《柠檬酸循环》PPT课件.ppt

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1、1,LW-1,柠檬酸循环Citric Acid Cycle(TCA),乙酰-CoA的生成 柠檬酸循环反应 柠檬酸循环的调节 乙醛酸循环,-有氧代谢的枢纽,-分解、合成两用途径,线粒体基质中发生的、将乙酰-CoA的2C最终氧化生成CO2的一系列反应,NP in Phys/Med 1953 for his discovery of the citric acid cycle,2,16-1,细胞呼吸的三个主要阶段,乙酰-CoA生成-胞液/线粒体,乙酰-CoA氧化(柠檬酸循环)-线粒体基质(真核类)-胞液(原核类),电子传递&氧化磷酸化-线粒体内膜(真核类)-质膜(原核类),3,酵解产生的丙酮酸首先要

2、被转运进线粒体内，然后才能被其脱氢酶系氧化脱羧而转换成乙酰-CoA(but not for those produced by FA or AA),qh9-3a,真核生物的柠檬酸循环 酶系分布在线粒体基质,4,16-2,1.乙酰-CoA的生成,总反应=丙酮酸在线粒体内的 不可逆氧化脱羧,丙酮酸脱氢酶复合体(PDH),5,16-4,-硫辛酰基的氧化态-还原态 互变可用作H或酰基载体-砷酸盐有毒：与之共价结合 而阻断还原态-氧化态互变,丙酮酸脱氢酶复合体(PDH=3 enzymes+5 cofactors)E1:丙酮酸脱氢酶 硫胺素焦磷酸(TPP)E2:二氢硫辛酰转乙酰基酶 硫辛酸,辅酶A(CoA

3、)E3:二氢硫辛酰脱氢酶 FAD,NAD+,硫辛酸与E2-Lys共价结合,6,G18.17/18,硫胺素焦磷酸是维生素B1衍生物,乙酰乳酸,丙酮酸,乙醛,-裂解,-缩合,噻唑环,嘧啶环,易失去而形成高反应活性的负碳离子,(cf.Fig.10-9),复习,7,巯基乙胺(酰化/去酰化部位),泛酸(B3),3-P-ADP酯,CoA是泛酸衍生物,G18.23,CoA酰化形成的硫酯键为高能键，在亲核攻击下要比氧酯更容易将酰基转移,磷酸泛酰巯基乙胺,通常用作酰基载体参与反应(活化酰基),(pantos=everywhere),*Deficiencies are only for severe malnut

4、rition,(cf.Fig.11-4),复习,8,16-5,PDH结构(牛肾细胞),60 E2=20 trimers,-各酶拷贝数及复合体 大小随物种不同而异,E.coli:24 E124 E212 E3,自学,9,16-6,PDH作用机制,乙酰基转酯生成 乙酰-CoA和完全 还原态硫辛酰基,-为下一轮反应再生出氧化态硫辛酰基，并将底物的2e传递给NAD+,羟乙基氧化为乙酰基，由半还原态硫辛酰基携带，为活化态乙酰基硫酯(氧化能驱动高能乙酰硫酯的形成),丙酮酸脱羧生成羟乙基-TPP(限速),substrate channeling,(cf.Fig.11-1),10,TPPs role in p

5、yruvate decarboxylation,TPP负碳离子对丙酮酸的羰基C发动亲核攻击(羰基加成),脱羧化形成的负离子可经由噻唑环共振稳定,质子化形成的羟乙基TPP经由碱催化而断裂释出乙醛，随即经酸催化返回TPP,去质子化成TPP负碳离子,(cf.p304&Fig.10-10),复习,11,小结：乙酰-CoA生成,LW-2,-在丙酮酸脱氢酶复合体的催化下，糖酵解产生的丙酮酸 被转化成乙酰-CoA，是为柠檬酸循环的起始底物,-PDH复合体由三种酶的多份拷贝组成：丙酮酸脱氢酶E1(+TPP)，二氢硫辛酰转乙酰基酶E2(+硫辛酸和CoA)，以及二氢硫辛酰脱氢酶E3(+FAD和NAD+),-E1先

6、催化丙酮酸脱羧生成羟乙基-TPP，然后将羟乙基 氧化成乙酰基，移除的e将结合在E2上的硫辛酰-S-S-还原，并将乙酰基在两个-SH之一上酯化成硫酯,-E2催化乙酰基转酯给CoA而生成乙酰-CoA,-E3催化硫辛酰氧化态二硫桥的再生，e则依次传递给 FAD和NAD+,12,4C,缩合,6C,2C,氧化脱羧,5C,氧化脱羧,4C,=八步酶促反应-四步氧化反应将能量高效 储存在NADH和FADH2中,底物水平磷酸化,P30-11,2.柠檬酸循环,异构(脱水-水合),脱氢,水合,脱氢,再生草酰乙酸,在该酶系反应中 底物(被消耗)辅助因子(可再生),13,P30-12,反应 乙酰-CoA与草酰乙酸缩合成

