生物化学第11章柠檬酸循环ppt.ppt

第十一章柠檬酸循环 柠檬酸 TCA 循环过程中关键的化合物是柠檬酸 因为柠檬酸有三个羧基 所以又称三羧酸循环 tricarboxylicacidcycle TCA 柠檬酸循环在细胞的线粒体中进行 柠檬酸循环不仅是糖的有氧分解代谢途径 也是脂肪酸和氨基酸的分解代谢途径 柠檬酸循环的中间物还是许多物质生物合成的前体 在无氧的条件下 葡萄糖经糖酵解反应获取能量 产生的丙酮酸被还原为乳酸 或酒精 C6H12O6 2H3C CHOH COO 2H Go 196kJ mol但是 在有氧的条件下 葡萄糖则完全氧化成CO2和H2O 并产生细胞活性所需的大量的能量 C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O Go 2867kJ mol 这表明在糖的无氧分解产物中还蕴藏着极为丰富的能量 乳酸分子中还含有葡萄糖分子93 的可供利用的能量 在有氧的条件下 最终被氧化成CO2和H2O 这样的代谢过程称为呼吸 respiration 或细胞呼吸 因为这一过程消耗氧 释放出CO2 细胞呼吸可分为三个不同的阶段 第一阶段是葡萄糖经糖酵解转变成丙酮酸 丙酮酸再被氧化成乙酰CoA 对于细胞呼吸的其他有机燃料分子脂肪酸以及氨基酸 经相应的代谢途径亦可转变成乙酰CoA 第二阶段是指有机燃料分子氧化产生的乙酰CoA进入一个称为柠檬酸循环的代谢途径 被酶促转变成CO2 同时产生还原性的电子载体NADH和FADH2 第三阶段是指前两个阶段产生的还原性的NADH和FADH2被氧化 重新形成氧化型的辅酶 第一节丙酮酸氧化在有氧的条件下 糖酵解产生的丙酮酸或乳酸氧化产生的丙酮酸或者某些氨基酸分解产生的丙酮酸经特殊的载体蛋白转运到线粒体内 首先经氧化脱羧反应转变成乙酰CoA 一丙酮酸脱氢酶复合物丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoA的反应是由丙酮酸脱氢酶复合物催化的 这个酶复合物由丙酮酸脱氢酶 E1 二氢硫辛酰转乙酰基酶 E2 和二氢硫辛酰脱氢酶 E3 三种酶构成 每一种酶在该复合物中均有多个拷贝 大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合物分子量约4600kD 外形呈球形 其直径约为30nm 该复合物的核心由24个E2构成 24个E1和12个E3环绕E2排列 真核生物丙酮酸脱氢酶复合物比大肠杆菌的酶更为复杂 二丙酮酸脱氢酶复合物催化的反应丙酮酸脱氢酶复合物催化五步顺序反应 其总反应是 CH3 CO COO CoA SH NAD CH3 CO CoA CO2 NADH在丙酮酸脱氢酶复合物催化的反应中涉及五种不同的辅酶 它们分别是焦磷酸硫胺素 TPP 硫辛酸 lipoicacid 辅酶A CoA 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 NAD 和黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD E1 丙酮酸脱氢酶E2 二硫辛酸转乙酰基酶E3 二氢硫辛酸转乙酰基酶 丙酮酸脱氢酶系多酶体系 位于线粒体膜上 E coli的丙酮酸脱氢酶系分子量 4 5 106 直径45nm 比核糖体稍大 酶辅酶亚基数丙酮酸脱氢酶 E1 TPP24二氢硫辛酰转乙酰酶 E2 硫辛酸24二氢硫辛酰脱氢酶 E3 FAD12此外 还需要辅酶A