生物化学ii（苏维恒）20130329-三羧酸循环.ppt

Chapter12 柠檬酸循环,(Citric acid cycle),一、丙酮酸进入柠檬酸循环的准备阶段 形成乙酰CoA 二、柠檬酸循环概貌 三、柠檬酸循环的反应机制 四、柠檬酸循环的化学总结算 五、柠檬酸循环的调控 六、柠檬酸循环的双重作用,丙酮酸的有氧氧化及葡萄糖的有氧分解,（EPM）,葡萄糖,丙酮酸脱氢酶系,概念,有氧氧化是指体内组织在有氧条件下，葡萄糖彻底氧化分解生成CO2和H2O的过程。,有氧氧化是糖氧化的主要方式，绝大多数细胞都通过它获得能量。肌肉等进行糖酵解生成的乳酸，最终仍需在有氧时彻底氧化成水和二氧化碳。从能量产生看，糖有氧代谢合成的ATP是糖酵解的18-19倍，它无疑是长时间大强度运动的重要能量来源。,C6H12O6 + 6O2 6 CO2 + 6 H2O + 30/32 ATP,The cellular respiration can be divided into three stages,Stage I All the fuel molecules are oxidized to generate a common two-carbon unit, acetyl-CoA. Stage II The acetyl-CoA is completely oxidized into CO2, with electrons collected by NAD and FAD via a cyclic pathway (named as the citric acid cycle, Krebs cycle, or tricarboxylic acid cycle). Stage III Electrons of NADH and FADH2 are transferred to O2 via a series carriers, producing H2O and a H+ gradient, which will promote ATP formation.,葡萄糖丙酮酸丙酮酸乙酰CoA,CO2+H2O+ATP,三羧酸循环,糖的有氧氧化,乳酸,糖酵解,线粒体内 Mitochondria,胞浆 Cytosol,糖有氧氧化概况,(线粒体膜),1.丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA（线粒体）包括：丙酮酸的转运（从胞浆到线粒体）,2.乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化（线粒体）,一、丙酮酸进入柠檬酸循环的准备阶段 形成乙酰CoA,1. 丙酮酸氧化脱羧乙酰CoA的生成,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氧化脱羧，生成乙酰辅酶A。,Pyruvate is first transported into mitochondria via a specific transporter on the inner membrane. Pyruvate is converted to acetyl-CoA and CO2 by oxidative decarboxylation.,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 E3-二氢硫辛酰胺脱氢酶。,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。由丙酮酸脱氢酶，二氢硫辛酰胺转乙酰酶和二氢硫辛酰胺脱氢酸三种酶按一定比例组合成多酶复合体。,丙酮酸脱氢酶复合体的组成,羟乙基TPP,丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA的过程,丙酮酸转变为乙酰CoA的反应步骤（一）,E1,丙酮酸 TPP 丙酮酸TPP加成化合物,丙酮酸TPP加成化合物 羟乙基-TPP共振形式,TPP噻唑环上的N与S之间活泼的碳原子可释放出H，而成为碳离子，与丙酮酸的羰基作用，产生CO2，同时形成羟乙基-TPP,E2的硫辛酰胺辅基,羟乙基-TPP,乙酰二氢硫辛酰胺 TPP-E1,E2,乙酰基转移到CoA分子上形成乙酰CoA（二）,由二氢硫辛酰胺转乙酰酶催化使羟乙基-TPP上的羟乙基被氧化成乙酰基，同时转移给硫辛酰胺，形成乙酰硫辛酰胺。