7、柠檬酸,-柠檬酸合酶-乙酰基甲基C与草酰 乙酸C2羰基缩合-生成酶结合中间物 柠檬酰-CoA,Pro-C*,14,16-9,The mechanism for citrate synthase reactionEssentially a Claisen condensation,involving a thioester(acetyl-CoA)&a ketone(oxaloacetate),H2O,CoA,自学,(cf.Fig.11-6),15,P30-13,-乌头酸酶(乌头酸水合酶)-反应=脱水+水合-净效应=H与OH互换(for a new carbonyl group:3rd 2nd a

8、lcohol),反应 柠檬酸经由顺-乌头酸异构化成异柠檬酸,less than 10%at pH 7.4&25,因异柠檬酸被快速消耗而使该反应能正向进行,Pro-C*,16,16-10,iron-sulfur center in aconitase Role=both in binding of substrate at active site&in catalytic addition or removal of H2O,*,prochiral C,but aconitase can identify its two different carboxymetheyl groups,helpf

9、ul for putting citrate in active site,自学,(cf.p311 for KDHsreaction&Fig.11-7),17,P30-14,反应 异柠檬酸氧化脱羧成-酮戊二酸,-异柠檬酸脱氢酶-1st次脱氢(NADH)-1st次(氧化)脱羧,NADP依赖性酶主要分布于胞液,18,P30-15,-酮戊二酸脱氢酶(KDH,PDH in Fig.11-1)-2nd次脱氢(NADH)-2nd次(氧化)脱羧-酮戊二酸氧化的能量部分被储存于琥珀酰-CoA的硫酯键中,反应-酮戊二酸氧化脱羧成琥珀酰-CoA,(KDH),19,P30-16,-琥珀酰-CoA合成酶(琥珀酸硫激酶

10、)-硫酯键的断裂被用于驱动GTP(animal)或ATP中磷酸酐键的形成=以NTP形式保存能量的底物水平磷酸化,反应 琥珀酰-CoA转化成琥珀酸,尽管其-磷酰基很容易转移给ADP以形成ATP，但其主要功能还是用作蛋白质合成中的磷酰基供体,20,16-12,琥珀酰-CoA合成酶反应机制,A phosphoryl group replaces CoA in succinyl-CoA bound to enzyme,forming a high-energy acyl phosphate,Succinyl phosphate donates its phosphoryl group to enzym

11、es His246,forming a high-energy phosphohistidyl enzyme,The phosphoryl group is transferred from His246 to GDP/ADP,forming GTP/ATP.,琥珀酰-P-E,磷酰-His-E,自学,磷酸解,(cf.Fig.11-8),21,P30-17a,-琥珀酸脱氢酶-该循环中惟一(共价)结合在线粒体 内膜或质膜上的酶，具有3个Fe-S 中心簇和1个共价结合的FAD-3rd次脱氢(FADH2),反应 琥珀酸氧化成延胡索酸,(with stronger oxidant FAD),22,p61

12、2b,反应 延胡索酸水合生成L-苹果酸,-延胡索酸(水合)酶-反式双键水合=反式添加OH和H+,马来酸(顺丁烯二酸),负碳离子转化态,该酶具有高度立体特异性,23,Two possible mechanisms for the fumarase reaction,18O exchange experiment proved this is the true story,G20.18,protonation of double bond to form an intermediate carbonium ion,-正碳离子机制,-负碳离子机制,attacked by H2O or OH to g

13、ive a carbanion,followed by protonation,复习,24,P30-18,-苹果酸脱氢酶-虽然平衡大大有利于逆行，但由于草酰乙酸持续被高度放能的 柠檬酸合酶反应所移除，该反应在完整细胞中仍为正向进行-4th次脱氢(NADH),反应 L-苹果酸氧化成草酰乙酸,OAA 106M,25,16-13,柠檬酸循环结算,总反应：Acetyl CoA+3 NAD+FAD+GDP+Pi+2 H2O,2 CO2+3 NADH+3 H+FADH2+GTP+CoA,相当于,26,t16-1,葡萄糖有氧氧化全程中的辅酶还原及ATP生成总结算(cf.Tab.11-2),27,H12.5,

14、The plane of symmetry of succinate means that the 2 halves of the molecule are chemically equivalent;thus,carbon atoms from acetyl CoA are uniformly distributed in the 4-C intermediates leading to oxaloacetate.Carbon atoms from acetyl CoA that enter in one turn of the cycle are thus lost as CO2 only

