生物化学――第18章柠檬酸循环

第18章柠檬酸循环2课时（有氧）（无氧）葡萄糖葡萄糖丙酮酸乳酸乙醇乙酰CoA三羧酸循环（有氧或无氧）丙酮酸乳酸乙醇乙酰CoA糖酵解途径三羧酸循环（有氧或无氧）丙酮酸的去路示意图本章学习重点与目标掌握TCA循环的概念和部位掌握TCA循环生化历程和关键酶掌握TCA循环能量生成及生物学意义掌握TCA循环的调控掌握TCA循环中的草酰乙酸回补途径了解乙醛酸途径的历程及生理意义第一节柠檬酸循环的准备阶段基本反应：糖酵解生成的丙酮酸可穿过线粒体膜进入线粒体内室。在丙酮酸脱氢酶系的催化下，生成乙酰辅酶A和1分子NADH1.丙酮酸进入三羧酸循环的准备阶段——形成乙酰CoA丙酮酸线粒体穿膜示意图催化酶：这一多酶复合体位于线粒体内膜上，原核细胞则在胞液中。丙酮酸脱氢酶系三种酶五种辅助因子E1-丙酮酸脱羧酶（也叫丙酮酸脱氢酶）E2-二氢硫辛酸乙酰基转移酶E3-二氢硫锌酰胺脱氢酶。焦磷酸硫胺素（TPP)、硫辛酸、COASH、FAD、NAD+丙酮酸脱氢酶系缩写辅基催化反应丙酮酸脱氢酶E1TPP丙酮酸氧化脱羧二氢硫辛酰转乙酰基酶E2硫辛酰胺将乙酰基转移到COA二氢硫辛酸脱氢酶E3FAD将还原型硫辛酰胺转变为氧化型此外,还需要NAD+,CoA作为辅助因子。具体丙酮酸脱氢酶复合体催化反应图解丙酮酸脱氢酶系NAD++H+丙酮酸脱氢酶FAD硫辛酸乙酰转移酶二氢硫辛酸脱氢酶CO2乙酰硫辛酸二氢硫辛酸NADH+H+TPP硫辛酸CoASHNAD+CH3-C-SCoAO第二节柠檬酸循环的生化历程●在好氧真核生物线粒体基质或好氧原核生物细胞质中，葡萄糖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.●柠檬酸循环也是脂肪酸、氨基酸等燃料分子的共同氧化分解途径。此外，柠檬酸循环所形成的中间体还是许多生物合成的前体物质；因此柠檬酸循环是两用代谢途径。1.柠檬酸循环（CitricAcidCycle)或三羧酸循环（TricarboxylicAcidCycle）或Krebs循环的概念：TCA循环示意图三羧酸循环过程概括(一次循环)10步反应8种酶催化分为三个阶段：柠檬酸生成阶段、氧化脱羧阶段、草酰乙酸的再生阶段5种反应类型缩合1、脱水1、氧化4、底物水平磷酸化1、水化1生成3分子还原型CoⅠ、1分子FADH2、1分子ATP三羧酸循环总反应式2.TCA循环的生化历程TCA第一阶段：柠檬酸生成H2O草酰乙酸OCH3-C-SCoACoASHH2O柠檬酸合成酶顺乌头酸酶（1）乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成柠檬酸这是循环的起始反应,乙酰辅酶A与草酰乙酸在柠檬酸合酶催化下缩合形成柠檬酸辅酶A,高能硫酯键水解生成柠檬酸推动反应进行.柠檬酸辅酶A催化该反应的酶:柠檬酸合酶:该酶是一种限速酶,酶的活性受ATP,NADH,琥珀酰辅酶A和长链脂肪酰辅酶A抑制,此步为限速步骤.①由柠檬酸合成酶（citratesynthase，也称柠檬酸缩合酶）催化的缩合反应，不可逆。②先形成中间产物柠檬酰CoA，其高能硫酯键水解，生成柠檬酸，放出能量，推动反应进行。③为TCA的第一个限速步骤，柠檬酸合成酶为TCA中第一个调节酶：受ATP、NADH、琥珀酰CoA、和长链脂肪酰CoA的抑制；受乙酰CoA、草酰乙酸激活。该步酶促反应要点小结（2）柠檬酸异构化生成异柠檬酸柠檬酸在顺乌头酸酶作用下,脱水形成中间产物顺乌头酸,再加水改变OH和H的位置形成异柠檬酸.催化该反应的酶:顺乌头酸酶:是一种相对复当的酶,4个铁原子,4个无机硫原子及4个半胱氨酸构成的.TCA第二阶段：氧化脱羧CO2GDP＋PiGTPNAD+NADH+H+NAD+NADH+H+CoASH异柠檬酸脱氢酶CO2－酮戊二酸脱氢酶琥珀酸硫激酶（3）异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸这是TCA循环中第一次氧化作用,被异柠檬酸脱氢酶所催化生成中间产物草酰琥珀酸,它是一种不稳定的β-酮酸,能够脱羧形成α-酮戊二酸.生成1分子NADH催化该反应的酶:异柠檬酸脱氢酶:有两种该酶,一种以NAD为电子受体,一种以NADP为电子受体,前者仅在线粒体中,后者在细胞质中也存在ATP/ADP,NADH/NAD比值高时酶或被抑制,比值低时酶活较高.