有氧氧化课件VIP

第三节丙酮酸氧化脱羧与三羧酸循环,Chapter3Thepyruvateoxidizationandcitricacidcycle,在有氧条件下，丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoA，后者可进入三羧酸循环彻底氧化。,一、丙酮酸氧化脱羧,Theoxidativedecarboxylationofpyruvateinmitochondria:theoverallchemicaltransformation,involvingfivecofactorsandthreeenzymes.,一、丙酮酸氧化脱羧,E1丙酮酸脱氢酶(pyruvatedehydrogenasePDH)。催化丙酮酸的脱羧及脱氢，形成二碳单位乙酰基。具有辅基TPP。E2二氢硫辛酸转乙酰基酶(dihydrolipoyltransacetylaseTA)。催化二碳单位乙酰基的转移。具有辅基硫辛酸。E3二氢硫辛酸脱氢酶(dihydrolipoyldehydrogenaseDLD)。催化还原型硫辛酸氧化型。具有辅基FAD。,催化此过程的是丙酮酸脱氢酶复合体，它由3种酶有机地组合在一起：,一、丙酮酸氧化脱羧,整个过程涉及到的6个辅因子：TPP(焦磷酸硫胺素)、SSL(硫辛酸)、FAD、NAD+、CoA、Mg2+等。,丙酮酸脱氢酶复合体呈圆球形，每个复合体含有：6个PDH、24个TA、6个DLD其中TA为复合物的核心，它的一条硫辛酸臂可以旋转。,一、丙酮酸氧化脱羧,一、丙酮酸氧化脱羧,PyruvatedehydrogenasecomplexesfromE.coli:theelectronmicrographahugemultimericassemblyofthreekindsofenzymes,having60subunitsinbacteriaandmoreinmammals.,AmodeloftheE.colipyruvatedehydrognasecomplexshowingthethreekindsofenzymesandtheflexiblelipoamidearmscovalentlyattachedtoE2,E2(dihydrolipoyltransacetylase):consistingthecore,24subunits;E1(pyruvatedehydrogenase):boundtotheE2core,24subunits;E3(dihydrolipoyldehydrogenase):boundtotheE2core,12subunits.,Pyruvate,E2,E3,Hydroxyethyl-TPP,CO2,Acetyl-CoA,CoenzymeA(CoA-SH):discoveredin1945byLipmann,deliversactivatedacylgroups(with2-24carbons)fordegradationorbiosynthesis.,三羧酸循环(tricarboxylicacidcycle)，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。,该循环的提出的主要贡献者是英国生化学家Krebs，所以又称Krebs循环。,该循环还叫做柠檬酸循环。,1.化学反应过程,二、TCA循环,Step1.乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸,1.化学反应过程,二、TCA循环,Analdolcondensation,Themethylcarbonofacety-CoAjoinsthecarbonylcarbonofoxaloacetate;citroyl-CoAisatransientintermediate;hydrolysisofthethioesterbondreleasesalargeamountoffreeenergy.,Step1.乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸,这步反应由C4C6。,1.化学反应过程,Citratesynthase.CitrateisshowningreenandCoApink,二、TCA循环,Step1.乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸,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C4C6。,1.化学反应过程,二、TCA循环,Step2.柠檬酸异构化成异柠檬酸,1.化学反应过程,Iron-sulfur(red),cysteines(yellow)andisocitrate(white),二、TCA循环,Step3.异柠檬酸氧化脱羧,1.化学反应过程,二、TCA循环,这阶段放出了1分子CO2，由C6C5；产生1分子NADH,Step3.异柠檬酸氧化脱羧,1.化学反应过程,NADP+(gold);Ca2+(red),二、TCA循环,a-酮戊二酸脱氢酶复合体与丙酮酸脱氢酶复合体非常相似，也包含三种酶、五六种辅因子。,Step4.a-酮戊二酸氧化脱羧,1.