《糖代谢TCA》PPT课件.ppt

,第四章 糖代谢-2 -TCA cycle, 第三节 柠檬酸循环, 掌握一些基本概念：柠檬酸循环, 致死合成， 填补反应，乙醛酸循环 熟悉柠檬酸循环途径的定位、各步酶促反应、限速酶、酶的作用特点以及总反应式。 会分析和计算柠檬酸循环中产生的能量，以及底物分子中标记碳的去向。,一、丙酮酸进入柠檬酸循环的准备阶段 形成乙酰-CoA 二、柠檬酸循环的反应历程 三、柠檬酸循环的化学总结算 四、柠檬酸循环的调控 五、柠檬酸循环的生物学意义 六、乙醛酸循环,第三节 柠檬酸循环,糖的有氧氧化: 糖在有氧条件下，彻底氧化成CO2和H2O并产生大量能量的过程，称为糖的有氧氧化. 区域：胞液 、线粒体,第三节 柠檬酸循环(THE CITRIC ACID CYCLE) 有氧条件下丙酮酸的去向, 三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle, TCA cycle) = TCA循环 = 柠檬酸循环 = Krebs循环 三羧酸循环: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、脱羧反应，最终生成CO2和H2O并产生能量的过程,即乙酰CoA通过一个包括三羧酸和二羧酸的循环而逐步氧化分解生成CO2的过程。又称为柠檬酸循环或 Krebs循环，简称TCA循环。 在真核生物的线粒体的基质和在原核生物的细胞溶胶中进行。,TCA循环是糖、脂肪以及氨基酸有氧代谢的最终途径。 代谢枢纽。,三羧酸循环-线粒体(mit),mit,丙酮酸转运酶 (一元羧酸转运酶),乙酰 - CoA,一 准备阶段：丙酮酸 乙酰 - CoA,细胞溶胶,准备阶段：丙酮酸 乙酰 - CoA,-巯基乙胺-泛酸-ADP-3-P,特点:-氧化脱羧,线粒体基质,（一）丙酮酸脱氢酶系(复合体) （pyruvate dehydrogenase complex）：,丙酮酸脱氢酶系(丙酮酸脱氢酶复合体)： 丙酮酸脱氢酶(pyruvate dehydrogenase) 二氢硫辛酰转乙酰基酶(dihydrolipoyl transacetylase) 二氢硫辛酸脱氢酶(dihydrolipoyl dehydrogenase， dihydrolipoamide dehydrogenase, 二氢硫辛酰胺脱氢酶) 6种辅助因子: TPP, 硫辛酸 ( ), CoA-SH , FAD, NAD+, Mg2+,砷化物,-氧化脱羧,二氢硫辛酰 转乙酰基酶,硫辛酰赖氨酰摇摆臂及其在丙酮酸脱氢酶复合体中的作用,课外阅读,1 丙酮酸脱羧反应： COO- CO2 O = C + TPP- E1 羟乙基-TPP乙酰二氢硫辛酰胺 E2 CH3 2 乙酰基与CoA结合形成乙酰 CoA： 乙酰二氢硫辛酰胺 E2 + HSCoA E2 O CoA - S C-CH3 + 二氢硫辛酰胺 E2,（二）丙酮酸转变为乙酰 CoA的步骤,S-CH CH2 S-CH CH2- CH2- ,3 还原型二氢硫辛酰胺的氧化： FAD FAD E2 SH + E3 S E3 E2 S + E3 SH SH S S SH 4 二氢硫辛酸（酰胺）脱氢酶氧化及NADH合成： FAD FADH2 NAD+ NADH+H+ FAD E3 SH E3 S E3 S SH S S,来自Glc的 C3或C4,E. coli 丙酮酸脱氢酶复合体反应体系涉及： 3种酶：E1、E2、E3 3种辅基： TPP 、二氢硫辛酸、FAD 2种辅酶：CoASH、NAD+ Mg 2 +,6,，Mg2+,Mg2+,课外阅读,（三）丙酮酸脱氢酶系(复合体)的调控,1 产物抑制：NADH、乙酰辅酶A竞争抑制E3和E2 2 磷酸化和去磷酸化的调控： 激酶：使E1磷酸化 失活 E2上结合 磷酸酶：使E1去磷酸化 活化,丙酮酸脱氢酶系最重要的调节组分是: 丙酮酸脱氢酶（E1）,细胞内 、 、 的比值增高时，激活了激酶，丙酮酸脱氢酶活性，丙酮酸氧化脱羧。