为TCA过程中第二个调节酶.①这是TCA中四个氧化还原反应的第一个，是由异柠檬酸脱氢酶（isocitratedehydrogenase）催化，不可逆。②脱氢形成不稳定的β-酮酸草酰琥珀酸，后者经非酶催化的β脱羧作用生成a-酮戊二酸和CO2。③Mg2+、Mn2+为必须阳离子。④TCA的第二个限速步骤。⑤线粒体内有二种异柠檬酸脱氢酶，一种以NAD+为电子受体，另一种以NADP+为受体。前者只在线粒体中，后者在线粒体和胞质中都有。该步酶促反应要点小结（4）α-酮戊二酸氧化脱羧成琥珀酰辅酶A这是TCA循环中第二个氧化脱羧反应,由α-酮戊二酸脱氢酶系所催化的.生成1分子NADH.催化该反应的酶:α-酮戊二酸脱氢酶:与丙酮酸脱氢酶系类似,脱氢机制也类似,也是调节酶受产物NADH,琥珀酰辅酶A和Ca离子的抑制,高能情况下ATP,GTP也可反馈抑制酶活性.①由α-酮戊二酸脱氢酶复合物（a-ketoglutaratedehydrogenasecomplex）催化，不可逆。②α-酮戊二酸脱氢酶复合物为多酶复合体，含有三种酶及六种辅因子。③TCA中第二次氧化脱羧，以NAD+为受氢体，产生第二个CO2。④α-酮戊二酸氧化释放的能量储存于琥珀酰~CoA的高能硫酯键中。⑤TCA的第三个限速步骤。该步酶促反应要点小结（5）琥珀酰辅酶A转化成琥珀酸这是TCA循环中唯一的底物水平磷酸化直接产生高能磷酸键的步骤.产生GTP(ATP)催化该反应的酶:琥珀酰辅酶A合成酶:能够催化琥珀酸辅酶A的高能硫酯键水解释放能量.①琥珀酰CoA合成酶（succinatedehydrogenase）（或称琥珀酸硫激酶）催化，可逆。②TCA中唯一的底物水平磷酸化反应。③琥珀酰CoA的硫酯键水解释放出很多自由能：在高等植物和细菌中，硫酯键水解释放出的自由能，可直接合成ATP。在哺乳动物中，形成一分子的GTP。该步酶促反应要点小结TCA第三阶段：草酰乙酸再生FADFADH2H2ONAD+NADH+H+草酰乙酸琥珀酸脱氢酶延胡索酸酶苹果酸脱氢酶（6）琥珀酸脱氢生成延胡索酸这是TCA循环中第三个氧化还原反应,由琥珀酸脱氢酶所催化的,氢的受体是FAD,生成延胡索酸和1个FADH2.催化该反应的酶:琥珀酸脱氢酶:是三羧酸循环中唯一渗入线粒体内膜的酶,直接与呼吸链联系,生成的FADH2直接进入呼吸链.①琥珀酸脱氢酶（succinatedehydrogenase）催化，可逆。②TCA中第三次氧化，以FAD为受氢体。③琥珀酸脱氢酶是TCA循环中唯一嵌入线粒体内膜的酶。④琥珀酸脱氢酶具立体专一性，只能形成反丁烯二酸（延胡索酸），而非顺丁烯二酸（马来酸）。⑤丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂，可阻断三羧酸循环。该步酶促反应要点小结（7）延胡索酸水化生成苹果酸延胡索酸酶催化这个水化反应,OH只加入延胡索酸双键的一侧,生成L型苹果酸.催化该反应的酶:延胡索酸酶（8）苹果酸脱氢生成草酰乙酸这是TCA循环中第四个氧化还原反应,也是最后一步.L-苹果酸脱氢酶所催化的,氢的受体是NAD,生成草酰乙酸和1个NADH.催化该反应的酶:L-苹果酸脱氢酶①苹果酸脱氢酶（malatedehydrogenase）催化，可逆。②这是柠檬酸循环的最后一个反应，也是循环中的第4步氧化还原反应，以NAD＋为受氢体。③平衡有利于逆反应，但生理条件下，反应产物草酰乙酸不断合成柠檬酸，其在细胞中浓度极低，少于10-6mol/L，使反应向右进行。该步酶促反应要点小结2、TCA小结（1）总反应式：从丙酮酸脱羧算起：丙酮酸+4NAD++FAD+GDP→4NADH+FADH2+GTP+3CO2+H2OTCA过程：乙酰CoA+3NAD++FAD+GDP→3NADH+FADH2+GTP+2CO2+H2O（2）一次底物水平的磷酸化、二次脱羧反应，三个调节位点，四次脱氢反应。