第23章柠檬酸循环.

第23章柠檬酸循环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。柠檬酸循环的概念：在有氧的情况下，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。(tricarboxylicacidcycle),简称TCA循环。由于它是由H.A.Krebs（德国）正式提出的，所以又称Krebs循环。三羧酸循环在线粒体基质中进行。糖的有氧氧化：葡萄糖或糖原在有氧的条件下，彻底氧化成CO2和水的过程。有氧氧化的反应过程第一阶段：葡萄糖→→→丙酮酸（细胞液）第二阶段：丙酮酸→乙酰CoA（线粒体）第三阶段：三羧酸循环及氧化磷酸化（线粒体）柠檬酸循环是糖、脂肪、蛋白质和氨基酸等氧化所共同经历的途径。此外，柠檬酸循环生成的中间物质也是许多生物合成的前体。因次柠檬酸循环是两用代谢途径。柠檬酸循环一.由丙酮酸形成乙酰CoA二.三羧酸循环的过程三.三羧酸循环的化学计量四.三羧酸循环的回补反应五.三羧酸循环的调控六.三羧酸循环的生物学意义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+CoASH+NAD+乙酰CoA+CO2+NADH+H+反应不可逆，分5步进行，由丙酮酸脱氢酶复合体（丙酮酸脱氢酶系）催化。丙酮酸脱氢酶复合体是一个十分大的多酶复合体，包括丙酮酸脱氢酶组分E1、二氢硫辛酰转乙酰基酶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(黄素腺嘌呤二核苷酸),NAD+,CoASH及Mg2+六种辅助因子组装而成。一、由丙酮酸形成乙酰CoA大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体的内容缩写肽链数辅基催化反应丙酮酸脱氢酶E124TPP丙酮酸氧化脱羧二氢硫辛酰转乙E224硫辛酰胺将乙酰基转移到CoA酰基酶二氢硫辛酸脱氢酶E312FAD将还原型硫辛酰胺转变为氧化型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乙酰二氢硫辛酰胺硫辛酸转乙酰基酶硫辛酸酰胺二氢硫辛酰胺丙酮酸脱羧酶二氢硫辛酸脱氢酶丙酮酸乙酰CoAE1E3E2E2～Ⅰ.丙酮酸脱氢酶复合体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！形成酶复合体有什么好处呢？砷化物与丙酮酸脱氢酶复合体E2中的辅基硫辛酰胺的毒害作用。（由于酮戊二酸脱氢酶复合体也含硫辛酰胺辅基，因此，砷化物也有毒害作用）-O-AsOHOH+HSHSRSSR-O-As+2H2O亚砷酸二氢硫辛酰胺R-As=O+HSHSRSSRR-As+H2O有机砷化物丙酮酸脱氢酶复合体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：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。Ca2+通过激活磷酸酶，使丙酮酸脱氢酶组分活化。E2激酶磷酸酶使E1磷酸化（无活性形式）使磷酸化的E1去磷酸化（有活性形式）Ca2+激活二TCA循环的过程(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•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C=OCOO-CH2COO-C-CH3S-COAOCH2C-SCOAHO-C-COO-COO-CH2OCH2COO-HO-C-COO-COO-CH2柠檬酸合酶++HS-COA+H+H2OCOA1、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导致致死合成常作为杀虫药三羧酸柠檬酸合酶是柠檬酸循环的关键酶。活性受ATP、NADH、琥珀酰-CoA、酯酰-CoA等的抑制。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。F-CH2-COOHF-CHCOO-HO-C-COO-COO-CH2氟乙酸氟柠檬酸丙酮酰-CoACH3-C-CH2-SCoAO=是另一抑制剂CH2COO-HO-C-COO-COO-CH2CHCOO-C-COO-COO-CH2HO-CHCOO-CH-COO-COO-CH22、柠檬酸异构化成异柠檬酸（顺乌头酸酶）H2OH2O顺乌头酸在pH7.0，25C的平衡态时，柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90：4：6柠檬酸异柠檬酸HO-CHCOOHCH-COOHCOOHCH23、由异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸（异柠檬酸脱氢酶）COCOOHCH-COOHCOOHCH2C=OCOOHCH2COOHCH2NAD+NADH+H+H+CO2TCA中第一次氧化脱羧过程异柠檬酸脱氢酶为第二个调节酶三羧酸到二羧酸的转变草酰琥珀酸α-酮戊二酸Mg2+NADP+NADPH+H+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，存在与线粒体和细胞质中。异柠檬酸脱氢酶是一个变构酶，活性受ADP变构激活。该酶与异柠檬酸、Mg2+、NAD+、ADP的结合有相互协同作用。NADH、ATP对该酶起变构抑制作用。细菌中的异柠檬酸脱氢酶还受磷酸化（活化形式）和去磷酸化（失活形式）作用调节。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（2）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CoACoASH①②4、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）C=OCOOHCH2COOHCH2+COASH+NAD+C=OSCOACH2COOHCH2+NADH+H++CO2TCA中第二次氧化作用、脱羧过程α-酮戊二酸脱氢酶复合体（受产物琥珀酰-CoA和NADH抑制，受高能荷抑制）与丙酮酸脱氢酶复合体相似α-酮戊二酸脱氢酶E1（不受磷酸化和去磷酸化调节）氢硫辛酰转琥珀酰酶E2二氢硫辛酰脱氢酶E3辅助因子：TPP、硫辛酸、CoA、FAD、NAD+、Mg2+5、琥珀酰COA转化成琥珀酸，并产生GTP（琥珀酰COA合成酶）C=OSCOACH2COOHCH2COOHCH2COOHCH2GDP+PiGTP+HSCOA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产生一个高能磷酸键，哺乳动物中形成一分子GTP，植物和微生物中直接形成ATPGTP+ADPGDP+ATP6、琥珀酸脱氢生成延胡索酸（反丁烯二酸）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该酶含FAD外，还有三种铁硫聚簇，2Fe-2S，3Fe-4S，4Fe-4S开始四碳酸之间的转变琥珀酸脱氢酶HCCOOHCH2COOH嵌入线粒体内膜COOHCHCOOHCH7、延胡索酸被水化生成L-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。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乙酰CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+3NADH+FADH2+GTP+CoA+3H+循环有以下特点：1、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。2、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。3、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,1GTP1ATP。4、循环中消耗两分子水。5、3NADH7.5ATP，1FADH21.5ATP，再加上1个GTP6、单向进行7、整个循环不需要氧，但离开氧无法进行。1分子乙酰CoA通过TCA循环被氧化，可生成10分子ATP。三、三羧酸循环的化学计量若从丙酮酸开始，加上纽带生成的1个NADH，则共产生10+2.5=12.5个ATP。若从葡萄糖开始，共可产生12.5×2+7=32个ATP。(二版及其他教材为38个ATP，NADH3ATP，FADH22ATP)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。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或填补反应(anapleroticreaction)。四、三羧酸循环的回补反应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，如丙酮酸羧化PEP的羧化苹果酸脱氢由氨基酸形成草酰乙酸的回补反应主要通过4个途径：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PEP羧化（在植物、酵母、细菌）反应在胞液中进行苹果酸脱氢丙酮酸苹果酸氨基酸转化α-酮戊二酸天冬氨酸谷氨酸草酰乙酸五、三羧酸循环的调控三羧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。有3个调控部位。1、柠檬酸合成酶（限