考研江南大学生物化学(糖代谢)课件.ppt

第七章 糖代谢,重要的能量来源重要的中间代谢产物,本章主要内容,多糖的酶促降解糖的分解代谢糖的无氧代谢-酵解（EMP途径）糖的有氧氧化-（EMP-TCA途径）乙醛酸循环途径磷酸戊糖（HMS）途径/单磷酸己糖支路（HMP途径）磷酸解酮酶（PK）途径与异型乳酸发酵（自习）脱氧酮糖酸（ED）途径与细菌酒精发酵（自习）葡萄糖分解代谢途径的相互联系糖的合成代谢糖异生作用多糖的合成,第一节多糖的酶促降解,细胞外：多糖被降解成单糖或双糖 消化单糖或双糖进入细胞内 吸收细胞内：单糖进行中间代谢,一、淀粉的降解,淀粉的降解主要通过淀粉水解酶(淀粉酶)完成，除此之外，淀粉磷酸化酶也可以催化淀粉降解。淀粉经淀粉酶作用被降解成单糖或寡糖；寡糖经寡糖水解酶，如糊精酶、麦芽糖酶等降解成单糖；单糖以磷酸化形式主动运输进细胞；单糖进入细胞后进行分解代谢或合成代谢。凡能催化淀粉分子及其片段中-葡萄糖苷键水解的酶，统称淀粉酶（amylase）。淀粉酶主要分为-淀粉酶、-淀粉酶、-淀粉酶、和异淀粉酶4类。,1、-淀粉酶,-淀粉酶又称液化酶、淀粉-1,4-糊精酶。系统名称：-1,4-葡聚糖水解酶(编号：EC3.2.1.1)。-淀粉酶作用机制-淀粉酶是内切酶，从淀粉分子内部随机切断-1,4糖苷键，不能水解-1,6-糖苷键、以及与非还原性末端相连的-1,4-糖苷键。-淀粉酶水解产物直链淀粉：大部分为直链糊精、少量为麦芽糖与葡萄糖支链淀粉：大部分为分支糊精、少量为麦芽糖与葡萄糖，底物分子越大，水解效率越高。,2、-淀粉酶,-淀粉酶又叫淀粉-1,4-麦芽糖苷酶。系统名称：-1,4-葡聚糖麦芽糖苷酶(编号：EC 3.2.1.2)。-淀粉酶作用机制-淀粉酶是外切酶，从淀粉分子的非还原性末端，依次切割-1,4-麦芽糖苷键，生成-型的麦芽糖；作用于支链淀粉时，遇到分支点即停止作用，剩下的大分子糊精称为-极限糊精。-淀粉酶水解产物直链淀粉：-麦芽糖。支链淀粉：-麦芽糖和-极限糊精。,-淀粉酶和-淀粉酶的比较,3、-淀粉酶,-淀粉酶又称糖化酶、葡萄糖淀粉酶。系统名称：-1,4-葡聚糖葡萄糖水解酶（编号：EC3.2.1.3)。-淀粉酶作用方式-淀粉酶是一种外切酶。从淀粉分子的非还原性末端，依次切割-1,4-葡萄糖苷键，产生-葡萄糖。遇-1,6和-1,3-糖苷键时也可缓慢水解。-淀粉酶水解产物葡萄糖。,4、异淀粉酶,异淀粉酶又叫脱支酶、淀粉-1,6-葡萄糖苷酶。系统名称：葡聚糖-1,6-葡聚糖水解酶(编号：EC3.2.1.33)。异淀粉酶作用方式异淀粉酶专一性水解支链淀粉或糖原的-1,6-糖苷键，异淀粉酶对直链淀粉不作用。异淀粉酶水解产物生成长短不一的直链淀粉(糊精)。,淀粉酶的比较,5、淀粉磷酸化酶催化的淀粉降解,除淀粉水解酶之外，淀粉磷酸化酶也可以催化淀粉降解。淀粉+nH3PO4 n G-1-Pn G-1-P n G-6-P n G+nPi,淀粉磷酸化酶,变位酶,磷酸酯酶,二、糖原的降解,糖原的降解主要由糖原磷酸化酶、脱支酶等协同合作。糖原降解方式采用磷酸解。糖原降解产物大量1-P葡萄糖、少量葡萄糖。糖原降解步骤在糖原磷酸化酶催化下，先从各支链上部分水解下葡萄糖分子，形成1-磷酸葡萄糖。经转移酶催化，将支链上剩余的第二个葡萄糖单位开始的短链转移到较长的葡萄糖链上。在去分支酶作用下，除去分支处葡萄糖分子。,反应方程,三、纤维素的水解,纤维素是由-D-1,4葡萄糖苷键组成的多糖。水解纤维素的酶为纤维素酶，包括：Cx、C1和-葡糖苷酶/纤维二糖酶。Cx酶（内切型酶）可随意水解内部-1,4糖苷键，类似于-淀粉酶。GnGn-m+Gm，Gn：纤维素分子，Gn-m、Gm：纤维糊精。C1酶（外切型酶）从非还原端每隔2个Glu单元切一下，类似于-淀粉酶。GnGn-2+G2-葡糖苷酶类似麦芽糖酶，可水解纤维二糖。G22G，*产物是-葡萄糖（可转变成型）人和动物不能合成纤维素酶类，微生物可以合成。,四、双糖的分解,许多微生物通过其分泌的酶的作用，可利用一些双糖如蔗糖、麦芽糖、乳糖等，使它们磷酸解或水解为单糖，再进一步降解。蔗糖分解 主要磷酸解成：1-P葡萄糖+果糖 蔗糖 少数水解成：葡萄糖+果糖麦芽糖分解 主要磷酸解成：1-P葡萄糖+葡萄糖 麦芽糖 少数水解成：2分子葡萄糖乳糖分解,第二节 糖的分解代谢,葡萄糖分解代谢的主要途径无氧代谢糖酵解途径(EMP途径)有氧代谢EMP途径-TCA循环-呼吸链-氧化磷酸化乙醛酸循环磷酸戊糖支路(HMP途径)葡萄糖分解代谢的生理意义,一、酵解与发酵的涵义,发酵：广义上说是微生物的无氧代谢过程。