CoA NAD Mg2 作为辅因子 辅酶A是重要的酰基载体 E1使丙酮酸脱羧生成羟乙酰 TPP E2从TPP上接受含负碳离子的羟乙酸交给CoA生成乙酰CoA E3辅基FAD从二氢硫辛酸上接受氢 然后转交给NAD 生成NADH 第二节柠檬酸循环柠檬酸循环 citricacidcycle 是乙酰基二碳单位进一步氧化降解产生CO2和还原型辅酶的代谢途径 由于该反应顺序是乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸开始的 且草酰乙酸经多步反应之后重新生成 构成了一个循环反应途径 因此 该循环反应称为柠檬酸循环 一 柠檬酸循环的研究历史柠檬酸循环处在物质代谢的中心位置 该途径的发现在生物化学发展史上占据着重要的位置 德国科学家HansKrebs在阐明柠檬酸循环中作出特殊贡献 1953年获得诺贝尔医学奖 柠檬酸循环又称Krebs循环 柠檬酸 三羧酸 循环概貌由丙酮酸形成的乙酰CoA或者是其它代谢途径 如脂肪酸或氨基酸的分解代谢途径 产生的乙酰CoA可以通过柠檬酸循环氧化 柠檬酸循环涉及八步酶促反应 二 柠檬酸循环的反应过程 一 柠檬酸的生成柠檬酸合酶 citratesynthase 催化乙酰CoA与草酰乙酸的缩合 生成柠檬酸 这是柠檬酸循环的起始反应 同位素标记实验表明 乙酰基上的甲基碳与草酰乙酸的羰基碳结合 柠檬酸合酶催化的反应遵循有序顺序反应机制 由于乙酰CoA是一种高能化合物 当硫酯键被水解时 可释放出大量的能量 Go 32 5kJ mol 因而在细胞内能推动反应向柠檬酸生成的方向进行 柠檬酸合酶催化的反应是不可逆的 受到多种效应物的调节 柠檬酸合酶反应的机制 二 异柠檬酸的形成柠檬酸在顺乌头酸酶 aconitase 的催化下 异构化转变成异柠檬酸 isocitrate 顺乌头酸 cis aconitate 是这一转变反应的中间物 该步反应是可逆的 Go 6 3kJ mol 反应有利于柠檬酸 因此 在平衡时 异柠檬酸大约只占10 顺乌头酸酶顺乌头酸酶 柠檬酸是一种前手性分子 然而顺乌头酸酶却能对柠檬酸两端的两个相同的基团 CH2 COO 具有选择性 如反应式所指出的 脱水和加水反应只涉及到柠檬酸的下半部分 即来自草酰乙酸碳原子上的基团 对这种选择的解释是 根据酶作用的立体专一性 酶分子活性中心是不对称的 有三个不同的结合位 这三个不同的结合位只有在与底物分子的三个不同的取代基互补配对时 该酶才能进行催化 柠檬酸的中心碳连接有四个取代基 其中两个是相同的 CH2 COO 但是这两个相同的基团在空间取向上是不同的 也就是说在空间上是可以区别的 顺乌头酸酶的这种作用特性就解释了为什么后续的脱羧反应只发生在与乙酰基参入部位相对的碳位上 而不发生在乙酰基参入部位这一端 当柠檬酸与顺乌头酸酶的活性中心结合时 酶活性中心的微环境能区别在空间取向上不同的两个相同的基团 使得两个相同的基团中只有一个被酶作用 而另一个则不能被酶催化 三 异柠檬酸的氧化脱羧异柠檬酸脱氢酶催化异柠檬酸氧化脱羧转变成 酮戊二酸 这是柠檬酸循环的第一步脱羧反应 在该反应中伴随NAD 还原产生NADH 注意 这里脱去的CO2来自原初的草酰乙酸部分 而不是乙酰CoA的乙酰基部分 在该酶的催化反应中 异柠檬酸的二级醇羟基氧化 转变成草酰琥珀酸 oxalosuccinate 接着 位羧基发生脱羧反应 生成 酮戊二酸 Mn2 在反应中起着使新形成的羰基极化的作用 这一反应的 Go 是 20 9kJ mol 