,乙酰二氢硫辛酰胺 乙酰CoA 二氢硫辛酰胺,二氢硫辛酰胺转乙酰酶还催化乙酰硫辛酰胺上的乙酰基转移给辅酶A生成乙酰辅酶A后，离开酶复合体，同时氧化过程中的2个电子使硫辛酰胺上的二硫键还原为2个巯基。,硫辛酸,砷化物对硫辛酰胺的抑制作用,甘油醛-3-磷酸氧化成1, 3-二磷酸甘油酸,甘油醛-3-磷酸脱氢酶,砷酸盐是磷酸的类似物，可以代替磷酸结合到甘油酸的1位，并很快水解，使得不能形成1,3-二磷酸甘油酸，不能产生ATP，导致解偶联。,甘油醛-3-磷酸 1,3-二磷酸甘油酸,糖酵解中唯一的 脱氢反应,还原型E2被氧化反应（三）,氧化型E3 还原型E2 还原型E3 氧化型E2,还原型E3 氧化型E3 氧化型E3,E3,其作用机制是：二氢硫辛酰胺脱氢酶使还原的二氢硫辛酰胺脱氢重新生成硫辛酰胺，以进行下一轮反应。同时将氢传递给FAD，生成FADH2。在二氢硫辛酰胺脱氢酶催化下，将FADH2上的H转移给NAD，形成NADH和H。,丙酮酸脱氢酶复合体结构,丙酮酸脱氢酶复合体由60条肽链组成，总分子量为50,00kD，直径约30nm，在电子显微镜下可以看到。E2是复合体的核心，E1及E3结合在E2的外面。E2有一个由赖氨酸残基与硫辛酰胺相连的长链，这个长臂伸长后可达1.4nm，它具有极大的转动灵活性，可将底物从一个酶转送到另一个酶。,硫辛酰赖氨酰臂,Pyruvate is converted to acetyl-CoA,丙酮酸脱氢酶复合体的调控,丙酮酸脱氢酶复合体催化的这个反应是哺乳动物体内使丙酮酸转变为乙酰CoA的唯一途径。乙酰CoA既是柠檬酸循环的入口，又是脂类生物合成的起始物质。 1产物控制 产物NADH抑制E3，乙酰CoA抑制E2。如果NADH和乙酰CoA处于高浓度，则E2处于与乙酰基结合的形式，不再接受羟乙基基团，E1上的TPP停留在结合状态，抑制丙酮酸脱羧。 2磷酸化和去磷酸化的调控 E2分子上结合着两种特殊的酶，一种称为激酶，另一种称为磷酸酶，它们分别使E1磷酸化和去磷酸化，去磷酸化形式是E1的活性形式。Ca2+通过激活磷酸酶的作用，也能使E1活化。,柠檬酸循环,柠檬酸循环也叫三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle)，又叫做TCA循环，是由于该循环的第一个产物是柠檬酸，它含有三个羧基，故此得名。因为德国科学家Hans Krebs在阐明柠檬酸循环中作出了突出贡献，又将此途径称为Krebs循环。 乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成六碳三羧酸即柠檬酸，经过一系列代谢反应，乙酰基被彻底氧化，草酰乙酸得以再生的过程称为三羧酸循环。,CoASH,+CO2,+CO2,三羧酸循环 （TCA）,草酰乙酸 再生阶段,柠檬酸的生成阶段,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,NAD+,NAD+,FAD,NAD+,TCA第一阶段：柠檬酸生成,草酰乙酸,柠檬酸合成酶,顺乌头酸酶,草酰乙酸与乙酰CoA缩合形成柠檬酸,草酰乙酸 乙酰CoA,柠檬酰CoA,柠檬酸,CoA,柠檬酸合酶,1,1,2,2,1,2,Step 1. 乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸,柠檬酸的形成：乙酰辅酶与草酰乙酸缩合成柠檬酸。反应由柠檬酸合酶催化，此酶是一个调控酶。草酰乙酸先与酶结合，导致酶的结构发生变化，暴露出与乙酰辅酶的结合部位，属于“诱导契合”模型。 反应的能量由乙酰CoA的高能硫酯键提供，所以使反应不可逆。此为醇醛缩合反应，先缩合成柠檬酰CoA，然后水解。,这步反应由 C4 C6,1. 化学反应过程,Step 1 Citrate (6C) is formed from the irreversible condensation of acetyl CoA (2C) and oxaloacetate (4C) catalyzed by citrate synthase.,Step 柠檬酸异构化形成异柠檬酸,柠檬酸 顺-乌头酸 异柠檬酸,乌头酸酶,乌头酸酶,2,2,2,1,1,1,异柠檬酸的形成：柠檬酸由顺乌头酸酶催化，脱水，然后加水，从而改变分子内OH和H的位置，使原来在C3上的羟基转到C2上，生成异柠檬酸。