第20章柠檬酸循环分析解析

第20章柠檬酸循环胞液线粒体GG-6-PPAPA乙酰CoAO2O2O2H++eO2H2OCO2糖的有氧氧化（aerobicoxidation）•反应过程：糖有氧氧化的反应过程分三个阶段：–糖酵解途径：葡萄糖丙酮酸–丙酮酸乙酰CoA–三羧酸循环和氧化磷酸化柠檬酸循环（CitricAcidCycle)三羧酸循环（TricarboxylicAcidCycle）Krebs循环•在好氧真核生物线粒体基质或好氧原核生物细胞质中，酵解产物丙酮酸脱羧、脱氢，彻底氧化为CO2、H2O并产生ATP的过程。原核细胞细胞质真核生物线粒体基质（线粒体）一、丙酮酸氧化脱羧形成乙酰-CoAPyruvateIsOxidizedtoAcetyl-CoAandCO2丙酮酸脱氢酶系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：丙酮酸+CoA+NAD+乙酰CoA+C2O+NADH+H+反应不可逆，分5步进行，由丙酮酸脱氢酶复合体催化。丙酮酸脱氢酶复合体是一个十分大的多酶复合体，包括丙酮酸脱氢酶E1、二氢硫辛酸乙酰转移酶E2、二氢硫辛酸脱氢酶E3三种不同的酶及焦磷酸硫胺素(TPP)、硫辛酸，FAD,NAD+,CoA及Mg2+六种辅助因子组装而成。多酶复合体位于线粒体内原核细胞在胞液中三种酶六种辅助因子E1-丙酮酸脱氢／羧酶（组分）E2-二氢硫辛酰转乙酰基酶E3-二氢硫辛酸脱氢酶TPP、硫辛酸、CoA-SH、FAD、NAD+、Mg2+丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶复合体E2E3E1三种酶60条肽链形成的复合体八聚体乙酰CoAAMP泛酸β-巯基乙胺乙酰CoA222O2CH223OOHCH3-2OH--OCOCHCHNHCOCHCCHPOPOCHNHCHSCCH3CHOOOOONNNNNHOPOO硫辛酸：SH2CCH2CHS(CH2)4COOH硫辛酰胺辅基硫辛酰赖氨酰臂砷化物共价结合-毒害作用功能——脱羧酶辅酶将底物移入（出）脱羧酶的活性中心。+TPP的作用Ⅰ.丙酮酸脱氢酶复合体E2E3E1三种酶60条肽链形成的复合体CO2CH3OCOOCTPPCH3CHOHTPPS(CH2)4COOSOCH3CS(CH2)4COOSH--SH(CH2)4COOSH-FADH2FADNADNADH+H++SCoACH3CSCoAOHH乙酰二氢硫辛酸硫辛酸乙酰转移酶硫辛酸二氢硫辛酸丙酮酸脱羧酶二氢硫辛酸脱氢酶丙酮酸乙酰CoAE1E3E2E2～形成酶复合体有什么好处呢？CO2CH3OCOOCTPPCH3CHOHTPPS(CH2)4COSOCH3CS(CH2)4COSHSH(CH2)4COSHFADH2FADNADNADH+H++SCoACH3CSCoAOHH乙酰二氢硫辛酸硫辛酸乙酰转移酶硫辛酸二氢硫辛酸丙酮酸脱羧酶二氢硫辛酸脱氢酶丙酮酸乙酰CoAE1E3E2E2NHNHNH多肽链中间产物在氨基酸臂作用下进入酶活性中心快速准确！丙酮酸氧化脱羧的调控由丙酮酸到乙酰CoA是一个重要步骤，处于代谢途径的分支点，所以此体系受到严密的调节控制：1、产物抑制：乙酰CoA抑制乙酰转移酶E2组分，NADH抑制二氢硫辛酸脱氢酶E3组分。抑制效应被CoA和NAD+逆转。2、核苷酸反馈调节：丙酮酸脱氢酶E1受GTP抑制，被AMP活化。3、砷化物与E2中的辅基硫辛酰胺形成无催化能力的砷化物。4、可逆磷酸化作用的调节：丙酮酸脱氢酶E1的磷酸化状态无活性，反之有活性。