途径。,一.柠檬酸循环的发现,从1932年至1936年，Krebs H A 和其它几位科学家 共同研究，最后由Krebs 提出完整的柠檬酸循环途径。于 1953年获得诺贝尔奖。(1).Krebs H A发现:肌肉、肾脏、肝脏等组织的匀浆悬浮液或切片的材料中，发现柠檬 酸、琥珀酸、延胡索酸及乙酸等化合物在各不同组织中的氧化速率 均最快。向肌肉悬浮液中加入草酰乙酸，能迅速生成柠檬酸,又发现柠檬酸 是草酰乙酰和一种来自丙酮酸或乙酸的化合物合成的。(2).Albert Szent-Gyorgyi发现:肌肉组织悬浮液中加入少量草酰乙酸或苹果酸等4C二羧酸，则氧 利用量远超过加入的二羧酸氧化为CO2和水所需要的氧分子。(3).Carl Martius和Franz Knoop发现:柠檬酸通过顺-乌头酸被异化为异柠檬酸，然后再氧化脱羧形成-酮 戊二酸，-酮戊二酸经氧化形成琥珀酸。,綫粒体:降解脂肪酸,氧化丙酮酸以提供能量MITOCHONDRION:reduce fatty acid and oxidize Pyruvate to produce ATP.,三羧酸循环在线粒体基质中进行。,二、由丙酮酸形成乙酰CoA,丙酮酸进入线粒体转变为乙酰CoA,这是连接糖酵解和三羧酸循环的纽带：,反应不可逆，分4步进行，由丙酮酸脱氢酶复 合体(丙酮酸脱氢酶系)催化。,1.丙酮酸脱氢酶复合体,(1).丙酮酸脱氢酶复合体是一个十分复杂的多酶复 合体，包括丙酮酸脱氢酶组分E1、二氢硫辛 酰转乙酰基酶E2、二氢硫辛酸脱氢酶E3。(2).参加反应的还有焦磷酸硫胺素(TPP)、硫辛酰胺，FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸),NAD+,CoA-SH及Mg2+六种辅助因子组装而成。,1.1 大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体的内容,2.催化丙酮酸转变为乙酰CoA的反应步骤,2.1丙酮酸脫羧反应（丙酮酸变成乙酰基）,这是第一步反应,由丙酮酸脱氢酶E1(以TPP為辅基)催化,可划分为两个步骤。,(1)羟乙基-TPP的形成,解离的负碳离子向丙酮酸的羰基进攻,使形成丙酮酸与TPP的加成化合物。,A、丙酮酸-TPP加成化合物的形成,B、丙酮酸TPP加成物脱羧反应形成羟乙基-TPP,丙酮酸-TPP加成物脱羧,形成羟乙基-TPP，由于TPP环上带正电荷的氮原子起电子“陷井”作用,使脱羧后形成的羟乙基上产生较稳定的负碳离子。,（2).羟乙基氧化形成乙酰基,羟乙基氧化转变为乙酰基并转移至二氢硫辛酰转乙酰基酶E2的辅基硫辛酰胺上，这是为下一步反应作准备。丙酮酸脱氢酶组分(TPP-E1)完成了乙酰基的转移后即恢复原状，又可接受另一丙酮酸分子。,第二步反应,在二氢硫辛酰转乙酰基酶分子E2上结合着的乙酰基,由E2催化,将乙酰基转移到CoA-SH分子上,形成游离的乙酰-CoA分子,从而使二氢硫辛酰转乙酰基酶E2由氧化型变成还原型。