三羧酸循环(TCA)

第四节三羧酸循环（TCA）三羧酸循环的概念：1937年德国生物学家Krebs（克雷布斯，1953年因此获诺贝尔奖）阐明：乙酰CoA的继续分解是一个环式反应体系，起点是乙酰CoA与草酰乙酸结合为具有三个羧基的柠檬酸，故称为三羧酸循环（tricarboxylicacid），又叫TCA循环，Krebs循环，由于该循环的第一个产物是柠檬酸，又叫柠檬酸循环。它不仅是糖代谢的主要途径，也是蛋白质、脂肪分解代谢的最终途径。三羧酸循环的细胞定位：线粒体内一、丙酮酸的氧化脱羧丙酮酸脱氢酶系是一个多酶复合体，组成如下：调控酶：丙酮酸脱氢酶PDH、二氢硫辛酸转乙酰基酶DLT、二氢硫辛酸脱氢酶DLDH辅助因子：硫胺素焦磷酸酯TPP、硫辛酸、HS—CoA、NAD＋、Mg2＋、FAD。丙酮酸氧化脱羧的调控：1、当细胞内ATP、乙酰CoA、NADH含量同时增加时，PDH磷酸化作用加强，阻碍丙酮酸氧化脱羧。反之则反。2、乙酰CoA和NADH可分别抑制DLT和DLDH的活性，阻止氧化脱羧。丙酮酸的氧化脱羧是连接EMP和TCA的纽带，其反应本身并未进入TCA，但是是所有糖进入TCA的必由之路。二、三羧酸循环概要TCA循环一轮分10步完成。来自丙酮酸脱氢脱羧后的乙酰基（C2单位）由CoA带着进入TCA，第一步是C2与一个C4化合物（草酰乙酸）结合成C6化合物（柠檬酸），然后经过2次脱羧（生成2个CO2）和4次脱氢（生成3NADH＋1FADH2），还产生1个GTP（高能化合物），最终回到C4化合物（草酰乙酸），结束一轮循环。1个C2单位被分解为2CO2。TCA简图三、生化历程1、乙酰CoA与草酰乙酸及H2O缩合生成柠檬酸，放出HS—CoA。—H2O不可逆2、柠檬酸脱水生成顺乌头酸+H2O可逆3、顺乌头酸与H2O加成，生成异柠檬酸异构化反应—H2O可逆通过2——3步，将柠檬酸异构化为异柠檬酸。实质是将前者的—OH从C2变到了后者的C3，成为仲醇（由叔醇变为仲醇），更易氧化。4—5、异柠檬酸氧化脱羧生成α—酮戊二酸第一次脱氢脱羧可逆消耗1NAD＋，生成1NADH＋H＋，1CO2该酶是别构酶，激活剂是ADP，抑制剂是NADH、ATP。有两种同工酶：以NAD＋为电子受体，存在于线粒体中，需Mg2＋。以NADP＋为电子受体，存在于胞液中，需Mn2＋。6、α—酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA第二次脱氢脱羧不可逆消耗1NAD＋，生成1NADH＋H＋，1CO2生成一个高能键“~”，此步类似于丙酮酸的氧化脱羧。α—酮戊二酸脱氢酶系包括：α—酮戊二酸脱氢酶二氢硫辛酸转琥珀酰基酶二氢硫辛酸脱氢酶7、琥珀酸的生成底物磷酸化生成1ATP可逆是TCA中唯一直接产生ATP的反应，属于底物磷酸化。区别：EMP：高能磷酸基团直接转移给ADP放能TCA：琥珀酰CoA中的高能键硫酯键水解放能8、琥珀酸氧化生成延胡索酸第三次脱氢（FAD脱氢）可逆生成1FADH2该酶结合在线粒体内膜上，丙二酸是竞争性抑制剂9、延胡索酸水化生成苹果酸水化作用可逆消耗1H2O10、苹果酸脱氢氧化生成草酰乙酸第四次脱氢可逆消耗1NAD＋，生成1NADH＋H＋总反应式：乙酰CoA＋3NAD＋＋FAD＋GDP＋Pi＋2H2O2CO2＋3NADH＋3H＋＋FADH2＋GTP＋HS—CoA四、化学量计算（一）物质量计算1mol乙酰CoA2molCO2+1molCoA（二）能量计算1、计算1mol乙酰CoA彻底氧化分解产生的ATP的数目1+3×3+1×2=12molATP2、计算1molG彻底氧化分解产生的ATP的数目（原核生物）G丙酮酸乙酰CoACO2+H2OEMPTCA第一阶段：G2mol丙酮酸EMP阶段净生成2molATP，2mol（NADH＋H＋）第二阶段：2mol丙酮酸2mol乙酰CoA净生成2mol（NADH＋H＋），2molCO2第三阶段：2mol乙酰CoA经TCA彻底氧化分解净生成2×1ATP，2×3mol（NADH＋H＋），2×1molFADH2，2×2molCO2由于氧化磷酸化，1mol（NADH＋H＋）可生成3molATP,1molFADH2可生成2molATP。