能有效地推动顺乌头酸酶催化异柠檬酸的生成反应 草酰琥珀酸是异柠檬酸脱氢酶催化反应的中间物 它只是瞬间存在 但是酶活性部位的残基 Tyr160和Lys230 如发生突变 则使该酶的活性降低 即产生动力学 瓶颈 造成反应中间物的积累而证实它的存在 在哺乳动物组织中也存在依赖于NADP 的异柠檬酸脱氢酶 异柠檬酸脱氢酶的反应机制 Mn2 使草酰琥珀酸中间物上的羰基极化 四 酮戊二酸氧化脱羧产生琥珀酰CoA 酮戊二酸在 酮戊二酸脱氢酶复合物的催化下 氧化脱羧 产生琥珀酰CoA 同时释放出CO2和NADH 这里 释放出CO2同样来自原初的草酰乙酸部分而不是来自乙酰CoA的乙酰基 如果说 顺乌头酸酶对柠檬酸的两个相同的基团没有选择性 酮戊二酸脱羧反应释放出CO2应有一半含有放射性标记 但是 实际结果没有 这证实了顺乌头酸酶具有选择性 酮戊二酸脱氢酶复合物催化的反应在化学上与丙酮酸脱氢酶复合物相似 这个酶复合物也是由三种酶组成 酮戊二酸脱氢酶 E1 二氢硫辛酰转琥珀酰基酶 E2 二氢硫辛酰脱氢酶 E3 E1和E2作用的底物不同 这里E3与丙酮酸脱氢酶复合物的E3相同 酮戊二酸脱氢酶复合物催化的是一个高度放能的反应 Go 33kJ mol 反应产生的琥珀酰CoA象乙酰CoA一样 含有一个高能硫酯键 五 琥珀酰CoA氧化转变成为琥珀酸琥珀酰CoA合成酶 succinyl CoAsynthetase 催化琥珀酰CoA裂解产生琥珀酸 并伴随高能磷酸化合物 GTP或ATP 的生成 该反应的 Go 约为 2 1kJ mol 这是柠檬酸循环中唯一直接产生高能磷酸化合物的反应 是底物水平磷酸化的又一个例子 由于其逆反应能形成硫酯键 因此 该酶亦称之为琥珀酸硫激酶 succinatethiokinase 在哺乳动物体内 该反应通常合成的是GTP 植物和细菌的琥珀酰CoA合成酶则通常合成ATP 哺乳动物体产生的GTP在核苷二磷酸激酶 nucleosidediphosphatekinase 催化下 可以将它末端的磷酸基转移到ADP上 生成ATP GTP ADP GDP ATP 琥珀酰CoA合酶催化的反应涉及到CoA被磷酸基取代 在该酶的活性部位形成琥珀酰基磷酸 succinylphosphate 然后 磷酸基转移到酶活性部位的His残基上 形成磷酸组氨酸 并释放出琥珀酸 随后磷酸基被转移到GDP上 生成GTP 琥珀酰CoA合酶催化的反应 六 琥珀酸氧化形成延胡索酸琥珀酸氧化转变成延胡索酸是在琥珀酸脱氢酶 succinatedehydrogenase 催化下进行的 FAD作为该酶的辅基 共价结合在酶的一个His残基上 在酶促反应中接受底物氧化脱下的电子和氢 这一反应的自由能变化接近 6kJ mol 琥珀酸脱氢酶是柠檬酸循环中唯一的线粒体内膜结合蛋白 也是琥珀酸 CoQ氧化还原酶的一部分 琥珀酸的氧化涉及从它中间两个碳原子的相反两侧各除去一个H原子 这一涉及烷氧化成烯的反应 没有足够的能量使NAD 还原 但却能使FAD还原为FADH2 与此相反 醇 或酮的氧化反应 可以产生足够的能量推动NAD 的还原 琥珀酸脱氢酶是一种由分子量为70kD和27kD两个亚基构成的二聚体蛋白 FAD共价地结合到大亚基上 琥珀酸脱氢酶也含有铁 硫簇 该酶催化的反应具有立体专一性 它只能催化琥珀酸从相反位置脱氢转变成延胡索酸 反丁烯二酸 或其逆反应 但不能催化琥珀酸从同一侧脱氢产生顺丁烯二酸或其逆反应 由于琥珀酸脱氢酶没有区分琥珀酸相同两端的能力 如果用于柠檬酸合成的乙酰基的羰基碳事先用14C标记 