乙醛酸循环与TCA调节

乙醛酸循环乙醛酸循环是三羧酸循环的无氧变形 植物与动物细胞在代谢上有许多不同的方面 植物及许多微生物可以从脂肪合成糖 这种转换对种子的发育至关重要 在种子中 很多能量是以三酰甘油的形式贮存 当种子发芽时 三酰甘油断裂 转换成糖 提供植物生长所需要的能量和代谢中间物的前体 植物通过乙醛酸循环合成糖 动物中不存在乙醛酸循环 乙醛酸循环是一个环形途径 把两个乙酰辅酶A的乙酰基转换成琥珀酸 这条途径使用一些三羧酸循环中的酶 但绕过了两个丢失碳的反应 第二个乙酰辅酶A从旁路中进入循环 乙醛酸循环的反应 由异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶催化的反应 红色 绕过了三羧酸循环中从异柠檬酸到苹果酸之间的5个反应 乙醛酸 每一轮乙醛酸循环引入2个2碳片段 合成一个4碳的琥珀酸 这个循环发生在乙醛酸循环体上 生成乙酰辅酶A的脂肪酸 氧化也发生在乙醛酸循环体上 在乙醛酸循环体产生的琥珀酸被运送到线粒体 转换成草酰乙酸 乙醛酸循环允许许多微生物进行二碳底物的代谢 如乙酸 大肠杆菌可以生长在以乙酸作为唯一碳源的培养基上 与乙醛酸循环有关的细胞内的反应 脂质体 乙醛酸循环体 线粒体 胞浆 糖异生 琥珀酸 乙醛酸循环的反应 1 乙酰辅酶A由脂肪酸氧化产生 乙酸也可以通过乙酸硫激酶转换成乙酰辅酶A 乙酸 CoASH ATP 乙酰辅酶A AMP Pi2 乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合产生柠檬酸 3 柠檬酸与顺乌头酸酶反应产生异柠檬酸 4 异柠檬酸裂解酶切割异柠檬酸产生乙醛酸和琥珀酸 5 乙醛酸经苹果酸合成酶催化 在水的存在下接受乙酰辅酶A的乙酸 6 苹果酸在苹果酸脱氢酶的催化下再脱氢生成草酰乙酸 尽管这个反应 以及柠檬酸合成酶和顺乌头酸酶的反应 与三羧酸循环反应一样 但这三个在乙醛酸循环中的酶是三羧酸循环酶的同工酶 这些同工酶存在于植物的乙醛酸循环体中 只在乙醛酸循环中起作用 乙醛酸循环的总反应 2乙酰CoA NAD 2H2O 琥珀酸 2CoASH NADH 2H 乙醛酸循环 草酰乙酸 柠檬酸 异柠檬酸 a 酮戊二酸 琥珀酸辅酶A 琥珀酸 延胡索酸 苹果酸 乙酰辅酶A 顺乌头酸酶 异柠檬酸脱氢酶 a 酮戊二酸脱氢酶系 琥珀酸硫激酶 琥珀酸脱氢酶 延胡索酸酶 苹果酸脱氢酶 柠檬酸合成酶 NAD NADH H CO2 乙醛酸 异柠檬酸裂解酶 苹果酸合成酶 乙醛酸循环 2乙酰CoA 2H2O NAD 琥珀酸 2CoA NADH H 有些微生物因具有乙酰辅酶A合成酶 能利用乙酸作为唯一碳源 使乙酸生成乙酰辅酶A 进入乙醛酸循环 从乙酸开始的乙醛酸循环总反应 2乙酸 琥珀酸 NAD NADH H ATP AMP 可以二碳物为起始物合成三羧酸循环中的二羧酸与三羧酸 作为三羧酸循环上化合物的补充 在植物和微生物内 脂肪转变为糖使通过乙醛酸循环途径进行的 两个乙酰辅酶A合成一个苹果酸 氧化变成草酰乙酸后 脱羧生成丙酮酸可合成糖 乙醛酸循环的生物学意义 