第23章柠檬酸循环.ppt

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1、第23章 柠檬酸循环,(Citric acid cycle),Tricarboxylic acid cycle,糖酵解是无氧和有氧两条产能途径的共同起始通路,细胞质,线粒体,酵解过程,发酵过程,柠檬酸循环,德国科学家Hans Krebs 1937年提出，1953年获得诺贝尔奖，并被称为柠檬酸循环之父。,TCA循环的发现,在有氧条件下，糖酵解途径产生的丙酮酸进入线粒体，先转变成乙酰CoA，乙酰CoA再进入柠檬酸循环彻底氧化成CO2。在真核细胞中，柠檬酸循环是在线粒体中进行的。丙酮酸的有氧氧化包括两个部分：柠檬酸循环氧化磷酸化,三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA

2、循环or Krebs循环),糖的有氧氧化的三个步骤,1、葡萄糖氧化分解成丙酮酸（即糖酵解，细胞质中进行）,2、丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA（线粒体中进行）（丙酮酸 乙酰辅酶A，简写为乙酰CoA）,3、乙酰CoA进入TCA循环（线粒体中进行）三羧酸循环（乙酰CoA H2O 和CO2，释放出能量）,一、丙酮酸进入柠檬酸循环的准备阶段形成乙酰CoA,丙酮酸到乙酰CoA的总反应式,丙酮酸脱氢酶复合体分4步反应进行,丙酮酸脱氢酶复合体的组成,三种酶 六种辅基：CoA、NAD+、Mg2+,硫胺素焦磷酸：thiamine pyrophosphate，TPP硫辛酰胺：lipoamide黄素腺嘌呤二核苷酸：fl

3、avin adenine dinucleotide，FAD,丙酮酸转变为乙酰CoA的反应步骤,1、丙酮酸脱羧反应,E1,1）丙酮酸 TPP 丙酮酸-TPP加成化合物,丙酮酸-TPP加成化合物 羟乙基-TPP共振形式,脱羧,2）羟乙基-TPP 硫辛酰胺,乙酰二氢硫辛酰胺 TPP-E1,E2,羟乙基-TPP-硫辛酰胺-E2,氧化,乙酰基,乙酰二氢硫辛酰胺 乙酰CoA 二氢硫辛酰胺-E2,2、乙酰基转移到CoA分子上形成乙酰CoA,转乙酰基,3、还原型E2被氧化反应,氧化型E3 还原型E2 还原型E3 氧化型E2,还原型E3 还原型E3 氧化型E3,E3,4、还原型E3再氧化,氧化,丙酮酸脱氢酶复合

4、体结构,由60条肽链组成，总分子量为50,000kD，直径约30nm，在电子显微镜下可以看到它是一个多面体结构。,E2是复合体的核心：8个三聚体组成，共24条肽链，形成一个中空的立方体。有一个由赖氨酸残基与硫辛酰胺相连的长臂，这个长臂伸长后可达1.4nm，它具有极大的转动灵活性，可将底物从一个酶转送到另一个酶。E1及E3结合在E2的外面：E1有24条肽链，E3有12条肽链,硫辛酰赖氨酰臂中间产物在氨基酸臂的作用下快速准确的到达酶催化中心,丙酮酸转变为乙酰CoA的总图,丙酮酸脱氢酶复合体的调控,丙酮酸脱氢酶复合体催化的反应是哺乳动物体内使丙酮酸转变为乙酰CoA的唯一途径。乙酰CoA既是柠檬酸循环

5、的入口，又是脂类生物合成的起始物质。1产物控制乙酰CoA竞争性抑制E2NADH竞争性抑制E32磷酸化和去磷酸化的调控 E2分子上结合着两种特殊的酶，一种是激酶，另一种是磷酸酶，它们分别使E1磷酸化和去磷酸化，去磷酸化形式是E1的活性形式。,*砷化物对硫辛酰胺的毒害作用,*用于治疗锥虫病、梅毒、白血病,二、柠檬酸循环概貌,琥珀酸脱氢酶,柠檬酸合酶,乌头酸酶,异柠檬酸脱氢酶,酮戊二酸脱氢酶,琥珀酰-CoA合成酶,延胡索酸酶,L苹果酸脱氢酶,三、柠檬酸循环的反应机制,草酰乙酸与乙酰CoA缩合形成柠檬酸,草酰乙酸 乙酰CoA,柠檬酰CoA,柠檬酸,CoA,柠檬酸合酶,1,1,2,2,1,2,哺乳动物体