,2.2 乙酰基转移到CoA分子上形成乙酰CoA（由E2完成）,(acety1-CoA)是催化相反相反方向的反应，该反应极易向正反两方向进柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶；A：乳酸脱氢酶 B：异柠檬酸脱氢酶 C:琥珀酸脱氢酶 D：苹果酸脱氢酶3 异柠檬酸脱氢酶催化的生物学意义肌肉组织悬浮液中加入少量草酰乙酸或苹果酸等4C二羧酸，则氧二氢硫辛酰转乙酰基酶的硫辛酰胺辅基乙酰-CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi柠檬酸循环本身制约系统的调节:(pro-R-arm)Albert Szent-Gyorgyi发现:琥珀酰CoA转化成琥珀酸，并产生一GTP从葡萄糖开始，共可产生12.柠檬酸通过顺-乌头酸被异化为异柠檬酸，然后再氧化脱羧形成-酮构的专一性，且都以NAD+作为电子受体。异柠檬酸脱氢酶是一个变构酶，活性受ADP变构激活(ADP能A、丙酮酸-TPP加成化合物的形成3 异柠檬酸脱氢酶催化的生物学意义,反应机制,该反应实际上是一个酰基转移反应，辅酶A的硫氢基进攻E2-乙酰二氢硫辛酰胺上的乙酰基,先形成一个四面体的中间体,接着迅速分解为乙酰-CoA和E2-二氢硫辛酰胺,在此形成的游离状态的乙酰-CoA分子保留了高能的硫酯键(一个高能硫酯键)。,2.3 还原型二氢硫辛酰转乙酰基酶E2氧化,由还原型变成氧化型（由E3完成）,这一步反应是使氧化型硫辛酰胺再生的反应。,A：乳酸脱氢酶 B：异柠檬酸脱氢酶 C:琥珀酸脱氢酶 D：苹果酸脱氢酶基进行亲核攻击,形成柠檬酰-CoA5 ATP;1FADH21.即草酰琥珀酸位于异柠檬酸-碳原子上的羟基转变为酮基。抑制:ATP、乙酰CoA、NADH、脂肪酸关键底物对关键酶的制约:琥珀酰CoA转化成琥珀酸，并产生一GTP3 还原型二氢硫辛酰转乙酰基酶E2氧化,由还原型变成氧化型（由E3完成）二、由丙酮酸形成乙酰CoA綫粒体:降解脂肪酸,氧化丙酮酸以提供能量基进行亲核攻击,形成柠檬酰-CoA7、TCA 循环（）二氢硫辛酰转乙酰基酶的硫辛酰胺辅基-酮戊二酸 谷氨酸;草酰乙酸 天冬氨酸;琥珀酰CoA 卟啉环,反应机制,这一步反应使氧化型硫辛酰胺再生,在此反应中，催化此反应的酶为二氢硫辛酸脱氢酶E3（其辅基为FAD），使二氢硫辛酰胺再氧化,从而使其完成整个反应过程，重新形成氧化型二氢硫辛酰转乙酰基酶。,2.4、还原型的E3再氧化,还原型E3二硫键的再氧化先由该酶的辅基FAD接受一SH基的氢原子,形成FADH2,其后将氢原子转移给NAD+,于是恢复其氧化型。,总反应式可表示为:,丙酮酸+CoASH+NAD+乙酰CoA+CO2+NADH+H+,3.丙酮酸脱氢酶复合体的调控,由于丙酮酸既可走向提供能量的分解途径,又可走向生物合成 途径，故受到严密的调节控制：1、产物抑制：受乙酰CoA和NADH的控制。乙酰CoA抑制转 乙酰基酶E2组分，NADH抑制二氢硫辛酰脱氢酶E3组分。抑 制效应被CoA和NAD+逆转。2、磷酸化和去磷酸化作用的调节：丙酮酸脱氢酶组分E1的 磷酸化状态无活性，反之有活性,其磷酸化受E2上结合的激 酶和磷酸酶作用。,三、柠檬酸循环概貌,四、柠檬酸循环的反应机制,1.第1步反应:草酰乙酸与乙酰-CoA缩合形成柠檬酸,1.2 反应机制,1.4 柠檬酸合酶,柠檬酸合酶是柠檬酸循环的关键酶。1）其活性受ATP、NADH、琥珀酰-CoA、脂酰-CoA等的抑制。2)类似物抑制及其应用：（1）丙酮酰-CoA是乙酰-CoA的类似物,可能代替乙酰-CoA与柠檬酸合酶结合。