三羧酸循环的代谢调节三羧酸循环是生物合成的中间物的来源 又是产生代谢能量的通道 这个循环的调节在某种程度上比它作为能量产生的途径更复杂 与酵解类似 调节在底物的进入和循环中关键反应的控制这两种水平上进行 进入循环的起始物质是乙酰辅酶A 乙酰辅酶A可来自糖酵解产物丙酮酸的氧化脱羧反应 也可来自脂类的脂肪酸 氧化和氨基酸的分解代谢 丙酮酸氧化的控制整个丙酮酸氧化脱羧反应过程只有第一步脱羧反应是不可逆的 由于从丙酮酸到乙酰CoA是一个处于代谢途径分枝点的重要步骤 丙酮酸脱氢酶反应体系受到严密的调控 丙酮酸脱氢酶复合体活力的控制包括变构抑制和共价修饰控制变构抑制 1 产物抑制 丙酮酸氧化脱羧的两个产物乙酰CoA和NADH都抑制丙酮酸脱氢酶复合体 二氢硫辛酸乙酰转移酶 E2 受乙酰CoA的抑制 被CoA SH激活 二氢硫辛酸脱氢酶 E3 受NADH的抑制 被NAD 激活 2 核苷酸反馈调节 酶体系的活性由细胞的能荷所控制 ATP是酶复合体的变构抑制剂 AMP是活化剂 当细胞富有能量时 丙酮酸脱氢酶复合体活性降低 ATP ADP ATP ADP AMP 能荷 12 共价修饰控制通过丙酮酸脱羧酶 E1 的磷酸化和脱磷酸化调节丙酮酸脱氢酶复合体的活力 Mg2 共价修饰控制共价修饰由细胞的能量状态控制 在有ATP时 丙酮酸脱羧酶分子上3个特殊的丝氨酸残基被丙酮酸脱羧酶激酶磷酸化时 即失去活性 细胞内ATP ADP 乙酰CoA CoA和NADH NAD 的比值增高时 酶的磷酸化作用增加 丙酮酸抑制磷酸化作用 丙酮酸脱羧酶磷酸酶可水解除去丙酮酸脱羧酶上的磷酸基团 使酶再活化 丙酮酸脱羧酶磷酸酶受Mg2 和Ca2 的激活 胰岛素也可增加去磷酸化作用 增加丙酮酸氧化脱羧反应的速度 ATP和ADP与Mg2 的亲和力不同 游离Mg2 的浓度反映了线粒体中ATP和ADP的比例 当ATP浓度高时 丙酮酸脱氢酶活力关闭 因为不需要进一步产生能量 ATP浓度低时 发出需要产生更多ATP的信号 酶复合体激活 丙酮酸脱羧酶激酶是丙酮酸脱氢酶复合体的内在组分 丙酮酸脱羧酶磷酸酶也是酶复合体的一个组分 但与复合体结合较松 小结 丙酮酸脱氢酶复合体活性是由能荷 NAD NADH的比例 以及乙酰化的和自由的辅酶A比例来控制 三羧酸循环的控制三羧酸循环的主要调控步骤和调节因子 异柠檬酸脱氢酶 柠檬酸合成酶 酮戊二酸脱氢酶 苹果酸脱氢酶 丙酮酸脱氢酶 三羧酸循环调节要点 最重要的控制三羧酸循环的因子是线粒体内 NAD 与 NADH 的比例 NAD 是三个参与循环的脱氢酶的底物 也是丙酮酸脱氢酶的底物 在电子传递受到抑制时 NAD NADH的比值减小 低浓度的NAD 抑制上述脱氢酶的活力 在动物肝中 柠檬酸的量可有10倍的变化 柠檬酸浓度低时 柠檬酸合成酶催化的反应主要受底物浓度的控制 草酰乙酸的浓度在线粒体内很低 可以在底物水平上对柠檬酸合成酶的反应进行调节 变构调节的主要位点是异柠檬酸脱氢酶和 酮戊二酸脱氢酶催化的反应 异柠檬酸脱氢酶被ADP激活 被NADH抑制 酮戊二酸脱氢酶活力被琥珀酰辅酶A和NADH抑制 小结 通过ADP对异柠檬酸脱氢酶的变构激活