15、 in the 2nd and subsequent turns.,柠檬酸循环,每轮循环中释出的并非该轮反应 开始时以乙酰基形式进入的2C,自学,(cf.p315),28,20-5(3rd),通过TCA循环后总会有2C以CO2的形式脱下，不能净产生草酰乙酸,无论其来源如何，乙酰-CoA都不能在动物体内用作为糖异生的前体,29,16-15,回补反应可以补充 柠檬酸循环中间物,-各中间物被合成途径 抽调用作前体的速率 一般与回补速率处于 动态平衡,-脊椎类肝、肾的主要 回补反应为丙酮酸羧 化(乙酰-CoA可别构 激活该酶TCA加速),Anaplerotic Reactions,(cf.p317),

16、(cf.Fig.11-10),30,16-16,丙酮酸羧化酶作用机制(辅基生物素=1C载体),-1st阶段()碳酸氢盐在活性 位点1被活化为 CO2并用于使生 物素羧化,-2nd阶段()CO2在活性位点2 被重新释出并与 丙酮酸缩合成草 酰乙酸,Avidin可与之结合而阻断其吸收,复习,31,LW-3,小结：柠檬酸循环,-该循环是一种几乎存在于所有物种的中心异化途径，其酶系在真核和原核类分别位于线粒体和胞液中；糖、脂及蛋白降解而得的各种化合物都能通过该途径 最终氧化成CO2,-循环由八步连续反应组成：从乙酰-CoA与草酰乙酸 缩合成柠檬酸开始，逐步将其转化回草酰乙酸，期间 经由两步氧化脱羧释出

17、 2CO2；乙酰基氧化释放出的 能量分别储存于 3 NADH、1 FADH2和 1 GTP/ATP,-该循环为异化/同化两用途径：任何可以转化成循环中 4C/5C中间物的化合物都能经由该循环被氧化，而各 中间物亦可用作多种生物合成的反应前体；由丙酮酸 羧化酶等催化的填补反应可以补充被调用的中间物,32,16-18,通过对丙酮酸脱氢酶复 合体的别构抑制和激活 以调控进入循环的 乙酰-CoA流量,循环酶系的产物抑制，主要为三步高放能反应：-柠檬酸合酶-异柠檬酸脱氢酶-酮戊二酸脱氢酶复合体,(cf.p320&Fig.11-12),3.柠檬酸循环的调节,提供最适ATP&NADH,33,G20.28,=

18、植物和细菌中的柠檬酸循环支路,净转化：2 乙酰-CoA+NAD+琥珀酸+2 CoA+NADH+H+,(4C),1st个乙酰-CoA,2nd个乙酰-CoA,苹果酸合酶,异柠檬酸裂合酶,乙醛酸,脊椎动物缺乏,-乙酸盐在植物、某些 低等无脊椎动物和微 生物中既可用作富能 燃料，亦可用作糖类 合成所必需的PEP源,(cf.Fig.11-11),4.乙醛酸循环,34,乙醛酸循环与柠檬酸 循环之间的相关联系,-通过绕行柠檬酸循环中 两步脱羧反应，乙醛酸 循环可由 2 乙酰-CoA 净得 1 琥珀酸/草酰乙酸,-经由琥珀酸在这两个 循环间的中介，植物 即可将脂肪氧化产物 转化为糖类(involving 4

19、metabolic pathways),16-22,germinating cucumber seed,35,LW-4,小结：乙醛酸循环,-乙醛酸循环活跃发生在植物的萌发种子和某些 微生物中，后者能以乙酸盐作为其惟一碳源；该循环在植物中位于乙醛酸循环体内，涉及到 柠檬酸循环中的几种酶以及两种特殊的酶：异柠檬酸裂合酶和苹果酸合酶,-通过绕行柠檬酸循环中的两步脱羧反应，该循环 使得从乙酰-CoA净合成琥珀酸、草酰乙酸等成为 可能，并进而经由糖异生合成Glc,-由于缺乏乙醛酸循环中的关键酶，脊椎动物不能 以乙酸盐或能转化成乙酰-CoA的FA合成Glc,36,复习题(p120127),一、选择 4,7,11,13,16,21,30,38,40,49,58二、名词解释 1114三、判断 1,46,19,22,26,31,37,38四、问答 2,68,16,19,25,28,29,32,36,总结柠檬酸循环在机体代谢中的作用和地位虽然所有生物都能利用3C和4C前体分子进行生物合成，但哺乳动物却不能像细菌那样利用2C的乙酸(盐)生长，试解释之。虽然氧并不以底物或产物的形式参与柠檬酸循环，为什么O2的低水平会导致该循环减速进行？,作业,