在无氧条件下，微生物将葡萄糖或其它有机物分解生成ATP及NADH，又以不完全分解产物作为电子受体，还原生成发酵产物的无氧代谢过程。发酵工业领域的发酵是泛指通过微生物及其它生物材料的工业培养，通过工艺条件控制其新陈代谢，从而合成并积累发酵产品的种种生产过程。（包括有氧和无氧发酵）酵解：葡萄糖经酶催化降解，生成丙酮酸并产生ATP的过程。酵解途径又称EMP途径/EM途径/二磷酸己糖HDP途径。糖酵解在无氧和有氧条件下都能进行。,二、糖酵解途径（Embden-Meyerhof-Parnas，EMP途径）,Glycolysis takes place in the cytosol of cells.Glucose enters the Glycolysis pathway by conversion to glucose-6-phosphate.Initially there is energy input corresponding to cleavage of two P bonds of ATP.葡萄糖的活化 Glucose+2 ADP+2 NAD+2 Pi 己糖的裂解三碳糖氧化 2 Pyruvate+2 ATP+2 NADH+2 H+,1、葡萄糖分子活化阶段,1）The Hexokinase Reaction己糖激酶反应,The ATP-dependent phosphorylation of glucose to form glucose 6-phosphate(G6P)is the first reaction of glycolysis,and is catalyzed by hexokinases.己糖激酶是糖酵解途径的第一个调节酶/限速酶，它摧化葡萄糖的磷酸化反应。,1）葡萄糖的磷酸化反应,此反应为不可逆反应，Go=-17.1kJ/mol。己糖激酶的专一性不强，可催化己糖磷酸化，它需二价离子Mg2+或Mn2+作为辅助因子，G-6-P和ATP是其变构抑制剂。专一性强的葡萄糖激酶也可以催化此反应。葡萄糖磷酸化反应的意义：使葡萄糖分子活化，易参与代谢反应；磷酸化葡萄糖分子极性强，不能从胞内外渗；磷酸化糖在后续反应中可转化为高能磷酸化合物ATP。,The Function of Hexokinase Reaction,The phosphorylation accomplishes two goals:First,the hexokinase reaction converts nonionic glucose into an anion that is trapped in the cell,since cells lack transport systems for phosphorylated sugars.Second,the otherwise biologically inert glucose becomes activated into a labile form capable of being further metabolized.,ATP and Mg+as cofactor of Hexokinase,The reaction involves nucleophilic attack of the C6 hydroxyl O of glucose on P of the terminal phosphate of ATP.ATP binds to the enzyme as a complex with Mg+.Mg+interacts with negatively charged phosphate oxygen atoms,providing charge compensation&promoting a favorable conformation of ATP at the active site of the Hexokinase enzyme.,2）Phosphohexose Isomerase磷酸己糖异构反应,The second reaction of glycolysis is an isomerization,in which G6P is converted to fructose 6-phosphate(F6P).The enzyme catalyzing this reaction is phosphohexose isomerase(also