,激酶和磷酸酶的活力受能荷、生物合成需要等影响,(一)： 乙酰CoA、NADH、ATP、PDH激酶 ()： AMP、Ca2+ 、胰岛素、PDH磷酸酶,一般来说,高的能荷抑制产生ATP的途径,(一元羧酸转运酶),三羧酸循环总图,二 柠檬酸循环的反应历程,课外阅读,TCA 循环的八步反应: (一) 柠檬酸合酶催化乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸 (二)顺乌头酸酶催化前手性分子柠檬酸转化成手性分子异柠檬酸 (三)异柠檬酸脱氢酶催化异柠檬酸氧化生成-酮戊二酸和CO2 (四) -酮戊二酸脱氢酶复合物催化 -酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA (五)琥珀酰CoA合成酶催化底物水平磷酸化 (六)琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸 (七)延胡索酸酶催化延胡索酸水化生成L-苹果酸 (八)苹果酸脱氢酶催化苹果酸氧化重新形成草酰乙酸，完成一轮柠檬酸循环,限速酶,(一) 乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸,（OAA）,前-S方向(pro-S arm),Si面,反应机制见第一章,柠檬酸合酶（二聚体）+草酰乙酸活性中心构象大 幅度的变化诱导出乙酰CoA 结合位,柠檬酸合酶(citrate synthase) ：限速酶 变构 I (-): ATP、NADH、琥珀酰CoA和脂酰CoA； (+): AMP 致死性合成反应：氟乙酸（有毒植物叶）氟乙酰CoA 致死性合成氟柠檬酸 抑制后一步反应的酶-顺-乌头酸酶(cis-aconitase) 氟乙酸会终止经TCA循环的有氧代谢。杀虫剂，灭鼠药 丙酮酰-CoA:柠檬酸合酶的竞争性抑制剂,CH3CO,前-S方向(pro-S arm),(二)顺乌头酸酶催化前手性分子柠檬酸异构成手性分子异柠檬酸, 脱水、水合反应（dehydration、hydration）, H和-OH互换位置 顺乌头酸酶可识别柠檬酸的前手性 羟基移位方向：远离新进入的两个羧甲基碳,可逆,Fe-S聚簇: 4Fe-4S,铁-硫蛋白(iron-sulfur proteins)：与Fe-S聚簇结合着的蛋白质。 非血红素铁蛋白(nonheme iron proteins),顺乌头酸酶,前-R方向(pro-R arm),2,(三)异柠檬酸氧化生成-酮戊二酸和CO2,来自草酰乙酸的羧基,不可逆,（-KGA）,草酰琥珀酸,Mg2+,反应机制：碳-碳键的形成与断裂反应： -酮酸的氧化脱羧(oxidative decarboxylation)反应, -裂解,异柠檬酸脱氢酶 脂肪酸合酶,课后复习,不可逆,(四) - 酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA,-酮戊二酸脱氢酶系(复合物): 多酶复合体，反应不可逆。 （ -ketoglutarate dehydrogenase complex） E1： -酮戊二酸脱氢酶（-ketoglutarate dehydrogenase）: 含TPP E2：二氢硫辛酰转琥珀酰酶（dihydrolipoyl transsuccinylase）: 含硫辛酸 E3：二氢硫辛酰脱氢酶（dihydrolipoyl dehydrogenase）: 含FAD 6种辅助因子：TPP, 硫辛酸 , CoA-SH , FAD, NAD +, Mg2+,释放的能量储存在琥珀酰CoA的高能硫酯键中。 产物NADH、琥珀酰CoA (-)；ATP，GTP (-),不可逆,TCA循环第二次脱羧(羧基碳原子)；产生第二个NADH分子,(五) 琥珀酰CoA转化成琥珀酸,由琥珀酰-CoA合成酶（即琥珀酸硫激酶）催化： 是TCA循环唯一的底物水平磷酸化部位（substrate level phosphorylation） 。 驱动GTP(哺乳动物中)或ATP(植物和一些细菌中)的合成 一分子GTP储存的能量相当于一分子ATP。 G= - 33.6 kJ/mol = - 8.0 kcal /mol,(Suc),磷酸甘油酸激酶，丙酮酸激酶,第三次氧化（脱氢）反应：产物为FADH2 和延胡索酸（反式）。 琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase)是TCA循环中唯一镶嵌到线粒体内膜的酶。 辅基为FAD；含 丙二酸: 竞争性抑制剂,(六) 琥珀酸脱氢生成延胡索酸,丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂,水合反应（hydration） 延胡索酸酶（fumarase）具有严格的立体专一性，只作用于反式结构。 