（2）由氟乙酸形成的氟乙酰-CoA可被柠檬酸合酶催化与草酰乙酸缩合生成氟柠檬酸，氟柠檬酸结合到顺-乌头酸酶的活性部位上，抑制 柠檬酸循环向下进行。氟乙酸和氟乙酰-CoA可做杀虫剂或灭鼠药，各种有毒植物的叶子大部 分含有氟乙酸，可作为天然杀虫剂。,2、柠檬酸异构化成异柠檬酸,2.1 反应方程式,在pH7.0，25C的平衡态时，柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90：4：6,由于异柠檬酸在下一步反应中极迅速地被氧化,从而推动此反应向异柠檬酸的方向进行。,3、由异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸,3.1 反应方程式,3.2 反应机制,异柠檬酸为-羟酸，辅助因子NAD+作为受氢体形成-酮酸即草酰琥珀酸位于异柠檬酸-碳原子上的羟基转变为酮基。酮基的形成促使了邻近C-C键的断裂，即有利于脱羧作用的进行(-裂解)。-裂解是生物化学中最常见的一种C-C键的断裂方式。,3.3 异柠檬酸脱氢酶催化的生物学意义,异柠檬酸通过此酶催化的反应，使生物体解决了具有两个碳原子的乙酰基氧化和降解的问题。该酶所催化断裂的C-C键，并不是柠檬酸循环第一步反应里进入循环的乙酰基,而是连接该乙酰基的两个碳原子间的共价键。这共价键不能通过一般任何一种断裂方式打开。在二碳分子中也不能发生述的-裂解。相反，乙酰基一旦与草酰乙酸缩合，就形成对-裂解敏感的产物。,3.4 异柠檬酸脱氢酶,(1).高等动植物及大多数微生物中异柠檬酸脱氢酶有两类：一类 以NAD+为辅酶，存在于线粒体中，一类以NAPD+为辅酶，存在于线粒体和细胞质中。(2).异柠檬酸脱氢酶是一个变构酶，活性受ADP变构激活(ADP能 增强酶与底物的亲和力)。该酶与异柠檬酸、Mg 2+、NAD+、ADP的结合有相互协同作用。NADH、ATP对该酶起变构抑制 作用。(3).异柠檬酸的转变有两条途径：一是当需要能量时，进行氧化 脱羧形成-酮戊二酸；二是在能量充足时，经异柠檬酸裂解 酶作用，生成琥珀酸和乙醛酸。,4.-酮戊二酸氧化脱羧成为琥珀酰-CoA,4.1 反应方程式,4.2 反应机制,-酮戊二酸脱氢酶系催化的每步机制和丙酮酸脱氢酶复合体相一致，需要TPP、硫辛酸、CoA、FAD、NAD+、Mg2+6种辅助因子。,(1).-酮戊二酸脱氢酶系与丙酮酸脱氢酶复合体极其 相似，由-酮戊二酸脱氢酶(E1)、二氢硫辛酰转琥 珀酰酶(E2)、二氢硫辛酰脱氢酶(E3)组成。这里的E3与丙酮酸脱氢酶复合体的E3是一样的。而E1则与丙 酮酸脱氢酶复合体的E1不同，它不受磷酸化、去磷酸化共价 修饰调节。(2).-酮戊二酸脱氢酶受其产物琥珀酰-CoA、NADH 和高能荷的抑制。当细胞的ATP充裕时，柠檬酸循 环进行的速度便减慢。,4.3-酮戊二酸脱氢酶系,5.琥珀酰CoA转化成琥珀酸，并产生一GTP,5.1 反应方程式,琥珀酰-CoA硫酯键是一个高能键，它的断裂与鸟苷二磷酸(GDP)的磷酸化相偶联。,5.2 琥珀酰-CoA合成酶,(1).琥珀酰-CoA合成酶(也称为称琥珀酰硫激酶)，其命名指的 是催化相反相反方向的反应，该反应极易向正反两方向进 行，但在柠檬酸循环中都是向形成琥珀酸的方向进行。(2).TCA循环中唯一底物水平磷酸化直接产生高能磷酸化合物 的步骤，反应中形成的GTP在生物合成中有特殊的作用。