known as phosphoglucose isomerase).,Go=1.67kJ/mol,3）6-Phosphofructo-1-Kinase F-6-P磷酸化反应(Phosphofructokinase-1,PFK-1),The next reaction of glycolysis involves the utilization of a second ATP to convert F6P to fructose 1,6-bisphosphate(F1,6BP).Go=-14.2kJ/mol,Phosphofructokinase Reaction磷酸果糖激酶反应,This highly spontaneous reaction has a mechanism similar to that of Hexokinase.The Phosphofructokinase reaction is the rate-limiting step of Glycolysis.The enzyme is highly regulated.此反应为不可逆反应，果糖二磷酸酶可催化逆向反应，使F-1,6-2Pi水解成F-6-P和磷酸。磷酸果糖激酶PFK是酵解途径中最重要的限速酶。ATP、2,3-二磷酸甘油酸是其变构抑制剂，柠檬酸、脂肪酸可增强抑制作用；ADP、AMP、无机磷、K+是其变构激活剂。,2、己糖裂解阶段,一分子双磷酸己糖生成两分子磷酸丙糖。醛缩酶催化裂解反应磷酸丙糖异构化酶催化异构反应,The Cleavage Reaction of Hexose己糖裂解反应,Go=+24kJ/mol，反应可逆，平衡趋向F-1,6-2Pi的生成。,Triose Phosphate Isomerase Reaction磷酸丙糖异构反应,Triose Phosphate Isomerase(TIM)catalyzes isomerization of Triose Phosphate.Go=+7.7kJ/mol。Glycolysis continues from glyceraldehyde-3-P.TIMs Keq favors dihydroxyacetone-P.Removal of glyceraldehyde-3-P by a subsequent spontaneous reaction allows throughput.,3、三碳糖氧化阶段,1）1,3-二磷酸甘油酸的形成,Glyceraldehyde-3-phosphate Dehydrogenase catalyzes:glyceraldehyde-3-P+NAD+Pi 1,3-bisphosphoglycerate+NADH+H+Go=+49.37-43.09=6.28kJ/mol为酵解途径中的第一个氧化产能步骤。,1,3-二磷酸甘油酸的形成,Exergonic oxidation of the aldehyde in glyceraldehyde-3-phosphate,to a carboxylic acid,drives formation of an acyl phosphate,a high energy bond(P).This is the only step in Glycolysis in which NAD+is reduced to NADH.3-磷酸-甘油醛脱氢酶催化3-二磷酸甘油醛的氧化和磷酸化。该酶为变构酶，位于活性中心的半胱氨酸的-SH是酶活性中心的必需基团，烷化剂(如碘乙酸)和重金属对该酶有不可逆抑制作用。,2）第一步底物磷酸化,磷酸甘油酸激酶催化1,3-二磷酸甘油酸脱去磷酸，同时使ADP转化为ATP。,第一步底物磷酸化,3-磷酸甘油醛脱氢酶催化:Go=+6.28kJ/mol glyceraldehyde-3-P+NAD+Pi 1,3-bisphosphoglycerate+NADH+H+磷酸甘油酸激酶催化:Go=-18.83kJ/mol 1,3-bisphosphoglycerate+ADP 3-phosphoglycerate+ATP这两个反应构成一个能量偶联过程-底物水平磷酸化：3-磷酸甘油醛+Pi+ADP+NAD+3-磷酸甘油酸+ATP+NADH+H+,3）2-二磷酸甘油酸的形成,磷酸甘油酸变位酶催化3-二磷酸甘油酸磷酸基团移位，生成2-磷酸甘油酸。