5、Ca2+激活二、柠檬酸循环概貌CitricAcidCycle•(4)(7)(8)(10)CH3COCOOHNAD+NADH+H+CoASHCO2CH3CO~SCoAOCCOOHCH2COOHCH2COOHC(OH)COOHCH2COOHCH2COOHCHCOOHCH(OH)COOHNAD(P)NAD(P)H+HCH2COOHCHCOOHCOCOOHCH2COOHCH2COCOOHNADH+HNADNADH+H++CO~SCoACH2CH2COOHGDP+PiGTPCoASHH2OCH2COOHCH2COOHFADH2FADCHCOOHCHCOOHHOCCOOHCH2COOHH+NAD+CO2++CoASHH2OCoASHCO2丙酮酸乙酰CoA(2)(1)(7)(8)(9)(10)(5)(6)(3)(4)柠檬酸异柠檬酸草酰琥珀酸α-酮戊二酸琥珀酰CoA琥珀酸延胡索酸L-苹果酸草酰乙酸HO2(1)丙酮酸脱氢酶复合体(2)柠檬酸合成酶(3)顺乌头酸酶(4)(5)异柠檬酸脱氢酶(6)α-酮戊二酸脱氢酶复合体(7)琥珀酰CoA合成酶(8)琥珀酸脱氢酶(9)延胡索酸酶(10)L-苹果酸脱氢酶三羧酸循环概况•产能步骤•2NAD(P)H•1FADH2•1GTP•(1)(6)-产能脱碳•2NADH+2CO2•(5)-脱碳-1CO2→3步不可逆反应1、乙酰COA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸单向不可逆可调控的限速步骤氟乙酰CoA导致致死常作为杀虫药（与顺乌头酸酶结合）C=OCOO-CH2COO-C-CH3S-COAOCH2COO-HO-C-COO-COO-CH2柠檬酸合酶+COA三羧酸CH2C-SCOAHO-C-COO-COO-CH2OH2O+HS-COA+H+三、柠檬酸循环历程ReactionsoftheCitricAcidCycle柠檬酸合酶是变构酶变构抑制剂：ATP、NADH、琥珀酰CoA、酯酰CoAAMP可解除抑制CH3C～SCoAO+HSLHSFH2C氟乙酰辅酶A：底物，形成氟柠檬酸，不能往下反应，称致死性合成CH3C～SCoAO+HSLHSCH3CO丙酮酰-CoA：竞争性抑制剂2、柠檬酸异构化成异柠檬酸（顺乌头酸酶）在pH7.0，25C的平衡态时，柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90：4：6CH2COO-HO-C-COO-COO-CH2CHCOO-C-COO-COO-CH2CH2H2OH2O柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸COO-HO-CHCH-COO-COO-乌头酸酶中的（Fe-S）蛋白3、由异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸（异柠檬酸脱氢酶）TCA中第一次氧化作用、脱羧过程异柠檬酸脱氢酶为第二个调节酶三羧酸到二羧酸的转变NAD+NADH+H+H+CO2草酰琥珀酸Mg2+HO-CHCOOHCH-COOHCOOHCH2COCOOHCH-COOHCOOHCH2COCOOHCH2COOHCH2α-酮戊二酸△G0'=-20.9kJ/mol4、α-酮戊二酸氧化脱羧成为琥珀酰COA（α-酮戊二酸脱氢酶复合体）TCA中第二次氧化作用、脱羧过程α-酮戊二酸脱氢酶复合体与丙酮酸脱氢酶复合体相似α-酮戊二酸脱氢酶E1琥珀酰转移酶E2二氢硫辛酸脱氢酶E3、TPP、硫辛酸、COA、FAD、NAD+、Mg2++COASH+NAD+COCOOHCH2COOHCH2COSCOACH2COOHCH2+NADH+H++CO2△G0'=-33.5kJ/mol高能硫酯化物NAD为辅酶，需Mg2+（线粒体）NADP为辅酶（胞质也有）5、琥珀酰COA转化成琥珀酸，并产生GTP（琥珀酰COA合成酶）TCA中唯一底物水平磷酸化直接产生高能磷酸化合物的步骤GTP+ADPGDP+ATPCOSCOACH2COOHCH2COOHCH2COOHCH2GDP+PiGTP+HSCOA哺乳动物—GTP/ATP植物、微生物—ATP底物磷酸化•GTP参与蛋白质合成•G蛋白活化（信号传导）•GTP+ADPGDP+ATP核苷二磷酸激酶6、琥珀酸脱氢生成延胡索酸COOHCH2COOHCH2COOHCHCOOH+FAD+FADH2TCA中第三次氧化的步骤丙二酸为该酶的竞争性抑制剂开始四碳酸之间的转变琥珀酸脱氢酶HC嵌入线粒体内膜琥珀酸脱氢酶位于线粒体内膜具有立体专一性COOHCHCOOHCH7、延胡索酸被水化生成苹果酸（延胡索酸酶）COOHHO-CHCOOHH-C-H+H2O延胡索酸酶COOHHO-CHCOOHH-C-H8、苹果酸脱氢生成草酰乙酸（苹果酸脱氢酶）+NAD+COOHC=OCOOHCH2+NADH+H+TCA中第四次氧化的步骤，最后一步。