因此：第一阶段：净生成8molATP第二阶段：净生成6molATP，2molCO2第三阶段：净生成24molATP，4molCO2共净生成38molATP，6molCO2真核生物中，共净生成36molATP，6molCO2TCA的运转必须通过O2条件下才能运转，实际上O2并不直接参加TCA，那么O2在何处参加反应呢？TCA除了产生1个GTP外，另外的能量均潜在3NADH和1FADH2中，为了TCA的运转，NAD＋和FAD必须再生。NAD＋和FAD的再生则是通过DADH和FADH2进入电子传递链，将H交给O2，释放潜能生成ATP而实现。所以，TCA的运转必须有O2。五、生物学意义1、TCA循环是生物体获能的主要途径，远比无氧分解产生的能量多。2、TCA是生物体各有机物质代谢的枢纽。糖、脂肪、氨基酸的彻底分解都需通过TCA途径，而TCA中的许多中间产物如草酰乙酸、α—酮戊二酸、琥珀酰CoA等又是合成糖、氨基酸等的原料。3、TCA是发酵产物重新氧化进入有氧分解的途径。4、TCA的某些中间产物还是体内积累成分，如柠檬酸、苹果酸是柑桔、苹果等果实的重要成分，在储藏期，酸作为呼吸基质被消耗。果实的糖/酸比是衡量果实品质的一项指标。六、三羧酸循环的调控三个调控位点：柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶、α—酮戊二酸脱氢酶所催化的三个反应。1、NAD＋/NADH的比值高：TCA循环生成的产物不能满足细胞自身的需要，三种酶被激活，酶发挥催化功能，速度加快。低：大量的NADH抑制酶的活性，使TCA循环减速。2、ATP，琥珀酰CoA抑制柠檬酸合成酶、α—酮戊二酸脱氢酶的活性，使TCA循环减速。异柠檬脱氢酶受ATP抑制，被ADP激活。3、丙酮酸脱氢酶系的调节见前细胞中ATP浓度越高时，TCA速度下降；NAD＋/NADH的比值越高时，TCA速度越快。七、三羧酸循环的回补效应产生草酰乙酸的途径主要有：1、丙酮酸羧化酶催化丙酮酸羧化生成草酰乙酸位于动物肝脏和肾脏的线粒体中OCCOOHCH3COCOOH+CO2+ATP+H2OCH2COOH+ADP+PiMg2+,生物素2、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化PEP生成草酰乙酸植物、细菌等，PEP羧化酶催化CH2CCOOH+H2O+CO2O=CCOOH+Pi|O~PCH2COOH3、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化PEP生成草酰乙酸心脏、骨骼肌中，PEP羧激酶催化PEP+CO2+GDPO=CCOOH+GTPCH2COOH4、由苹果酸酶、苹果酸脱氢酶催化使丙酮酸生成草酰乙酸原核、真核中广泛存在的苹果酸酶催化CH3COCOOH+CO2+NADPH+H+HO—CHCOOH+NADP+CH2COOH再由苹果酸脱氢酶催化：HO—CHCOOH+NAD+O=CCOOHCH2COOH+NADH+H+CH2COOH5、α—酮戊二酸和Asp经转氨作用生成Glu和草酰乙酸第五节磷酸戊糖途径（HMPPPP）磷酸戊糖途径的概念：是G分解的另一条途径:在6—P—G上直接氧化，再分解产生5—P—核糖。磷酸戊糖途径PPP：PentosePhosphatePathway己糖磷酸途径HMP：HexoseMonophosphatePathway磷酸己糖支路HMS：HexoseMonophosphateShuntG直接氧化途径DOPG：DirectOxidationPathwayofGlucoseHMP的阐明起始于1931年Warburg对6—P—G脱氢酶的研究，后人在此基础上加以完善。实验证明：（1）在组织中加入EMP抑制剂碘乙酸或碘乙酰胺（ICH2COOH或ICH2CONH2）后，它抑制3—P—G脱氢酶的活性（3—P—G1，3—DPG），但有些微生物仍能将GCO2＋H2O，说明另有途径。