Phosphoglycerate Mutase catalyzes:Go=+4.44kJ/mol 3-phosphoglycerate 2-phosphoglyceratePhosphate is shifted from the OH on C3 to the OH on C2.,4）PEP的形成,在烯醇化酶、Mg2+、Mn2+催化下，2-磷酸甘油酸(glycerate-2-phosphate)脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenol pyruvate,PEP)，Go=+1.84kJ/mol磷酸烯醇式丙酮酸的超高能磷酸键：Go=-61.92kJ/mol.烯醇化酶需辅助因子Mg2+激活；氟磷酸离子能与Mg2+形成络合物，使酶失活 氟化物是烯醇化酶的不可逆抑制剂.,5）第二步底物磷酸化丙酮酸的形成,在丙酮酸激酶、Mg2+、K+催化下，磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）将高能磷酸基交给ADP生成ATP。烯醇式丙酮酸自发转变为丙酮酸(pyruvate)。第二个底物水平磷酸化。此反应是第三个不可逆反应。丙酮酸激酶为四聚体变构蛋白，是酵解途径的第三个调节酶：长链脂肪酸、乙酰CoA、ATP、丙氨酸、Ca2+是其变构抑制剂；1,6-二磷酸果糖是其激活剂。此反应和上一个反应构成第二个能量偶联过程，从而产生第二个底物水平磷酸化：2-磷酸甘油酸+ADP丙酮酸+ATP+H2O,EMP途径总结,糖酵解分为三个主要过程：葡萄糖分子活化：葡萄糖+2ATP1,6-二磷酸果糖+2ADP己糖降解：1,6-二磷酸果糖2 3-磷酸甘油醛氧化产能：2 3-磷酸甘油醛+2磷酸+4ADP+2NAD+2丙酮酸+4ATP+2NADH+2H+2H2O总过程：葡萄糖+2磷酸+2ADP+2NAD+2丙酮酸+2ATP+2H2O+2NADH+2H+第一步的己糖激酶、6-磷酸果糖激酶和最后一步的丙酮酸激酶催化的是不可逆反应，为限速步骤。,4、糖酵解的调控,糖酵解代谢途径有三个关键酶，即己糖激酶（葡萄糖激酶）、磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶。糖酵解代谢途径的调节主要是通过各种变构剂对三个关键酶进行变构调节。,1）己糖激酶或葡萄糖激酶,葡萄糖激酶是肝脏调节葡萄糖吸收的主要的关键酶。,己糖激酶及葡萄糖激酶的变构剂,己糖激酶hexokinase,葡萄糖激酶glucokinase,G-6-P,长链脂酰CoA,2）6-磷酸果糖激酶-1,6-磷酸果糖激酶-1是调节糖酵解代谢途径流量的主要节点。,6-磷酸果糖激酶-16-phosphofructokinase-1,ATP柠檬酸,ADP、AMP1,6-二磷酸果糖2,6-二磷酸果糖,3）丙酮酸激酶,丙酮酸激酶pyruvate kinase,ATP丙氨酸(肝),1,6-二磷酸果糖,5、丙酮酸的去路,无氧条件下，丙酮酸还原态产物。不同的生物由于酶系不同，去路也不同：酵母菌的酒精发酵 甘油发酵：正常的，添加亚硫酸盐的，碱性条件下的 乳酸发酵有氧条件下，丙酮酸乙酰CoATCA循环，完全氧化分解,1）酵母菌的酒精发酵,2）添加亚硫酸盐的甘油发酵,由于NADH优先还原乙醛生成乙醇，因此若要积累甘油，需去除受氢体乙醛。,添加亚硫酸盐的甘油发酵,3）碱性条件下的甘油发酵,4）乳酸菌的同型乳酸发酵,6、糖酵解过程中的能量变化,从葡萄糖开始进行的糖酵解，净生成2个ATP：葡萄糖+2磷酸+2ADP+2NAD+2丙酮酸+2ATP+2H2O+2NADH+2H+；从糖原开始进行的糖酵解，每个Glc单位净生成3个ATP：6-P-葡萄糖+2磷酸+3ADP+2NAD+2丙酮酸+3ATP+2H2O+2NADH+2H+。在有氧条件下，糖酵解形成的2个(NADH+H+)，可由呼吸链氧化，以氧为最终受氢体（生成H2O），从而产生5个ATP；在无氧条件下，糖酵解形成的2个(NADH+H+)以丙酮酸或丙酮酸降解产物（乙醛等）为受氢体，产生乳酸或乙醇等，不产生ATP。,7、糖酵解的生理意义,1)在无氧和缺氧条件下，作为糖分解供能的补充途径。2)在有氧条件下，作为某些组织细胞主要的供能途径。糖酵解是生物界普遍存在的供能途径：酵解途径是单糖分解代谢的一条最重要的基本途径；在有氧条件下，少数组织以此获得一部分能量，如红细胞、表皮、视网膜等；在相对缺氧状态下，糖酵解过程加强，以获得所需的有限能量；酵解是单糖完全氧化（有氧条件下）分解成二氧化碳和水的必要准备阶段。