催化这两步反应是同一酶，其中间产物为顺乌头酸与酶结合在一起以复合物形式存在。,Step 2 Citrate is isomerized into isocitrate via a dehydration step followed by a hydration step; cis-aconitate (顺乌头酸) is an intermediate during this transformation, thus the catalytic enzyme is named as aconitase （乌头酸酶）.,TCA第二阶段：氧化脱羧（C6C4）,异柠檬酸氧化形成酮戊二酸,异柠檬酸脱氢酶,异柠檬酸 草酰琥珀酸,酮戊二酸,1,2,1,2,Step 3,这阶段放出了1分子CO2，由 C6 C5 ；产生1分子NADH,Step 3. 异柠檬酸氧化脱羧,异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸：异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶作用下反应中间物是草酰琥珀酸，它是一个不稳定的-酮酸，当与酶结合则脱羧形成-酮戊二酸，脱下的氢由NAD接受，生成NADH和H。异柠檬酸脱氢酶是三羧酶循环中第二个调节酶。,Step 3 Isocitrate is first oxidized and then decarboxylated to form a-ketoglutarate (-酮戊二酸); two electrons are collected by NAD+; The reaction is catalyzed by isocitrate dehydrogenase.,The first oxidation step,Isocitrate is converted to a-ketoglutarate via an oxidative decarboxylation step, generating NADH and CO2.,Step 4酮戊二酸氧化脱羧形成琥珀酰CoA,酮戊二酸 琥珀酰CoA,-酮戊二酸 脱氢酶复合体,1,1,2,2,这阶段又放出了1分子CO2，由 C5 C4 ；又产生1分子NADH；形成1个高能硫酯键。,-酮戊二酸氧化脱羧成为琥珀酰辅A：这是三羧酸循环中第二个氧化脱羧反应，是由-酮戊二酸脱氢酶系所催化的。此脱氢酶系与丙酮酸脱氢酶系相似，由三个酶即-酮戊二酸脱氢酶，琥珀酰转移酶和二氢硫辛酰脱氢酶组成。也需要TPP，硫辛酸，辅酶A，FAD和NAD5种辅助因子。,Step 4 a-ketoglutarate undergoes another round of oxidative decarboxylation; decarboxylated first, then oxidized to form succinyl-CoA (琥珀酰辅酶A); The reaction is catalyzed by a-ketoglutarate dehydrogenase complex; reactions and enzymes closely resemble pyruvate dehydrogenase complex (with similar E1 and E2, identical E3).,-酮戊二酸氧化脱羧酶反应机制与丙酮 酸氧化脱羧相同，组成类似：,含三个酶及五个辅助因子,-酮戊二酸脱羧酶、 二氢硫辛酸转琥珀酰基酶、 二氢硫辛酸还原酶,TPP 、硫辛酸、FAD NAD+、辅酶A,三个酶:,五个辅助因子：,TPP lipoate FAD,(E1, E2, E3),The second oxidation step,Step 5 琥珀酰CoA转化成琥珀酸,烯醇化酶,琥珀酰CoA 琥珀酸,琥珀酰CoA合成酶,1,1,2,2,琥珀酰CoA转化成琥珀酸，并产生GTP：这是三羧酸循环中唯一底物水平磷酸化直接产生高能磷酸键的步骤。琥珀酰CoA与磷酸生成磷酸化琥珀酰化合物，在琥珀酰CoA合成酶的作用下生成琥珀酸，同时使二磷酸鸟苷磷酸化成三磷酸鸟苷。