那么经上述6步反应生成的琥珀酸的羧基碳均应含有放射性标记 只不过每个羧基碳的放射性强度只保有原初标记的50 其后每种化合物的羧基碳原子均同样如此 七 延胡索酸的水合反应延胡索酸在延胡索酸酶 fumarase 催化下 双键水合生成L 苹果酸 L malate 所以延胡索酸酶也叫做延胡索酸水合酶 fumaratehydratase 水合反应很可能先形成负碳离子的转换态形式 转换态形成中 首先受到OH 阴离子的攻击 形成负碳离子 接着发生质子 H 化反应 该反应 Go 3 4kJ mol 延胡索酸酶具有很高的立体专一性 它只作用于延胡索酸 从双键的相反方向加OH 和H 生成L 苹果酸 或者催化其逆反应 L 苹果酸脱水变成延胡索酸 该酶不能催化顺丁烯二酸加水变成苹果酸 也不能催化D 苹果酸的脱水反应 延胡羧酸水和反应的过程 八 草酰乙酸的生成苹果酸氧化转变成草酰乙酸是柠檬酸循环的最后一步反应 催化这一反应的酶是L 苹果酸脱氢酶 L malatedehydrogenase 该反应 Go 29 7kJ mol 在热力学上不利于草酰乙酸的生成 而有利于逆向反应 因此 草酰乙酸在细胞内的浓度是很低的 但是 在细胞内 不利于草酰乙酸生成的反应可以被柠檬酸循环的第一步反应 由柠檬酸合酶催化 所推动 向有利于草酰乙酸生成的方向进行 因为柠檬酸合酶催化乙酰CoA与草酰乙酸的缩合反应是高能放能的 Go 31 5kJ mol 苹果酸脱氢酶催化氢负离子转移到NAD 的机制与乙醇脱氢酶和乳酸脱氢酶相似 X 射线分析表明 这三种酶的NAD 结合域具有显著的相似性 与NAD 结合域从一个共同的祖先进化的观点是一致的 苹果酸脱氢生成草酰乙酸 三 TCA循环总观 1 当一分子的乙酰CoA与草酰乙酸缩合而进入TCA循环后 其整个化学反应的净结果是 CH3CO SCoA 2H2O 3NAD FAD ADP Pi 2CO2 3NADH 3H FADH2 ATP CoASH表明TCA循环每循环一次 只有一分子的乙酰CoA被氧化 所有TCA中间物并不因参加反应而有所增减 2 乙酰CoA进入TCA循环后 有二处脱羧反应 四处氧化脱氢反应 共生成3分子的NADH和一分子的FADH2 一次底物水平磷酸化 生成一分子的ATP 氧化反应生成的NADH和FADH2进入电子传递链 发生氧化磷酸化 产生ATP 并使NAD 和FAD得以再生 以便重新参与TCA循环反应和维持该循环的正常运转 所以TCA循环和氧化磷酸化是协同进行的 3 同位素标记实验表明 乙酰CoA的乙酰基的碳并没有从TCA循环的第一循环中除去 经脱羧反应生成的2分子CO2来自原初的草酰乙酸 而乙酰基上的两个碳参与了草酰乙酸的重新生成 被标记的乙酰基上的羰基碳可在该循环的第二循环反应的第三步和第四步分别脱去 被标记的乙酰基上的甲基碳在两轮循环后仍被保留 在第一轮中 随机地保留在琥珀酸的中间两个碳原子上 在第二轮中 随机地保留在琥珀酸的所有四个碳原子上 这就意味着 在第三轮循环中的两次 脱羧反应将消去50 的来自最初甲基碳的放射性标记 此后 每轮循环将消去残留标记的50 四 柠檬酸循环的生物学意义 一 提供能量一分子的葡萄糖经过糖酵解和柠檬酸循环以及氧化磷酸化 总共可产生38分子或36分子的ATP 1摩尔的葡萄糖完全氧化可产生 2867kJ的能量 若按每摩尔的ADP磷酸化需要30 5kJ的能量计 那么1摩尔的葡萄糖产生的38摩尔ATP共利用能量30 5 38 1159kJ 能量的利用率达40 肝脏中一分子的葡萄糖完全氧化产生ATP的总反应是葡萄糖 