,葡萄糖的有氧氧化,葡萄糖在有氧条件下彻底氧化，产生CO2和H2O，并释放出大量能量的过程称为糖的有氧氧化（呼吸作用）。该途径由糖酵解（EMP）、丙酮酸氧化脱羧、TCA循环、呼吸链水平氧化磷酸化四个代谢途径组成。第一阶段：葡萄糖2丙酮酸+4H+2个ATP，是在细胞液中进行的，这与糖的无氧酵解途径相同。第二阶段：丙酮酸+CoASH乙酰CoA+CO2+2H，是连接糖酵解和TCA循环的中心环节，由此反应进入线粒体中进行。第三阶段：乙酰CoA+3H2O2CO2+CoASH+8H及1个GTP，是主要的氧化产能途径。呼吸链水平氧化磷酸化：24H+6O212H2O及28个ATP，是共用的终端生物氧化产能途径。,三、丙酮酸氧化脱羧,丙酮酸氧化脱羧是在丙酮酸脱氢酶系催化下，使丙酮酸转变成乙酰CoA。这一过程可以看作是TCA循环的准备阶段。丙酮酸氧化脱羧的重要性糖有氧分解代谢中的一个重要阶段连接糖酵解途径和三羧酸循环的中心环节糖代谢、脂代谢、氨基酸代谢的重要联系点最具代表性的复合酶系,糖酵解,乙酰辅酶A,丙酮酸,三羧酸循环,连接糖酵解和三羧酸循环的中心环节,泛酸,巯基乙胺,腺苷-3-磷酸,焦磷酸,1、丙酮酸氧化脱羧的总体过程,丙酮酸(pyruvate)进入线粒体(mitochondrium)，在丙酮酸脱氢酶系(pyruvate dehydrogenase complex)的催化下，氧化脱羧生成乙酰CoA(acetyl CoA)。丙酮酸+HSCoA+NAD+乙酰-CoA+CO2+NADH+H+由一分子葡萄糖氧化分解可产生两分子丙酮酸，故可生成两分子乙酰CoA，两分子CO2和两分子（NADH+H+），可生成22.5分子ATP。此为不可逆反应；丙酮酸脱氢酶系是糖有氧氧化途径的关键酶之一。,丙酮酸进入线粒体,Glycolysis occurs in the cytosol of cells.Pyruvate enters the mitochondrion to be metabolized further.Mitochondrial matrix contains Pyruvate Dehydrogenase,enzymes of Krebs Cycle,and other pathways,e.g.,fatty acid oxidation&amino acid metabolism.Inner membrane contain constituents of the respiratory chain&ATP Synthase.,Pyruvate Dehydrogenase Reaction,Pyruvate Dehydrogenase,catalyzes oxidative decarboxylation of pyruvate,to form acetyl-CoA.,2、丙酮酸氧化脱羧的反应历程,丙酮酸脱氢酶系,NADH+H,NAD,+,+,CoA,1,丙酮酸,羟乙基,丙酮酸脱羧酶,硫辛酸,二氢硫辛酸乙酰转移酶,二氢硫辛酸脱氢酶(E3),乙酰二氢硫辛酸,二氢硫辛酸,(E1),2,(E2),3,4,5,TPP,乙酰-CoA,丙酮酸氧化脱羧的反应历程,丙酮酸脱羧：丙酮酸+TPP-E1羟乙基-TPP-E1+CO2羟乙基氧化并转移：羟乙基-TPP-E1+硫辛酸-E2乙酰二氢硫辛酸-E2+TPP-E1转酰基：乙酰二氢硫辛酸-E2+CoA乙酰CoA+二氢硫辛酸-E2二氢硫辛酸脱氢氧化：二氢硫辛酸-E2+FAD-E3硫辛酸-E2+FADH2-E3FADH2脱氢：FADH2-E3+NAD+FAD-E3+NADH+H+,3、丙酮酸脱氢酶系,丙酮酸脱氢酶系由三种酶单体构成：丙酮酸脱羧酶（E1），二氢硫辛酸乙酰基转移酶（E2），二氢硫辛酸脱氢酶（E3）。该多酶复合体有六种辅助因子：TPP，硫辛酸，NAD+，FAD，HSCoA和Mg2+。丙酮酸脱羧酶(E1)辅助因子：TPP二氢硫辛酸乙酰基转移酶(E2)核心酶 辅助因子：硫辛酸、乙酰辅酶A二氢硫辛酸脱氢酶(E3)辅助因子：FAD、NAD+、Mg2+,4、丙酮酸脱氢酶系催化作用模式,5、丙酮酸脱氢酶系的调控,丙酮酸脱氢酶催化的反应是糖代谢分支点上的关键步骤，对控制糖的有氧氧化代谢有重要的作用。该反应体系受到严格的调节控制。变构调节反馈抑制 丙酮酸脱氢酶系-变构酶 乙酰CoA（-）ATP（-）E1 E2 E3（-）NADH CoASH、NAD+可解除对酶系的反馈抑制,丙酮酸脱氢酶系的调控,共价修饰调节 ATP/ADP，乙酰CoA/CoASH，NADH/NAD+增高(+)丙酮酸脱羧酶E1-Ser 激酶 丙酮酸脱羧酶E1-Ser-P，有催化活性 磷酸酶 无催化活性(+)ATP低，丙酮酸高，Ca2+增加丙酮酸高可抑制E1的磷酸化。