它参与信号的传递过程，还能通过琥珀酸-CoA合成酶和核 苷二磷酸激酶的偶联作用，使琥珀酸-CoA水解产生一 个ATP。,6.琥珀酸脱氢生成延胡索酸（反丁烯二酸）,6.1 反应方程式,6.2 反应机制,琥珀酸脱氢酶以FAD作为脱下电子的受体(不是NAD+)，因为其催化碳-碳键间的氧化，所释放的自由能不足以使脱下的电子转移到NAD+上。NADH再氧化的G=-220.1KJ/mol，FADH2再氧化的G=-181.6KJ/mol。,6.3 琥珀酸脱氢酶,(1).它是柠檬酸循环中唯一嵌 入到线粒体内膜的酶，而 其它的酶大多存在于线粒 体基质中。(2).该酶直接与电子传递链相连，由琥珀酸分子上脱下的氢形成FADH2，后者直接将电子传递给琥珀酸-Q还原酶分子的Fe-S，氢的最终受体是氧分子。,7.延胡索酸被水化生成L-苹果酸,7.1 反应方程式,8.苹果酸脱氢生成草酰乙酸,8.1 反应方程式,8.3 苹果酸脱氢酶,苹果酸脱氢酶、乳酸脱氢酶、乙醇脱氢酶、甘油醛-3-磷酸脱氢酶等，所有已知的脱氢酶均具有立体结构的专一性，且都以NAD+作为电子受体。NAD+与它们的结合方式很相似，虽然各种脱氢酶结构各异，但它们与NAD+结合的结构域也很相似。,五.柠檬酸循环的化学总结算,1.柠檬酸循环的总化学反应式:乙酰-CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi 2CO2+3NADH+FADH2+GTP+2H+CoA-SH2.循环有以下特点：(1)、整个循环不需要氧，但离开氧无法进行。(2)、单向进行。(3)、乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸，使两个C原子进入循环。在 以后的两步脱羧反应中，有两个C原子以CO2的形式离开循环，相 当于乙酰CoA的2个C原子形成CO2。(4)、在循环中有4对H原子通过4步氧化反应脱下，其中3对用以还 原NAD+生成3个NADH+H+,1对用以还原FAD,生成1个FADH2。3NADH7.5 ATP;1FADH21.5ATP;(5)、由琥珀酰CoA形成琥珀酸时，偶联有底物水平磷酸化生成1个GTP,1GTP 1ATP,并消耗兩分子水。,3.总结算:(1).1分子乙酰CoA通过TCA循环被氧化，可生成10分子 ATP。(2).从丙酮酸开始，加上丙酮酸氧化脫羧生成的1个NADH，则共产生10+2.5=12.5个ATP。(3).从葡萄糖开始，共可产生12.52+7(或5）=32或30个ATP。,则一分子葡萄糖共产生:,25柠檬酸循环,+,2+2*2.5或1.5糖酵解,=32或30个,可见由糖酵解和TCA循环相连构成的糖的有氧氧化途径，是机体利用糖氧化获得能量的最有效的方式，也是机体产生能量的主要方式。,六、柠檬酸循环的调控,柠檬酸循环的速度主要取决于细胞对ATP的需求量，另外也受细胞对于中间产物需求的影响。主要可分为两个方面的调控:1.柠檬酸循环本身制约系统的调节:1.1 调节循环速度的关键酶、关键底物：关键酶：柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶；关键底物：乙酰-CoA、草酰乙酸，NADH。