6O2 8ADP 38Pi 6CO2 44H2O 38ATP Go 1707 9kJ mol 在真核生物中 酵解反应发生在胞液中 而完整的线粒体对NADH和NAD 是不可渗透的 那么NADH怎样才能被呼吸链氧化呢 NADH是在甘油醛 3 磷酸被氧化时产生的 而NADH必须被氧化重新产生NAD 酵解才能继续进行 有两种解决的途径 一种是苹果酸 天冬氨酸穿梭系统 malate aspartateshuttlesystem 另一种是磷酸甘油穿梭系统 glycerolphosphateshuttlesystem 二 柠檬酸循环也是其他有机物完全氧化的一条主要途径脂肪酸经 氧化产生的乙酰CoA 可进入柠檬酸循环被彻底氧化 同时产生能量 甘油也可经酵解途径转变成丙酮酸 再氧化成乙酰CoA进入柠檬酸循环 氨基酸降解的产物也须经柠檬酸循环被完全氧化 谷氨酸 谷氨酰胺等氨基酸转变成 酮戊二酸后 并不导致 酮戊二酸的自身净氧化 只会导致该循环中间物的浓度升高 但是 氨基酸在生物体内是能被完全氧化的 问题在于如何达到这个目的 在骨骼肌中 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 PEPCK 丙酮酸激酶 PK 和丙酮酸脱氢酶复合物 PDH 可以催化草酰乙酸到乙酰CoA的转变 这就允许柠檬酸循环中的过量中间物 包括由氨基酸转变而来的产物 被完全氧化 例如谷氨酸等氨基酸转变成 酮戊二酸后 可通过这个途径转变成乙酰CoA而被彻底氧化 总的化学计量是 酮戊二酸 5CO2 此途径包括五步脱羧反应 在柠檬酸循环中三次 在该循环外两次 注意 草酰乙酸取道磷酸烯醇式丙酮酸并不意味着一定会被氧化 因为丙酮酸可以转变成丙氨酸 或者沿糖异生途径转变成糖 见后续有关章节 三 柠檬酸循环的双向功能柠檬酸循环的中间物不仅起着维持该循环运转的功能 促进有机燃料分子氧化产生能量 而且一些重要的生物合成途径利用该循环的中间物作为合成反应的起始材料 即是说 柠檬酸循环具有双向 合成和分解 的功能 1 草酰乙酸以及柠檬酸循环的其他中间物可经糖异生途径合成葡萄糖 以维持某些组织对葡萄糖的需要 2 脂肪酸的合成是发生在胞液中的一种需要乙酰CoA作为碳源的过程 乙酰CoA的生成发生在线粒体中 而线粒体内膜对乙酰CoA是不可通透的 胞液乙酰CoA产生于柠檬酸的裂解 当柠檬酸在线粒体内合成之后 跨膜转移至胞液中 3 柠檬酸循环的中间物 酮戊二酸和草酰乙酸可以直接用来合成谷氨酸和天冬氨酸 而这些氨基酸又可以进一步用来合成其他氨基酸 柠檬酸循环的双向功能 糖异生 柠檬酸裂解为乙酰CoA合成脂肪酸 胆固醇 卟啉 五柠檬酸循环中间物的回补当柠檬酸循环的中间物因用于其他物质合成时 就会减少 或中断 能量的产生和中间物的继续供应 在这种情况下 为确保柠檬酸循环的畅通 必须要有相应补充该循环中间物的途径 即所谓回补途径 anaplerosis 常见的三条途径 丙酮酸羧化生成草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸转变为草酰乙酸丙酮酸羧化生成苹果酸 一 丙酮酸羧化成草酰乙酸在动物体内 最重要的回补途径是丙酮酸羧化转变成草酰乙酸 这一反应是丙酮酸羧化酶催化的 这个酶是一种线粒体酶 该反应需要ATP提供能量 并需要生物素和Mg2 丙酮酸 CO2 ATP H2O 草酰乙酸 ADP Pi 丙酮酸羧化酶是调节酶 乙酰CoA是丙酮酸羧化酶最重要的别构激活剂 在乙酰CoA缺乏的情况下 