Ca2+高，能促进E1的去磷酸化。,丙酮酸氧化脱羧,6、丙酮酸的来路和去路（有氧）,甘油 丙酮酸的生成 丙酮酸的消耗 磷酸二羟丙酮 线粒体内 糖酵解 磷酸烯醇式丙酮酸 氨基酸合成 Tyr,Trp,Phe 糖酵解糖异生 葡萄糖 糖酵解 丙酮酸 氨基酸合成 Ala,Val,Leu 糖异生 氨基酸分解 草酰乙酸 乙酰辅酶A Ala,Gly,Ser,Cys,Trp,Thr 苹果酸,7、乙酰CoA的来路和去路,丙酮酸 氧化脱羧 Leu,Lys,Trp,Tyr,Phe 酮体 分解Ile 丙酮脂肪酸-氧化 乙酰CoA 缺草酰乙酸乙酰乙酰CoA-羟丁酸 丙二酸单酰CoA+琥珀酰CoA 乙酰乙酸 合成+草酰乙酸脂肪酸 糖异生 葡萄糖 TCA循环 乙酰CoA的生成 乙酰CoA的消耗 胞液内,8、乙酰辅酶A的功能,Acetyl CoA functions as:input to Krebs Cycle,where the acetate moiety is further degraded to CO2.donor of acetate for synthesis of fatty acids,ketone bodies,&cholesterol.,四、三羧酸循环(TCA循环),TCA循环以乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成含三个羧基的柠檬酸开始，故称三羧酸循环（Tricarboxylic acid cycle,TCA循环），又称柠檬酸循环或Krebs循环。柠檬酸的合成-酮戊二酸的形成琥珀酸的形成草酰乙酸的再生TCA循环在物质代谢和能量代谢中都很重要。TCA循环是糖、脂肪、氨基酸等营养物质的不完全降解产物最后集中彻底氧化分解的公共途径。,1、TCA循环的概念,TCA循环是指在线粒体中，乙酰CoA首先与草酰乙酸缩合生成柠檬酸，然后经过一系列的代谢反应，乙酰基被氧化分解，而草酰乙酸再生的循环反应过程。乙酰CoA+2H2O+3NAD+FAD+ADP+Pi 2CO2+3(NADH+H+)+FADH2+ATP+CoASH三羧酸循环在线粒体中进行。一分子乙酰CoA氧化分解后共可生成10分子ATP，故此阶段可生成210=20分子ATP。,2、TCA循环的特点,循环反应在线粒体(mitochondrium)中进行，为不可逆反应。每完成一次循环，氧化分解掉一分子乙酰基，可生成10分子ATP。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。三羧酸循环中有两次脱羧反应，生成两分子CO2。循环中有四次脱氢反应，生成三分子NADH和一分子FADH2。循环中有一次底物水平磷酸化，生成一分子GTP。三羧酸循环的关键酶是柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶系。,3、反应历程,三羧酸循环,Acetyl-CoA,H2O,CoASH,草酰乙酸,柠檬酸合成酶,柠檬酸,H2O,1,顺乌头酸酶,2,顺乌头酸,2 顺乌头酸酶,H2O,异柠檬酸,异柠檬酸脱氢酶,NAD,+,NADH+H,+,3,3,4 酮戊二酸脱氢酶,.,.,.,.,.,.,CoASH,NAD,NADH+H,+,+,5.琥珀酰CoA合成酶,琥珀酰CoA,GDP+Pi,GTP,CoASH,琥珀酸,.琥珀酸脱氢酶,FAD,FADH,2,延胡索酸,.延胡索酸酶,L-苹果酸,.苹果酸脱氢酶,H2O,NADH+H,NAD,+,CO2,CO2,草酰琥珀酸,-酮戊二酸,4,5,1）柠檬酸的合成,在柠檬酸合酶催化下，草酰乙酸与乙酰CoA反应，生成柠檬酸。The acetic acid subunit of acetyl CoA is combined with oxaloacetate to form a molecule of citrate.The acetyl coenzyme A acts only as a transporter of acetic acid from one enzyme to another.After Step 1,the coenzyme is released by hydrolysis so that it may combine with another acetic acid molecule to begin the Krebs cycle again.,柠檬酸合酶,+,H2O,HSCoA,柠檬酸的合成,柠檬酸的合成反应为TCA循环的第一个不可逆限速步骤，乙酰辅酶A的高能硫酯键水解释放的大量能量推动柠檬酸的合成。