6、内柠檬酸合成酶以二聚体形式存在，形成一个深缝，其中含一个草酰乙酸结合位点。当草酰乙酸与结合位点结合后使亚基转向，酶分子的裂缝合拢，暴露出乙酰CoA结合位点。,柠檬酸合成酶的单聚体形式，绿色原子为柠檬酸，粉色原子为CoA,柠檬酸合成酶的诱导契合机制,柠檬酸合酶是TCA循环的限速酶。柠檬酸合酶的调控其活性受1、ATP、NADH：变构抑制2、琥珀酰CoA、酯酰CoA、丙酮酰CoA：竞争抑制。由氟乙酸形成的氟乙酰CoA可被柠檬酸合酶催化形成氟柠檬酸，取代柠檬酸结合到顺乌头酸酶活性部位上，抑制下一步反应，这一过程称为致死性合成反应。杀虫剂、鼠药、有毒树叶,氟乙酸,柠檬酸异构化形成异柠檬酸,柠檬酸 顺乌头

7、酸 异柠檬酸 90 4 6,乌头酸酶,乌头酸酶,2,2,2,1,1,1,柠檬酸（叔醇）异构化形成异柠檬酸（仲醇），更容易被氧化。,标准状态,乌头酸酶中的Fe-S聚簇（中心）,含有这类结构的蛋白质称为铁硫蛋白,4个铁原子4个无机硫4个Cys,1,2,1,2,异柠檬酸氧化形成-酮戊二酸,三羧酸循环中第一次氧化脱羧作用（脱羧反应）,异柠檬酸脱氢酶的调控,异柠檬酸脱氢酶是一个变构调节酶，其活性受ADP和NAD+的变构激活，受ATP和NADH的变构抑制。异柠檬酸脱氢酶可被Mg2+、Mn2+、活化。NAD+、Mg2+和ADP有协同作用。总之，细胞在具有高能状态时酶活性被抑制;在低能状态时酶活性被激活.,异

8、柠檬酸的分支途径,在植物和有些细菌中发生，当需要能量时，进行氧化反应生成-酮戊二酸；当能量储备充分时：,乙醛酸途径,酮戊二酸氧化脱羧形成琥珀酰CoA,三羧酸循环中第二次氧化脱羧作用驱使NAD+还原不可逆反应，使TCA向氧化方向进行并大量释放能量释放的能量主要以琥珀酰CoA的高能硫酯键形式保存,-酮戊二酸脱氢酶复合体,三种酶 六种辅基：CoA、NAD+、Mg2+,和丙酮酸脱氢酶复合物中的E3是同一酶,1产物控制琥珀酰CoA竞争性抑制E2NADH竞争性抑制E32高能荷抑制ATP，GTP可反馈抑制酶的活性。3不受磷酸化和去磷酸化的调控,酮戊二酸脱氢酶复合体的调控,琥珀酰CoA转化成琥珀酸,琥珀酰Co

9、A合成酶也称琥珀酰硫激酶（催化逆反应）TCA中唯一直接产生高能磷酸键的步骤：底物水平磷酸化 哺乳动物：GTP 植物和细菌：ATP。GTP在蛋白质的生物合成中起磷酰基供体及激活信号蛋白的作用，也可以与ADP磷酸化生成ATP相偶联产生能量。,琥珀酸脱氢形成延胡索酸,琥珀酸脱氢酶,琥珀酸 延胡索酸,TCA中第三步氧化还原反应 琥珀酸脱氢酶是三羧酸循环中唯一掺入线粒体内膜的酶，直接与呼吸链联系。,琥珀酸脱氢酶的铁硫聚簇,FAD和琥珀酸脱氢酶的共价结合,琥珀酸脱氢酶具有严格的立体专一性。延胡索酸是反丁烯二酸，而不是顺丁烯二酸(马来酸)，后者不能参加代谢，对有机体有毒性。,延胡索酸,马来酸,丙二酸、戊二酸

10、是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂,延胡索酸水合形成L-苹果酸,延胡索酸酶具有很高的立体专一性。它只作用于延胡索酸，从双键的相反方向加OH和H，生成L-苹果酸，或者催化其逆反应，L-苹果酸脱水变成延胡索酸。该酶不能催化顺丁烯二酸加水变成苹果酸，也不能催化D-苹果酸的脱水反应。,L-苹果酸脱氢形成草酰乙酸,三羧酸循环中第4次氧化还原反应Go+29.7 kJ/mol，在热力学上不利于草酰乙酸的生成，而有利于逆向反应。因此，草酰乙酸在细胞内的浓度是很低的。在细胞内，不利于草酰乙酸生成的反应可以被TCA的第一步反应所推动，向有利于草酰乙酸生成的方向进行。,草酰乙酸,柠檬酸,异柠檬酸,a-酮戊二酸,琥珀酰辅酶

