1、柠檬酸循环 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 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 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 柠檬酸循环是糖 脂肪 和氨基酸等氧化所共同经历的途径 此外 柠檬酸循
2、环生成的中间物质也是许多生物合成的前体 因此柠檬酸循环是两用代谢途径 amphibolicpathway 地点 三羧酸循环在线粒体基质中进行 葡萄糖有氧氧化的反应过程 葡萄糖 EMP 丙酮酸脱氢酶系 NAD 细胞液 一 由丙酮酸形成乙酰CoA 反应不可逆 分4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 三种不同的酶 丙酮酸脱氢酶组分 E1 二氢硫辛酰转乙酰基酶 E2 六种辅助因子 焦磷酸硫胺素 TPP 黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD NAD CoASH 硫辛酸 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E124TP
3、P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 分步反应 羟乙基TPP E1 丙酮酸脱氢酶 焦磷酸硫胺素 TPP 在丙酮酸脱羧中的作用 VB1 E2 E3 E3 E3 二氢硫辛酸脱氢酶 全过程 HSCoA E 3 二氢硫辛酸脱氢酶 E 2 转乙酰化酶 E 1 丙酮酸脱氢酶 E 3 E 2 E 1 N A D NADH H F A D H 2 F A D C H 3 C S C o A O H S L H S S L S L H S C H 3 C S O C H 3 C T P P O H H T P P C
4、O 2 C H 3 C C O O H O 全过程 砷化物对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a 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 As OH OH HS HS R S S R O As 2H2O 亚砷酸 二氢硫辛酰胺 R As O HS HS R S S R R As H2O 有机砷化物 丙酮酸脱氢酶复合体的调控 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 激酶 磷酸酶 1 产物抑制 受乙酰CoA和NADH的控制
5、 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 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 CoASH 草酰乙酸再生阶段 柠檬酸生成阶段 氧化脱羧阶段 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 苹果酸 草酰乙酸 二 三羧酸循环的过程 HO C COO 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导致致死合成常作为杀虫药 柠檬酸合酶 乙酰CoA 草酰乙酸 柠檬酸 柠檬酸合酶是柠檬酸循环的关键酶 活性受ATP NADH 琥珀酰 C
6、oA 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 柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸 2 柠檬酸异构化形成异柠檬酸 乌头酸酶催化 90 4 6 NAD NADH H CO2 异柠檬酸脱氢酶 NAD NADH H NADP NADPH H H CO2 异柠檬酸脱氢酶 3 异柠檬酸氧化脱羧形成 酮戊二酸 异柠檬酸脱氢酶催化 异柠檬酸脱氢酶是一个变构酶ADP变构激活异柠檬酸Mg2 NAD ADP 相
7、互协同作用 变构抑制作用 植物 微生物中 细菌中 异柠檬酸脱氢酶 磷酸化 失活 去磷酸化 活化 异柠檬酸脱氢酶 酮戊二酸 琥珀酸 乙醛酸 NAD NADH H HSCoACO2 KG脱氢酶复合体 4 酮戊二酸氧化脱羧形成琥珀酰CoA 酮戊二酸脱氢酶复合体催化 该酶与丙酮酸脱氢酶复合体相似 GDPGTPPiHSCoA 琥珀酰CoA合成酶 5 琥珀酰CoA转化成琥珀酸 琥珀酰CoA合成酶催化 底物水平磷酸化 6 琥珀酸脱氢生成延胡索酸 反丁烯二酸 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 TCA中第三次氧化的步骤 丙二酸为该酶的竞争性抑制剂 琥
8、珀酸 琥珀酸脱氢酶 FADFADH2 延胡索酸 7 延胡索酸被水化生成L 苹果酸 延胡索酸酶催化 H2O 延胡索酸酶 苹果酸 延胡索酸 8 苹果酸脱氢生成草酰乙酸 苹果酸脱氢酶催化 苹果酸 NAD NADH H 苹果酸脱氢酶 草酰乙酸 OCH3 C SCoA CoASH NADH CO2 FADH2 H2O NADH CO2 NADH GTP 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 苹果酸 草酰乙酸 NAD NAD FAD NAD 三 TCA循环的化学计量 乙酰CoA 3NAD FAD GDP Pi 2H2O2CO2 3NADH FADH2 GTP CoA 3H
9、循环有以下特点 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 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 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 1GTP 1ATP 3NADH 7 5ATP 1FADH2 1 5ATP 再加上1个GTP 单向进行 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 可见由糖酵解和TCA循环相连构成的糖
10、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 若从丙酮酸开始 加上生成的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 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 酮戊二酸 谷氨酸草酰乙酸 天冬氨酸琥珀酰Co
11、A 卟啉环 丙酮酸羧化 草酰乙酸的回补反应主要通过4个途径 PEP的羧化 苹果酸脱氢 由氨基酸形成 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 高水平的乙酰CoA激活 产生更多的草酰乙酸 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 4 氨基酸转化 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 限速酶 ATP NADH是该酶的变构抑制剂 高浓度的ATP和NADH抑制柠檬酸的合成 即抑制三羧酸循环地进行 高浓度的琥珀酰 CoA抑制该酶的活性 2 异柠檬酸脱氢酶该酶受ATP和NADH变构抑制 受ADP变构促进和Ca2 激活 3 酮戊二酸脱氢酶该酶受产物琥珀酰CoA和NADH抑制 也受高能荷抑制 Ca2 激活 三羧酸循环的过程及其调控 与糖酵解一起构成糖的有氧代谢 为有机体提供大量的能量 六 三羧酸循环的生物学意义 是糖 脂类和蛋白质代谢联络的枢纽 为其他生物合成提供原料