丙酮酸羧化酶几乎完全没有活性 当乙酰CoA丰富时 丙酮酸羧化酶就被激活 从而使丙酮酸羧化成草酰乙酸 使其浓度升高 于是允许柠檬酸循环的有效地进行 丙酮酸羧化酶在糖的异生作用中也是一种很重要的酶 二 磷酸烯醇式丙酮酸转变成草酰乙酸在动物的心脏和肌肉组织中 存在一种磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 carboxykinase 它能催化磷酸烯醇式丙酮酸转变成草酰乙酸 并产生GTP 但此酶对草酰乙酸的亲和力大 而对CO2的亲和力很小 故此酶更适合于催化磷酸烯醇式丙酮酸的生成 在糖异生作用中也是很重要的酶 在植物和细菌中 有一种磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 这个酶在动物体内不存在 该酶能催化磷酸烯醇式丙酮酸羧化成草酰乙酸 这个酶不需要生物素 也不需要ATP 在绿色植物中 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶不仅为柠檬酸循环补充草酰乙酸 而且也是四碳双羧酸植物固定CO2的一步重要的反应 三 苹果酸酶催化丙酮酸羧化为苹果酸具有回补功能的另一种反应由苹果酸酶 malicenzyme 催化 这个酶能催化丙酮酸羧化及还原反应 生成苹果酸 故有时此酶也叫做苹果酸脱氢酶 该反应发生在胞液中 生成的苹果酸可以通过专一性载体进入到线粒体 在线粒体内的需NAD 的苹果酸脱氢酶催化下生成草酰乙酸 苹果酸酶的辅酶是NADP 所以上述反应的逆反应可以产生NADPH NADPH是许多生物合成反应 例如脂肪酸合成 的还原剂 柠檬酸循环中间物的回补 丙酮酸羧化成草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸转变成草酰乙酸 苹果酸酶催化丙酮酸羧化为苹果酸 六乙醛酸途径植物 尤其是尚不能完成光合作用的幼苗 以及某些细菌和藻类能够利用乙酸作为它们唯一的碳源去合成它们自身的含碳化合物 这是因为这些生物具有能将乙酸或乙酰CoA转变成草酰乙酸的酶系统 这一酶系统称为乙醛酸途径或乙醛酸循环 这一途径涉及到两个不同的细胞器 即线粒体和乙醛酸循环体 glyoxysome 后者是特化的过氧化物酶体 peroxisome 乙醛酸途径的酶大多数与柠檬酸循环中的酶相同 乙醛酸途径的过程是 1 线粒体内的草酰乙酸转变成天冬氨酸 天冬氨酸被转运到乙醛酸循环体中 并再次转变成草酰乙酸 2 草酰乙酸与乙酰CoA缩合生成柠檬酸 3 柠檬酸转变成异柠檬酸 4 乙醛酸循环体内的异柠檬酸裂解酶 isocitratelyase 将异柠檬酸裂解成琥珀酸和乙醛酸 glyoxylate 琥珀酸可被转运到线粒体内 进入柠檬酸循环 重新生成草酰乙酸 从而完成一次循环 因此 乙醛酸途径导致乙酰CoA净转变成乙醛酸 而不是象柠檬酸循环那样将乙酰CoA转变成两分子的CO2 5 乙醛酸循环体还含有另一种特有的酶 苹果酸合酶 malatesynthase 这个酶能催化乙醛酸与另一分子的乙酰CoA缩合成苹果酸 6 苹果酸从乙醛酸循环体中转运出来 进入到胞液 在胞液苹果酸脱氢酶的催化下 氧化成草酰乙酸 因此 乙醛酸循环的总反应是两分子的乙酰CoA转变成一分子的草酰乙酸 2乙酰CoA 2NAD FAD 草酰乙酸 2CoA SH 2NADH FADH2 H 乙醛酸 异柠檬酸裂解酶和苹果酸合酶只存在于植物和某些微生物中 由于有这两种酶的存在 