11、A,琥珀酸,延胡索酸,苹果酸,乙酰辅酶A,三羧酸循环的过程,TCA经四次氧化，二次脱羧，通过一个循环，可以认为乙酰CoA,四、柠檬酸循环的化学总结算,乙酰CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+3NADH+3H+FADH2+GTP+CoA,柠檬酸循环的总反应式,*表明TCA循环每循环一次，只有一分子的乙酰CoA被氧化，所有TCA中间物并不因参加反应而有所增减。,ATP的产量,从丙酮酸开始，柠檬酸循环中循环一圈，共产生4个NADH，1个FADH2，1个GTP（ATP），按每个NADH可以产生2.5个ATP、每个FADH2可以产生1.5个ATP计算，共产生:2.54（NADH）

12、+1.51（FADH2）+1（GTP）=12.5 个ATP 每个葡萄糖分子（2个丙酮酸）在进入柠檬酸循环后可以产生25个ATP。每个葡萄糖分子在糖酵解中可以产生2个ATP和2个NADH，共产生 2（ATP）+2.52（NADH）=7个ATP 每个葡萄糖分子彻底氧化后共产生32个ATP。,糖酵解+三羧酸循环的效率,1摩尔的葡萄糖完全氧化可产生2867kJ的能量，若按每摩尔的ADP磷酸化需要30.5kJ的能量计储能效率=32 30.5/2867=34%比世界上任何一部热机的效率都高！提问：其余能量何处去？答案：以热量形式。一部分维持体温，一部分散失。,五、柠檬酸循环的调控,在柠檬酸循环中，虽然有8

13、种酶参加反应，但在调节循环速度中起关键作用的是3种酶：柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和酮戊二酸脱氢酶复合体。其调控可以分为两个方面：柠檬酸循环本身各种物质对酶活性的调控；ADP、ATP和Ca2+的调控。,柠檬酸循环本身制约系统的调节,1乙酰CoA和草酰乙酸的供应情况。乙酰CoA来源于丙酮酸，受到丙酮酸脱氢酶复合体活性的控制；草酰乙酸的供应取决于循环是否运行畅通，以及中间产物离开循环的速率和补充的速率。2NADH/NAD+的比值。柠檬酸合酶和异柠檬酸脱氢酶都受到NADH的抑制，但异柠檬酸脱氢酶对NADH更为敏感。酮戊二酸脱氢酶复合体也受NADH的抑制。3产物的反馈抑制。柠檬酸合酶受高浓度柠檬酸的抑制

14、；酮戊二酸脱氢酶复合体受琥珀酰CoA的抑制。,go,ATP、ADP和Ca2+对柠檬酸循环的调节,1ATP/ADP的比值。ATP/ADP的比值对柠檬酸循环中的酶有调节作用，ADP是异柠檬酸脱氢酶的别构促进剂，可降低该酶的Km值，促进酶与底物的结合；而ATP抑制该酶。2Ca2+浓度。Ca2+可激活丙酮酸脱氢酶的磷酸酶，使丙酮酸脱氢酶去磷酸化而活化，从而增加乙酰CoA的供应。同时Ca2+也能激活异柠檬酸脱氢酶和酮戊二酸脱氢酶。,乙酰CoA形成和柠檬酸循环中的激活和抑制部位示意图,激活,抑制,反馈抑制,六、柠檬酸循环的双重作用,柠檬酸循环是新陈代谢的中心环节。,是有机体获得生命活动所需能量的主要途径形

15、成多种重要的中间产物，是糖、脂、蛋白质等物质代谢和转化的中心枢纽,既是“焚烧炉又是百宝库”,柠檬酸循环中间产物是生物合成的前体,直接利用柠檬酸循环中间产物的生物合成途径：葡萄糖生物合成（糖异生）脂类的生物合成：脂肪酸和胆固醇氨基酸的生物合成卟啉类的生物合成：卟啉的主要碳原子来自琥珀酰CoA,柠檬酸循环双重作用示意图,分解代谢和合成代谢双重作用,柠檬酸循环的填补反应,三羧酸循环由于参与其他代谢途径而失去的中间产物必须及时补充，才能维持三羧酸循环的正常进行。对柠檬酸循环中间产物有补充作用的反应称为三羧酸循环的回补反应。,产生草酰乙酸的3个途径,1）丙酮酸在丙酮酸羧化酶(pyruvate carboxylase)催化下形成草酰乙酸，需要生物素为辅酶（biotin-dependent）。草酰乙酸不足会引起乙酰CoA水平增高。乙酰CoA可激活丙酮酸羧化酶，产生更多的草酰乙酸。,2）磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶的催化下形成草酰乙酸。3）天冬氨酸及谷氨酸的转氨作用可以形成草酰乙酸和a酮戊二酸。,糖与氨基酸、脂肪代谢的联系,