产物苹果酸只能是L - 型，但羟基的位置是随机的,(七) 延胡索酸水化生成L-苹果酸,L-苹果酸（S-苹果酸）,顺丁烯二酸,(八) 苹果酸氧化重新形成草酰乙酸，完成一轮循环,苹果酸脱氢酶, 第四个氧化反应（oxidation） 形成TCA循环的第三个NADH,三羧酸循环,草酰乙酸,柠檬酸,异柠檬酸,a-酮戊二酸,琥珀酰辅酶A,琥珀酸,延胡索酸,苹果酸,乙酰辅酶A,课外阅读,TCA循环,三 柠檬酸循环总结算：,H2O,课外阅读,三羧酸循环过程总结(一次循环): 8种酶催化 10 步反应 反应类型 缩合1、脱水1、水化2、氧化4、底物水平磷酸化1 生成3分子还原型Co 生成1分子FADH2 生成1分子ATP(GTP),三羧酸循环中有三步反应是不可逆的,（1）Cit合酶 （2） 异柠檬酸脱氢酶 （2）-KGA脱氢酶系,所以TCA Cycle 是单方向进行，不能逆转。,3,1. 总反应式： 乙酰 - CoA + 3NAD+ + FAD+ + GDP +Pi 2H2O 2CO2+ 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP + CoASH 2. 生成ATP数量： 1分子乙酰CoA ：GTP ATP 3NADH 3 2.5 = 7.5 ATP 10 ATP FADH2 1 1.5 = 1.5 ATP 1分子丙酮酸：丙酮酸脱羧产生1个NADH 2.5 ATP 12.5 ATP 1分子葡萄糖 EMP 2丙酮酸 + 2ATP + 2NADH 2 12. 5 + 2 + 2 2.5 (1.5) = 32( 30 ) ATP,柠檬酸循环,TCA+氧化磷酸化,每个乙酰CoA都可以产生3分子NADH、1分子FADH2和1分子的GTP或ATP。 每一分子的NADH被氧化为NAD时可以生成2.5分子ATP；1分子FADH2被氧化为FAD时可以产生1.5分子ATP，因此1分子乙酰CoA通过柠檬酸循环和氧化磷酸化可以产生10分子ATP。 经TCA循环和氧化磷酸化所生成的ATP: 1分子乙酰CoA：10分子ATP 1分子丙酮酸：12.5分子ATP 1分子葡萄糖：3032分子ATP,柠檬酸循环的化学总结算,复习资料,复习资料,课外阅读,复习资料,四 TCA循环的调控,催化速度随着底物(+)和产物(-)浓度的变化而受到调节 乙酰-CoA、草酰乙酸NADH ATP、ADP和Ca2+对TCA循环起调节作用,柠檬酸合酶,异柠檬酸脱氢酶,-酮戊二酸脱氢酶系,TCA循环的调控 （一）柠檬酸循环本身制约系统的调节 三个调控酶： 1 柠檬酸合酶(citrate synthase) ：限速酶。 乙酰-CoA、草酰乙酸(+) ； 琥珀酰CoA、脂酰CoA、NADH 、柠檬酸(-)； 异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase）： 别构酶: 受 ADP别构激活 、Ca2+ (+) ； NADH、ATP (-) 共价修饰调节：Pi化(-) -酮戊二酸脱氢酶系 (-ketoglutarate dehydrogenase complex ) ： 受产物NADH、琥珀酰CoA (-)； ATP，GTP (-) ； Ca2+ (+) 酶活性受底物提供情况的推动，受产物浓度的抑制 关键底物：乙酰- CoA、草酰乙酸;关键产物:NADH,（二）ATP、ADP和Ca2+对柠檬酸循环的调节 ADP (+) 异柠檬酸脱氢酶 ATP (-) 柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氢酶 丙酮酸脱氢酶（的）磷酸酶 Ca2+ (+) 异柠檬酸脱氢酶 -酮戊二酸脱氢酶系,课外阅读,五 三羧酸循环的生物学意义,1 产生大量能量(ATP); 2 中间产物可供生物合成之用; TCA Cycle是CO2的重要来源之一; 是糖代谢、脂代谢和氨基酸分解代谢最终氧化成CO2和H2O的重要途径，是代谢的枢纽. 而且具有合成及分解代谢两用性(ammphiblic)。