Go=-32.2kJ/mol,柠檬酸合酶,柠檬酸合酶是柠檬酸循环的特征性酶和限速酶。ATP，NADH，琥珀酰CoA，脂酰CoA抑制柠檬酸合酶。氟乙酸形成的氟乙酰CoA与草酰乙酸缩合可生成氟柠檬酸（致死性合成反应），它与乌头酸酶结合抑制柠檬酸循环。,2）-酮戊二酸的形成,柠檬酸异构化形成异柠檬酸异柠檬酸氧化脱羧形成-酮戊二酸,柠檬酸异构化,在顺乌头酸酶Aconitase(E.C.4.2.1.3)催化下，柠檬酸经顺乌头酸异构化成异柠檬酸。Go=+6.27kJ/molThe citric acid molecule undergoes an isomerization.A hydroxyl group and a hydrogen molecule are removed from the citrate structure in the form of water.The two carbons form a double bond until the water molecule is added back.Only now,the hydroxyl group and hydrogen molecule are reversed with respect to the original structure of the citrate molecule.Thus,isocitrate is formed.,顺乌头酸酶,异柠檬酸氧化,The isocitrate molecule is oxidized by a NAD molecule.The NAD molecule is reduced by the hydrogen atom and the hydroxyl group.The NAD binds with a hydrogen atom and carries off the other hydrogen atom leaving a carbonyl group.This structure is very unstable,so a molecule of CO2 is released creating alpha-ketoglutarate.Go=-7.1kJ/mol,NADH+H+CO2,NAD+,异柠檬酸脱氢酶,异柠檬酸脱氢酶,异柠檬酸脱氢酶催化的反应属于裂解反应，脱去了原来草酰乙酸上的羧基，反应生成的-酮戊二酸是碳、氮代谢的公共中间产物。此反应是TCA循环中的第一次氧化脱羧反应，也是第二个不可逆限速步骤。异柠檬酸脱氢酶是变构调节酶，该酶有两种同工酶。ADP别构激活异柠檬酸、Mg2+，NAD+，ADP具有正协同效应NADH，ATP为别构抑制物能荷低有利于反应进行该酶可被磷酸化而抑制植物中异柠檬酸也可裂解生成琥珀酸和乙醛酸,3）琥珀酸的形成,-酮戊二酸氧化脱羧形成琥珀酰-CoA琥珀酰-CoA转移高能硫酯键形成琥珀酸，并导致底物水平磷酸化,-酮戊二酸氧化脱羧,In this step,coenzyme A,returns to oxidize the alpha-ketoglutarate molecule.A molecule of NAD is reduced again to form NADH and leaves with another hydrogen.This instability causes a carbonyl group to be released as carbon dioxide and a thioester bond is formed in its place between the former alpha-ketoglutarate and coenzyme A to create a molecule of succinyl-coenzyme A complex.Go=-33.2kJ/mol,NAD+HSCoA,NADH+H+CO2,-酮戊二酸脱氢酶系,-酮戊二酸氧化脱羧,-酮戊二酸脱氢酶复合体催化形成琥珀酰CoA，有三个作用：驱使NAD+还原，促使反应向氧化方向进行并大量放能，相当的能量以琥珀酰CoA高能键贮存起来，此高能硫酯键可用于下步的底物水平磷酸化。