（2）用同位素14C标记C1和C6，如果是EMP、TCA，那么生成的14C1O2和14C6O2分子数应相等，但实验表明14C1更容易氧化为CO2，说明另有途径。说明G分解的主要途径是EMP和TCA，但并非唯一途径，HMP也是G分解的途径，只是在6—P—G上直接氧化。细胞定位：胞液一、磷酸戊糖途径概要以6—P—G为起始物，经过两个阶段共8步反应，最后重新生成6—P—G的过程。HMP概要特点：G直接脱氢或脱羧，不经过三碳糖阶段。HMP属于有氧分解还是无氧分解？O2不参加HMP，但认为HMP是需氧的代谢途径，因为可以肯定的是：HMP是需氧生物的某些组织、器官中较旺盛的代谢途径，而且与EMP、TCA相联系。二、生化历程（一）不可逆的氧化阶段（1-----3）1、6—P—G6—P葡萄糖酸内酯可逆2、6—P葡萄糖酸内酯水解生成6—P葡萄糖酸不可逆3、6—P葡萄糖酸脱氢脱羧生成5—P核酮糖（5—P—Ru）不可逆1——3步（二）可逆的非氧化阶段（4——8）戊糖互变4、5—P核酮糖（5—P—Ru）异构化为5—P核糖（5—P—R）官能团异构5、5—P核酮糖（5—P—Ru）异构化为5—P木酮糖（5—P—Xu）差向异构4——5步6-----8步，基团移位反应通过转酮酶和转醛酶的催化作用，将一酮糖分子的酮醇基转移给另一醛糖分子上，形成新的醛糖和酮糖。转酮酶专门催化乙酮醇基转移转醛酶专门催化二羟丙酮基转移通过C5、C4、C7、C3、C6只见的基团转移反应，实现了糖分子之间的转变，最终生成6—P—FHMP的两个关键酶转酮酶或转羟乙醛基酶转醛酶或转二羟丙酮基酶6、5—P—R＋5—P—Xu3—P—G（3—P甘油醛）＋7—P—S（7—P—景天庚酮糖）将5—P—Xu的乙酮醇基转移给5—P—R。7、3—P—G＋7—P—S4—P—E（4—P赤藓糖）＋6—P—F将7—P—S-的二羟丙酮基转移给3—P—G。磷酸戊糖途径的非氧化阶段之二（基团转移）+24-磷酸赤藓糖+25-磷酸核糖23-磷酸甘油醛转酮酶转醛酶26-磷酸果糖+7-磷酸景天庚酮糖2H25-磷酸木酮糖6——7步8、5—P—Xu＋4—P—E3—P—G＋6—P—F将5—P—Xu的乙酮醇基转移给4—P—E。基团转移（续前）+24-磷酸赤藓糖+23-磷酸甘油醛26-磷酸果糖转酮酶25-磷酸木酮糖然后：3—P—GDHAP3—P—G+DHAP1，6—FDP2—磷酸果糖酯酶磷酸己糖异构酶1，6—FDP6—P—FH2OPi6—P—GH2OPi1,6-二磷酸果糖23-磷酸甘油醛6-磷酸果糖醛缩酶二磷酸果糖酯酶磷酸戊糖途径的非氧化阶段之三（3-磷酸甘油醛异构、缩合与水解）异构酶总反应式为：A式：66—P—G＋12NADP＋＋6H2O46—P—F＋23—P—G＋6CO2＋12（NADPH＋H＋）然后：23—P—G1，6—DPG＋H2O6—P—F＋Pi6—P—F6—P—G因此得到B式：6—P—G＋12NADP＋＋7H2O6CO2＋12（NADPH＋H＋）＋Pi所以，HMP要循环一轮，必须有6个6—P—G同时进入循环，但最终只有1个6—P—G被彻底分解为6CO2＋12（NADPH＋H＋）＋Pi。磷酸戊糖途径的非氧化分子重排阶H2OPi65-磷酸核酮糖25-磷酸核糖25-磷酸木酮糖23-磷酸甘油醛27-磷酸景天庚酮糖24-磷酸赤藓丁糖26-磷酸果糖25-磷酸木酮糖23-磷酸甘油醛26-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖16-磷酸果糖转醛酶异构酶转酮酶转酮酶醛缩酶阶段之一阶段之二阶段之三三、化学量计算1、链式反应：36—P—G＋6NADP＋＋3H2O26—P—F＋3—P—G＋3CO2＋6（NADPH＋H＋）2、循环途径为：66—P—G＋12NADP＋＋6H2O46—P—F＋23—P—G＋6CO2＋12（NADPH＋H＋）四、生物学意义1、HMP产生大量的NADPH，为细胞的各种物质合成反应提供主要的还原力（主要目的不是供能）。NADPH作为供氢体，为细胞中脂肪酸、固醇、四氢叶酸FH4等的合成，硝酸盐、亚硝酸盐的还原，NH3的同化等所必需。2、HMP的中间产物是许多化合物的合成原料（碳源）。3、HM