被草酰乙酸与乙酰CoA缩合（高度放能）反应所推动8、L-苹果酸脱氢形成草酰乙酸OxidationofMalatetoOxaloacetate被草酰乙酸与乙酰CoA缩合（高度放能）反应所推动TCA中第四次氧化的步骤，最后一步。草酰乙酸柠檬酸异柠檬酸a-酮戊二酸琥珀酰辅酶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COA2CO2四、柠檬酸循环的化学计量2丙酮酸2acetyl-CoA2NADH52异柠檬酸2α-酮戊二酸2NADH52α-酮戊二酸2琥珀酰-CoA2NADH522琥珀酰-CoA2琥珀酸2A/GTP22琥珀酸2延胡素酸2FADH232苹果酸2草酰乙酸2NADH5•Total25ATP底物磷酸化丙酮酸只有4个氢，但彻底氧化所放出的氢？6个H加水加氢糖酵解+三羧酸循环的效率糖酵解1G→2ATP+2NADH+2H++2丙酮酸→7ATP三羧酸循环2丙酮酸→25ATP———————————————————————32ATP•储能效率=32×7.3/686=34.05%其余能量以热量形式：一部分维持体温，一部分散失。总反应式注意：每次循环的CO2直接来自草酰乙酸而不是乙酰CoA但净结果是氧化了1分子乙酰CoA补充：柠檬酸循环的回补反应三羧酸循环不仅是产生ATP的途径，它的中间产物也是生物合成的前体，α-酮戊二酸谷氨酸草酰乙酸天冬氨酸琥珀酰CoA卟啉环上述过程均可导致草酰乙酸浓度下降，从而影响三羧酸循环的运转，因此必须不断补充才能维持其正常进行，这种补充称为回补反应(anapleroticreaction)。1、丙酮酸羧化(动物体内的主要回补反应)草酰乙酸或循环中任何一种中间产物不足TCA循环速度降低乙酰-CoA浓度增加高水平的乙酰CoA激活丙酮酸羧化酶产生更多的草酰乙酸生物素Mg2+在线粒体内进行2、PEP羧化（在植物、酵母、细菌）反应在胞液中进行3、苹果酸脱氢丙酮酸苹果酸4、氨基酸转化α-酮戊二酸天冬氨酸谷氨酸草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸异柠檬酸a-酮戊二酸琥珀酰辅酶A琥珀酸延胡索酸苹果酸乙酰辅酶A2CO21ATP、NADH琥珀酰-CoA抑制2ATP、NADH抑制ADP、Ca2+激活3ATP、NADH琥珀酰-CoA抑制ADP、Ca2+激活五、柠檬酸循环的调控速率受细胞能量状态、生物合成需求调节限速酶：1.柠檬酸合酶变构抑制剂：ATP、NADH、琥珀酰CoAAMP可解除抑制2.异柠檬酸脱氢酶变构抑制剂：ATP、NADH变构激活剂：ADP3.α—酮戊二酸脱氢酶系抑制剂：ATP、NADH、琥珀酰CoA激活剂：AMP、ADP、Ca2+乙酰CoA的主要来源和去路糖原G三脂酰甘油FA、甘油蛋白质氨基酸三羧酸循环胆固醇、FA酮体乙酰CoA六、柠檬酸循环的生物意义（1）是好氧生物体内最主要的产能途径！（2）是脂类、蛋白质彻底分解的共同途径！（3）提供合成其他化合物的碳骨架如：草酰乙酸→Asp、Asnα-酮戊二酸→Glu→其他氨基酸琥珀酰CoA→血红素两用性异柠檬酸柠檬酸延胡索酸苹果酸草酰乙酸CoASH三羧酸循环三羧酸循环乙酰CoAα-酮戊二酸琥珀酰CoA乙酰乙酰CoA苯丙氨酸酪氨酸亮氨酸赖氨酸色氨酸丙氨酸苏氨酸甘氨酸丝氨酸半胱氨酸丙酮酸精氨酸组氨酸谷氨酰胺脯氨酸谷氨酸异亮氨酸甲硫氨酸缬氨酸苯丙氨酸酪氨酸天冬酰胺谷氨酰胺柠檬酸循环—焚烧炉补充：乙醛酸循环——三羧酸循环支路•三羧酸循环在异柠檬酸与苹果酸间搭了一条捷径。（省了6步）异柠檬酸柠檬酸琥珀酸苹果酸草酰乙酸CoASH三羧酸循环乙酰CoA乙醛酸乙酰CoACoASH①②•只有一些植物（特别是油料植物种子）和微生物兼具有这样的途径异柠檬酸裂解酶异柠檬酸琥珀酸乙醛酸CH2COOHCHCOOHCHCOOHOHCH2COOHCH2COOHCHOCOOH+①②CHCOOHCH2COOHOHCHOCOOH+CH3CO~SCoA+CoASH乙醛酸乙酰