琥珀酰辅酶A性质活泼，可与甘氨酸合成卟啉环，进而合成血红素、叶绿素、细胞色素等。此反应是TCA循环中的第二次氧化脱羧反应，也是第三个不可逆限速反应。在以上四种酶的作用下，与乙酰CoA等量的碳原子都以CO2形式释放出来了（依次为草酰乙酸上的两个羧基）。,-酮戊二酸脱氢酶复合体,-酮戊二酸脱氢酶复合体与丙酮酸脱氢酶复合体非常相似，也由三种酶蛋白和六种辅助因子（TPP，硫辛酸，CoA，FAD，NAD+，Mg2+）组成。-酮戊二酸脱氢酶复合体的E1、E2与丙酮酸脱氢酶复合体的E1、E2不同，分别为-酮戊二酸脱羧酶分子（12个），转琥珀酰基酶分子（24个）；而E3（12个二氢硫辛酸脱氢酶）及六个辅助因子（TPP、CoASH、硫辛酸、NAD+、FAD、Mg2+）与丙酮酸脱氢酶复合体完全相同。-酮戊二酸脱氢酶复合体的催化作用机制也与丙酮酸脱氢酶复合体相似。,底物磷酸化,A water molecule sheds its hydrogen atoms to coenzyme A.Then,a free-floating phosphate group displaces coenzyme A and forms a bond with the succinyl complex.The phosphate is then transferred to a molecule of GDP to produce an energy molecule of GTP.It leaves behind a molecule of succinate.这是TCA循环中唯一一步底物水平磷酸化反应，它是前一步反应生成的高能键的能量转移反应。Go=-2.9kJ/mol琥珀酸分子对称以后几步各反应部位具有同等几率。,GDP+Pi,GTP,琥珀酰CoA合成酶,4）草酰乙酸的再生,琥珀酸脱氢形成延胡索酸延胡索酸加水形成苹果酸苹果酸脱氢形成草酰乙酸,琥珀酸脱氢,In this step,succinate is oxidized by a molecule of FAD(Flavin adenine dinucleotide).The FAD removes two hydrogen atoms from the succinate and forces a double bond to form between the two carbon atoms,thus creating fumarate.Go0kJ/mol此反应是TCA循环中的第三次脱氢反应。丙二酸与琥珀酸结构相似，是很强的竞争性抑制剂。,FADH2,FAD,琥珀酸脱氢酶,苹果酸形成,An enzyme adds water to the fumarate molecule to form malate.The malate is created by adding one hydrogen atom to a carbon atom and then adding a hydroxyl group to a carbon next to a terminal carbonyl group.Go0kJ/mol,延胡索酸酶,H2O,苹果酸脱氢,In this final step,the malate molecule is oxidized by a NAD molecule.The carbon that carried the hydroxyl group is now converted into a carbonyl group.The end product is oxaloacetate which can then combine with acetyl-coenzyme A and begin the Krebs cycle all over again.Go=+29.7kJ/mol此反应是TCA循环的最后一步反应，也是第四次脱氢反应，经过这一步又回到了草酰乙酸分子。,苹果酸脱氢酶,NAD+,NADH+H+,In summary,In summary,three major events occur during the Krebs cycle.One GTP(guanosine triphosphate)is produced which eventually donates a phosphate group to ADP to form