3个NADH、1个FADH2进入呼吸链3、三羧循环的化学计量和能量计量a、总反应式:CH3COSCoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+CoASH+3NADH+3H++FADH2+GTP能量“现金”:1GTP能量“支票”:3NADH1FADH2兑换率1：39ATP兑换率1：22ATP1ATP12ATPb、三羧酸循环的能量计量反应酶产生ATP方式ATP数量合计糖酵解已糖激酶-18磷酸果糖激酶-1磷酸甘油醛脱氢酶NADH呼吸链氧化磷酸化2×3磷酸甘油酸激酶底物水平磷酸化2×1丙酮酸激酶底物水平磷酸化2×1TCA丙酮酸脱氢酶复合物NADH2×330异柠檬酸脱氢酶NADH2×3α-酮戊二酸脱氢酶复合物NADH2×3琥珀酸脱氢酶FADH22×2苹果酸脱氢酶NADH2×3琥珀酰CoA合成酶底物水平磷酸化2×1OCH3-C-SCoACoASH三羧酸循环的调节柠檬酸异柠檬酸顺乌头酸－酮戊二酸琥珀酸琥珀酰CoA延胡索酸调节位点柠檬酸合成酶（限速酶）异柠檬酸脱氢酶－酮戊二酸脱氢酶ADP+NADHATP-琥珀酰CoANADH-琥珀酰CoANADHATP-苹果酸草酰乙酸4、三羧循环的生物学意义是有机体获得生命活动所需能量的主要途径是糖、脂、蛋白质等物质代谢和转化的中心枢纽形成多种重要的中间产物是发酵产物重新氧化的途径5、TCA的回补反应在TCA循环中，有些中间产物是合成其它物质的前体，如：卟啉的主要碳原子来自琥珀酰CoA；Glu、Asp可以从α-酮戊二酸和草酰乙酸衍生而成。一旦草酰乙酸浓度下降，则会影响TCA循环，因此这些中间产物必须不断补充，以维持TCA循环。产生草酰乙酸的途径有三个：1、丙酮酸羧化酶催化丙酮酸生成草酰乙酸丙酮酸＋CO2＋ATP＋H2O→草酰乙酸＋ADP＋Pi丙酮酸羧化酶是一个调节酶，乙酰CoA可以增加其活性。需要生物素为辅酶2、磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸转化成草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸＋HCO3－草酰乙酸＋Pi在脑、心脏中存在这个反应。3、Asp、Glu转氨可生成草酰乙酸和α-酮戊二酸Ile、Val、Thr、Met也会形成琥珀酰CoA，最后生成草酰乙酸。6、乙醛酸循环——三羧酸循环支路在异柠檬酸与苹果酸间搭了一条捷径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天冬氨酸异柠檬酸柠檬酸草酰乙酸乙醛酸琥珀酸葡萄糖异生途径琥珀酸苹果酸苹果酸草酰乙酸延胡索酸苹果酸天冬氨酸谷氨酸α-酮戊二酸谷氨酸α-酮戊二酸线粒体乙醛酸循环体总结1、糖酵解和柠檬酸循环之间的桥梁是丙酮酸脱氢酶复合物。在细胞质中酵解产生的丙酮酸被转运到线粒体基质中，在线粒体中丙酮酸在丙酮酸脱氢酶复合物催化下氧化生成乙酰CoA和CO2。丙酮酸脱氢酶复合物是由丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酰胺乙酰基转移酶和二氢硫辛酰胺脱氢酶组成的，同时还需要硫胺素焦磷酸、硫辛酰胺、CoASH、FAD和NAD＋等辅助因子。2、柠檬酸循环是发生在线粒体中的一系列反应，柠檬酸循环由8步酶促反应组成。柠檬酸合成酶催化乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成三羧酸柠檬酸；顺乌头酸酶催化柠檬酸中的三级醇转化为二级醇，导致异柠檬酸的生成；然后在异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合物催化下连续进行氧化脱羧反应形成琥珀酰CoA，同时生成两分子NADH和两分子CO2；当琥珀酰CoA的硫酯键被切断形成琥珀酸和CoASH时，琥珀酰CoA合成酶同时催化GDP底物水平磷酸化生成GTP；琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化形成延胡索酸，同时生成一分子FADH2；然后延胡索酸水化生成苹果酸，最后苹果酸在苹果酸脱氢酶催化下生成草酰乙酸，又生成一分子NADH，完成了一轮柠檬酸循环。3、一分子乙酰CoA经柠檬酸循环氧化，使得3分子NAD＋还原为NADH，一分子FAD还原为FADH2，同时由GDP和Pi生成了一分子的GTP。所以每一分子乙酰CoA经一轮柠檬酸循环产生的还原型