化学反应过程,二、TCA循环,TPPlipoateFAD,(E1,E2,E3),Decarboxylatedfirst,thenoxidized;thecarbonreleasedasCO2isnotfromtheacetylgroupjoined;Thea-ketoglutaratedehydrogenasecomplexcloselyresemblesthepyruvatedehyrogenasecomplexinstructureandfunction(thetwoE1sandtwoE2saresimilar,thetwoE3sareidentical).,Reaction4,Step4.a-酮戊二酸氧化脱羧,1.化学反应过程,这阶段又放出了1分子CO2，由C5C4；又产生1分子NADH；形成1个高能硫酯键。,二、TCA循环,这阶段合成了1分子高能磷酸化合物GTP,Step5.由琥珀酰CoA生成高能磷酸键,1.化学反应过程,Malonate(丙二酸)isastrongcompetitiveinhibitor,二、TCA循环,Step6.琥珀酸氧化成延胡索酸,这一阶段的反应为C4的变化；产生1分子FADH2、1分子NADH。,1.化学反应过程,二、TCA循环,这阶段需要经历三步反应脱氢、加水、脱氢,Step7.延胡索酸至苹果酸,这一阶段的反应为C4的变化；产生1分子FADH2、1分子NADH。,1.化学反应过程,二、TCA循环,Step8.苹果酸至草酰乙酸（再生）,1.化学反应过程,Oxaloacetateisregenerated!,二、TCA循环,Theactivesiteofmalatedehydrogenase.Malateisshowninred;NAD+blue.,1.化学反应过程,Step8.苹果酸至草酰乙酸（再生）,二、TCA循环,2.TCA循环的总反应,二、TCA循环,每经历一次TCA循环有2个碳原子通过乙酰CoA进入循环，以后有2个碳原子通过脱羧反应离开循环。有4对氢原子通过脱氢反应离开循环，其中3对由NADH携带，1对由FADH2携带。产生1分子高能磷酸化合物GTP，通过它可生成1分子ATP。消耗2分子水，分别用于合成柠檬酸（水解柠檬酰CoA）和延胡索酸的加水。,2.TCA循环的总反应,二、TCA循环,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。,产物NADH和FADH2的去路:,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。,2.TCA循环的总反应,二、TCA循环,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1/12来自底物水平的磷酸化，其余都是由氧化磷酸化间接产生,3.能量的化学计量,二、TCA循环,3.能量的化学计量,二、TCA循环,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。,对于原核生物：,3.能量的化学计量,二、TCA循环,对于原核生物：,由于在EMP途径中生成的NADH在线粒体外，其磷氧比为2，所以1分子葡萄糖彻底氧化只能合成36ATP。,对于真核生物（高等植物、真菌、动物的肌细胞）:,3.能量的化学计量,二、TCA循环,Thecompleteoxidationofoneglucosemayyieldasmanyas32ATP,AlltheNADHandFADH2willeventuallypasstheirelectronstoO2afterbeingtransferredthroughaseriesofelectroncarriers.ThecompleteoxidationofeachNADHmoleculeleadstothegenerationofabout2.5ATP,andFADH2ofabout1.5ATP.freeenergychangesincells.,1.定位：线粒体,A柠檬酸合酶:该酶有负变构剂ATP，它使酶与底物的亲和力下降，从而Km值增大。B异柠檬脱氢酶:该酶有正变构剂ADP，它使酶与底物的亲和力增加。此外，NAD+、底物异柠檬酸使酶活升高；NADH、ATP使酶活下降。C-酮二酸脱氢酶:ATP、NADH及产物琥珀酰CoA抑制酶的活性。,2.不可逆反应与调节：,4.注意点,二、TCA循环,Inhibitedbyproductsandhighenergycharge;Activatedbyalowenergychargeorasignalforenergyrequirement(Ca2+).,Rateofthecitricacidcycleiscontrolledatthreeexergonicirreversiblestepscatalyzedby:,Citratesynthase,isocitratedehydrogenaseanda-ketoglutaratedehydrogenase,1.为生物体提供能量，是体内主要产生ATP的途径；,2.循环中的中间物为生物合成提供原料；如草酰乙酸、a-酮戊二酸可转变为氨基酸，琥珀酰CoA可用于合成叶绿素及血红素分子中的卟啉。,3.糖类、蛋白质、脂类、核酸等代谢的枢纽。,5.TCA循环的生物学意义,二、TCA循环,三、TCA的回补反应,三羧酸循环的一个重要作用是它的中间物可以为生物合成提供原料，但这些中间物必须得到补充，以保证TCA循环运转。尤其是起始物草酰乙酸，缺乏它乙酰CoA就不能进入循环。,生物体中存在着及时补充草酰乙酸的反应，称为