,Step 5 Succinyl-CoA is hydrolyzed to succinate (琥珀酸); the free energy is harvested by a GDP or an ADP to form a GTP or an ATP by substrate-level phosphorylation.,TCA第三阶段：草酰乙酸再生 这阶段需要经历三步反应 脱氢、加水、脱氢. 这一阶段的反应为C4的变化；产生1分子FADH2、1分子NADH。,草酰乙酸,琥珀酸脱氢酶,延胡索酸酶,苹果酸脱氢酶,Step 6 琥珀酸脱氢形成延胡索酸,琥珀酸脱氢酶,琥珀酸 延胡索酸,琥珀酸脱氢生成延胡索酸：这是三羧酸循环中第三步氧化还原反应，由琥珀酸脱氢酶催化，氢的受体是酶的辅基FAD，生成延胡索酸和FADH2。该酶是三羧酸循环中唯一掺入线粒体内膜的酶，并且直接与呼吸链联系。,线粒体结构示意图,琥珀酸脱氢酶嵌合在线粒体的内膜上，是线粒体内膜的重要组成成分，其他的酶大多存在于线粒体的基质中。,Step 6 Succinate is oxidized to fumarate (延胡索酸或反丁烯二酸); catalyzed by a flavoprotein succinate dehydrogenase (with a covalently bound FAD); malonate (丙二酸) is a strong competitive inhibitor of the enzyme, that will block the whole cycle.,The third oxidation step,丙二酸,琥珀酸,Step 7 延胡索酸水合形成L-苹果酸,延胡索酸酶,延胡索酸 L-苹果酸,延胡索酸加水生成苹果酸：延胡索酸在延胡索酸酶的催化下加水生成苹果酸。,Step 7 Fumarate is hydrated to L-malate by the action of fumarase; the enzyme is highly stereospecific, only act on the trans and L isomers, not on the cis and D isomers .,Step8 L-苹果酸脱氢形成草酰乙酸,苹果酸脱氢酶,L-苹果酸 草酰乙酸,苹果酸脱氢生成草酰乙酸：三羧酸循环中第4次氧化还原反应，也是最后一步。由苹果酸脱氢酶催化。苹果酸脱氢生成草酰乙酸；脱下的氢由NAD接受。在细胞内草酰乙酸不断地被用于柠檬酸合成，故反应向生成草酰乙酸的方向进行。,Step 8 Oxaloacetate is regenerated by the oxidation of L-malate; this reaction is catalyzed by malate dehydrogenase with two electrons collected by NAD+.,(The fourth oxidation Step in the cycle),柠檬酸循环总图,由柠檬酸合酶催化的从C4和C2缩合成C6的反应，是TCA的第一个调节酶，属于“诱导契合”反应。 顺乌头酸酶催化，脱水，然后加水，从而改变分子内OH和H的位置，使原来在C3上的羟基转到C2上，生成异柠檬酸。顺乌头酸是反应的中间物。 柠檬酸脱氢酶催化的第一个氧化还原反应，生成了一个-酮酸，这阶段放出了1分子CO2，由 C6 C5，产生1分子NADH，该酶是体系的第二个调节酶。 由-酮戊二酸脱氢酶系所催化的第二个氧化脱羧反应，此脱氢酶系与丙酮酸脱氢酶系相似，由三个酶即-酮戊二酸脱氢酶，琥珀酰转移酶和二氢硫辛酰脱氢酶组成。也需要TPP，硫辛酸，辅酶A，FAD和NAD5种辅助因子。这阶段又放出了1分子CO2，由 C5 C4 ；又产生1分子NADH；形成1个高能硫酯键。该酶是体系的第三个调节酶。,琥珀酰CoA合成酶催化的三羧酸循环中唯一底物水平磷酸化，生成一分子GTP。 琥珀酸脱氢酶催化的三羧酸循环中第三步氧化还原反应，该酶嵌合在线粒体内膜上，是线粒体内膜的重要组成成分，其他的酶大多存在于线粒体的基质中。这步反应生成一分子FADH2。丙二酸是该酶的抑制剂。 延胡索酸酶催化的加水反应，具有立体专一性，只能催化反式和L-异构体。 苹果酸脱氢酶催化的三羧酸循环中第4次氧化还原反应，又产生1分子NADH。