因此 萌发的植物种子能将它们贮存在的三酰甘油氧化产生的乙酰CoA转变成葡萄糖 缺乏乙醛酸途径的生物是不能将乙酰CoA净转变成葡萄糖的 乙醛酸途径导致乙酰CoA净转变成乙醛酸 而不是象柠檬酸循环那样将乙酰CoA转变成两分子的CO2 植物和某些细菌和藻类利用乙酸作为它们唯一的碳源去合成它们自身的含碳化合物 这些生物具有将乙酸或乙酰CoA转变为草酰乙酸的酶系统 该酶系统称为乙醛酸循环 该途径涉及线粒体和乙醛酸循环体两个细胞器 乙醛酸循环体是特化的过氧化物酶体 乙醛酸途径的酶大多数与柠檬酸循环中的酶相同 乙醛酸循环体 第三节柠檬酸循环的调节柠檬酸循环的活性与细胞的需要密切相关 主要取决于两个方面的需要 一是细胞对能量的需要 二是细胞内的生物合成反应对代谢中间物的需要 为了保证中间物和能量的产生与细胞的需要相协调 避免能量和中间物的浪费性过度产生 柠檬酸循环必须有效地受到控制 丙酮酸的碳架进入柠檬酸循环被氧化的调节主要发生在两个环节上 即丙酮酸转变成乙酰CoA的控制和柠檬酸循环本身的活性控制 一 丙酮酸脱氢酶复合物活性的调节丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA的反应是葡萄糖在有氧下进入柠檬酸循环的关键步骤 因此 丙酮酸脱氢酶复合物活性的控制对于糖的有氧分解起着关键的作用 丙酮酸脱氢酶复合物的活性可受到两种不同的方式控制 即别构调节和共价修饰调节 一 别构调节丙酮酸脱氢酶复合物的活性强烈受到高水平的ATP以及该酶复合物的产物乙酰CoA和NADH的抑制 ATP能抑制丙酮酸脱氢酶的活性 乙酰CoA能抑制二氢硫辛酰转乙酰基酶的活性 NADH抑制二氢硫辛酰脱氢酶的活性 相反 当AMP CoA和NAD 处在高水平时 则激活丙酮酸脱氢酶复合物的活性 丙酮酸脱氢酶的活性强烈地取决于线粒体内的 ATP AMP 乙酰CoA CoA 以及 NADH NAD 的比值 当这个比值升高时 则会关闭该酶复合物的活性 降低丙酮酸进入柠檬酸循环被氧化的速度 当细胞需要能量时 其代谢信号是 AMP ATP 以及 NAD NADH 的水平升高 该酶复合物被激活 导致丙酮酸进入柠檬酸循环的速度升高 pi H2O E1 OPO32 E1 OH 无活性 有活性 丙酮酸脱氢酶磷酸酶 ATP ADP 丙酮酸脱氢酶激酶 二 共价修饰调节在脊椎动物中 丙酮酸脱氢酶复合物共价修饰调节是对该酶复合物别构调节的重要补充 有两种辅助性的酶与丙酮酸脱氢酶复合物结合在一起 它们对丙酮酸脱氢酶复合物的活性的共价修饰调节起很重要的作用 当细胞含有较高水平的ATP 并含有丰富的乙酰CoA 它也是脂酸降解的产物 时 便构成了一种信号 表示乙酰CoA不需要再继续合成 在这种情况下 ATP以及乙酰CoA和NADH作为丙酮酸脱氢酶激酶的激活剂刺激它的活性 激活后的这个激酶能利用ATP使丙酮酸脱氢酶特定部位上的丝氨酸残基磷酸化而失去活性 当细胞需要能量 即ATP水平降低 时 无活性的磷酸化的丙酮酸脱氢酶便在丙酮酸脱氢酶磷酸酶的催化下 脱去磷酸基而恢复其活性 这个磷酸酶的活性受Ca2 浓度调节 当游离的Ca2 浓度升高时 这个酶便可以被激活 而游离的Ca2 浓度的变化取决于细胞对ATP的需要 当细胞需要产生ATP时 Ca2 浓度也就随之升高 因此 游离的Ca2 浓度的变化可以作为代谢变化的一种重要的信息 当血糖浓度升高时 胰岛素的分泌受到刺激 胰岛素亦能激活丙酮酸脱氢酶磷酸酶的活性 促进乙酰CoA的合成 在植物线粒体内 丙酮酸脱氢酶亦受磷酸化和