,课外阅读,糖异生,尿素,脂肪,甘油,糖,丙氨酸,TCA循环：两用代谢途径,课外阅读,课外阅读,回补(填补)反应(anaplerotic reaction):对柠檬酸循环中间产物有补充作用的反应 哺乳动物中最主要的回补反应(丙酮酸羧化支路)： 丙酮酸羧化酶 丙酮酸CO2ATPH2O 草酰乙酸ADPPi,六 TCA循环的回补反应：,被乙酰CoA激活, 草酰乙酸的回补：,Asp 转氨草酰乙酸, brain, 苹果酸的回补：, -酮戊二酸的回补： Glu 转氨 -酮戊二酸 琥珀酰CoA的回补： Ile、Val、Met、Thr 等转氨 琥珀酰CoA 奇数脂肪酸,六、乙醛酸循环 P159 乙醛酸循环（glyoxylate cycle）（又称TCA循环支路 ） 乙醛酸途径(glyoxylate pathway) 在植物和微生物中存在的一个可以由二碳化合物生成糖的生物合成途径。 在动物体内，乙酰CoA不能净合成丙酮酸或者草酰乙酸，所以乙酰CoA不能作为净合成葡萄糖的碳源。 乙醛酸循环中涉及动物细胞中不存在的两个酶： 异柠檬酸裂解(合)酶和苹果酸合酶。,在乙醛酸循环体(glyoxysome)中进行。,乙醛酸 循环体,TCA循环支路,课外阅读,复习资料,乙醛酸循环的全部反应可表示为：P160 2乙酰-CoA + 2 NAD+ + FAD + 3 H2O 草酰乙酸 + 2 CoASH + 2 NADH + FADH2 + 2 H+ 植物种子萌发：三酰甘油乙酰-CoA 葡萄糖,脂肪代谢和糖类代谢的关系,乙醛酸循环的生理意义：,（1）乙醛酸循环提高了生物体利用乙酰CoA的能力， 只要极少量的草酰乙酸作引物，乙酰CoA就可以 无限制地转变为四碳二羧酸和六碳三羧酸，因此 某些微生物能以乙酸等二碳化合物作唯一的碳源 和能源。,（2）乙醛酸循环开辟了一条从脂肪转变成糖的途径。,糖酵解和柠檬酸循环之间的桥梁是丙酮酸脱氢酶复合物。在细胞质中酵解产生的丙酮酸被转运到线粒体基质中，在线粒体中丙酮酸在丙酮酸脱氢酶复合物催化下氧化生成乙酰CoA和CO2。丙酮酸脱氢酶复合物是由丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酰转乙酰基酶和二氢硫辛酸脱氢酶组成的，同时还需要硫胺素焦磷酸、硫辛酸、CoASH、Mg2+、FAD和NAD等辅助因子。,第四节 柠檬酸循环,柠檬酸循环是发生在线粒体中的一系列反应，柠檬酸循环由8步酶促反应组成。柠檬酸合酶催化乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成三羧酸柠檬酸；顺乌头酸酶催化柠檬酸中的三级醇转化为二级醇，导致异柠檬酸的生成；然后在异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶复合物催化下连续进行氧化脱羧反应形成琥珀酰CoA，同时生成两分子NADH和两分子CO2；当琥珀酰CoA的硫酯键被切断形成琥珀酸和CoASH时，琥珀酰CoA合成酶同时催化GDP底物水平磷酸化生成GTP；琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化形成延胡索酸，同时生成一分子FADH2；然后延胡索酸水化生成苹果酸，最后苹果酸在苹果酸脱氢酶催化下生成草酰乙酸，又生成一分子NADH，完成了一轮柠檬酸循环。,一分子乙酰CoA经柠檬酸循环氧化，使得3分子NAD还原为NADH，1分子FAD还原为FADH2，同时由GDP和Pi生成了一分子的GTP。所以每一分子乙酰CoA经一轮柠檬酸循环产生的还原型辅酶NADH和FADH2经电子传递和氧化磷酸化可以生成10分子ATP。一分子的葡萄糖经酵解、丙酮酸脱氢酶复合物，柠檬酸循环以及电子传递和氧化磷酸化可以产生30分子或32分子ATP。,柠檬酸循环中存在几个调节部位。丙酮酸脱氢酶复合物受到产物乙酰CoA和NADH 的抑制和受到CoASH和NAD的激活，同时该酶复合物还受到共价修饰调节。柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶复合物受到别构调节。,乙醛酸循环是一个与柠檬酸循环密切相关的途径，这一途径使得植物和某些微生物可以利用乙酰CoA生成用于糖异生和其它生物合成途径中的四碳中间产物。乙醛酸循环中涉及动物细胞中不存在的两个酶：异柠檬酸裂解酶和苹果酸合酶。异柠檬酸裂解酶催化异柠檬酸裂解为琥珀酸和乙醛酸，琥珀酸进入柠檬酸循环，而乙醛酸在苹果酸合酶的催化下与乙酰CoA缩合形成苹果酸，苹果酸可以作为葡萄糖合成的前体。,作业题：P112，4（请写出详细的结构式）,