,四、柠檬酸循环的化学总结算,TCA,由葡萄糖转变为两分子丙酮酸能量转变的估算,葡萄糖 + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ 2丙酮酸 + 2ATP + 2NADH + 2H+,丙酮酸到乙酰CoA的总反应式,CH3COCOO + HSCoA + NAD+ CH3COSCoA + CO2 + NADH,柠檬酸循环的总反应式,乙酰CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi +2H2O 2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP + 3H+ + CoA,TCA的总反应式,C6H12O6 + 6H2O + 10NAD+ + 2FAD + 4ADP + 4Pi,6CO2 + 10NADH + 10H+ + 2FADH2 + 4ATP,由TCA循环产生的NADH和FADH2必须经呼吸链将电子交给O2，才能回复成氧化态，再去接受TCA循环脱下的氢。所以，TCA循环需要在有氧的条件下进行。否则NADH和FADH2携带的H无法交给氧，即呼吸链氧化磷酸化无法进行，NAD+及FAD不能被再生，使TCA循环中的脱氢反应因缺乏氢的受体而无法进行。,产物NADH和FADH2的去路:,每个葡萄糖分子在糖酵解中可以产生2个ATP和2个NADH，共产生 2 + 22.5 = 7个ATP 从丙酮酸开始，柠檬酸循环中循环一圈，共产生4个NADH，1个FADH2，1个GTP（ATP），按每个NADH可以产生2.5个ATP、每个FADH2可以产生1.5个ATP计算，共产生 2.54 + 11.5 + 1 = 12.5 个ATP 每个葡萄糖分子（2个丙酮酸）在进入柠檬酸循环后可以产生25个ATP。 每个葡萄糖分子彻底氧化后共产生32个ATP。,ATP的产量,葡萄糖彻底氧化经由的途径： EMP途径、丙酮酸氧化脱羧、TCA循环、呼吸链氧化磷酸化。,乙酰CoA通过TCA循环脱下的氢由NADH及FADH2经呼吸链传递给O2，由此而形成大量ATP.,由乙酰CoA氧化产生的ATP中，只有1/10来自底物水平的磷酸化，其余都是由氧化磷酸化间接产生。,五、柠檬酸循环的调控,在柠檬酸循环中，虽然有8种酶参加反应，但在调节循环速度中起关键作用的有3种酶：柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和酮戊二酸脱氢酶复合体。 其调控可以分为两个方面： 柠檬酸循环本身各种物质对酶活性的调控； ADP、ATP和Ca2+的调控。,草酰乙酸与乙酰CoA缩合形成柠檬酸,草酰乙酸 乙酰CoA,柠檬酰CoA,柠檬酸,CoA,柠檬酸合酶,1,1,2,2,1,2,异柠檬酸氧化形成酮戊二酸,异柠檬酸脱氢酶,异柠檬酸 草酰琥珀酸,酮戊二酸,1,2,1,2,Step 3,Step 4酮戊二酸氧化脱羧形成琥珀酰CoA,酮戊二酸 琥珀酰CoA,-酮戊二酸 脱氢酶复合体,1,1,2,2,三羧酸循环的调节酶及其调节:,酶 的 名 称 柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氢酶 -酮戊二酸脱氢酶系,变构激活剂 ADP Ca2+ ADP、,变构抑制剂 ATP、NADH、柠檬酸 NADH ATP、NADH、 琥珀酰CoA,Ca2+ ADP、,柠檬酸循环本身制约系统的调节,1乙酰CoA和草酰乙酸的供应情况。乙酰CoA来源于丙酮酸，受到丙酮酸脱氢酶复合体活性的控制；草酰乙酸的供应取决于循环是否运行畅通，以及中间产物离开循环的速率和补充的速率。 2. NADH/NAD+的比值。柠檬酸合酶和异柠檬酸脱氢酶都受到NADH的抑制，但异柠檬酸脱氢酶对NADH更为敏感。酮戊二酸脱氢酶复合体也受NADH的抑制。 3产物的反馈抑制。柠檬酸合酶受高浓度柠檬酸的抑制；酮戊二酸脱氢酶复合体受琥珀酰CoA的抑制。,ATP、ADP和Ca2+对柠檬酸循环的调节,1ATP/ADP的比值。 ATP/ADP的比值对柠檬酸循环中的酶有调节作用，ADP是异柠檬酸脱氢酶的别构促进剂，可降低该酶的Km值，促进酶与底物的结合；而ATP抑制该酶。 2Ca2+浓度。 Ca2+可激活丙酮酸脱氢酶的磷酸酶，使丙酮酸脱氢酶去磷酸化而活化，从而增加乙酰CoA的供应。同时Ca2+也能激活异柠檬酸脱氢酶和酮戊二酸脱氢酶。,六、柠檬酸循环的双重作用,许多合成代谢都利用柠檬酸循环的中间产物作为生物合成的前体来源。柠檬酸循