,关键底物对关键酶的制约:,如柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、-酮戊二酸脱氢酶受NADH抑制：一般来说细胞对柠檬酸的利用速度总高于柠檬酸的合成速度，而 柠檬酸的利用速度受到以NAD+为辅助因子的异柠檬酸脱氢酶所控制。异柠檬酸脱氢酶又受产物之一NADH的强烈抑制，故柠檬酸合酶也受NADH的抑制。同时，-酮戊二酸脱氢酶同样受产物NADH的抑制，如果NADH的浓度下降，-酮戊二酸脱氢酶的活性上升。,2.ATP、ADP和Ca2+对柠檬酸循环的调节,(1)ATP和ADP：机体活动增多时：ATP消耗更多，而ATP水解形成ADP，ADP是异柠檬酸脱氢酶的变构促进剂，从而增加该酶对底物的亲和力。机体活动减少时：ATP消耗减少、浓度上升，对该酶产生抑制效应。(2)Ca2+：在柠檬酸循环中它对丙酮酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶有激活作用。,七.柠檬酸循环中间产物的消耗与补充,由于柠檬酸循环具有分解化谢和合成代谢的双重性(两用性)，除提供大量自由能之外，其中间产物更是许多合成代谢中的前体来源，由此柠檬酸中间产物可能外有额外的消耗，同时必须得到必要的补充。1）消耗：如-酮戊二酸 谷氨酸;草酰乙酸 天冬氨酸;琥珀酰CoA 卟啉环 2）补充：（1）有些降解途径可产生柠檬酸循环的中间产物。异亮氨酸、甲硫氨酸、缬氨酸分解琥珀酸-CoA 奇数脂肪酸氧化琥珀酸-CoA,异柠檬酸,琥珀酸CoA,苹果酸,草酰乙酸,CoASH,乙酰CoA,柠檬酸,丙氨酸苏氨酸甘氨酸丝氨酸半胱氨酸,丙酮酸,乙酰乙酰CoA,苯丙氨酸酪氨酸亮氨酸赖氨酸色氨酸,天冬酰胺天冬氨酸,-酮戊二酸,延胡索酸,苯丙氨酸酪氨酸,异亮氨酸甲硫氨酸缬氨酸,精氨酸组氨酸谷氨酰胺脯氨酸,谷氨酸,碳骨架的氧化(肝脏中),TCA循环,奇数脂肪酸-氧化产生丙酰CoA，经羧化并异构形成琥珀酰CoA进入TCA。,.,（2）回补反应或填补反应(anaplerotic reaction)。属于这类型重要反应有:丙酮酸+CO2+ATP+H20 草酰乙酸+ADP+Pi+2H+反应酶为：丙酮酸羧化酶,思考题,1、名词解释：TCA循环；回补反应；-裂解2、试述丙酮酸转变为乙酰CoA和柠檬酸循环的具体反应历程，并指出：1）NADH、FADH2及GTP的产生情况；2）主要调节酶及其激活剂与抑制剂。3、能够催化底物脱氢，并以FAD为受氢体的酶是（）。A：乳酸脱氢酶 B：异柠檬酸脱氢酶 C:琥珀酸脱氢酶 D：苹果酸脱氢酶 4、能发生底物水平磷酸化的反应有（）A：1,3二磷酸甘油酸3磷酸甘油酸 B：磷酸烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸 C:琥珀酰-CoA琥珀酸 D：以上都是 5、三羧酸循环中草酰乙酸的补充主要来源于（）A：丙酮酸羧化 B：苹果酸脱氢 C:乙酰CoA缩和 D：天冬氨酸脱羧 6、丙酮酸氧化脱羧需要（）A:NAD+B：NADP+C：FMN D:CoQ 7、TCA 循环（）A：本身不会产生高能磷酸化合物 B：不受无氧条件的限制 C：循环起始物乙酰CoA中的2个C原子在一轮循环中以2个CO2形式释放 D:循环速率取决于对ATP的需求 8、三羧酸循环中草酰乙酸是什么酶作用的直接产物？（）A:柠檬酸脱氢酶 B：琥珀酸脱氢酶 C：苹果酸脱氢酶 D：顺乌头酸酶,感谢观看,