Lec13_Citricacidcycle-st

1、Citric Acid Cycle细胞呼吸作用 细胞消耗细胞消耗O O2 2、产生、产生COCO2 2的分子工程的分子工程 三个阶段：三个阶段： 阶段阶段1 1：脂肪酸、葡萄糖和某些氨基酸脂肪酸、葡萄糖和某些氨基酸氧化得到乙酰氧化得到乙酰CoACoA 阶段阶段2 2：乙酰乙酰CoACoA进入三羧酸循环，并进入三羧酸循环，并在酶催化作用下被氧化为在酶催化作用下被氧化为COCO2 2，能量，能量贮存在贮存在NADHNADH和和FADHFADH2 2分子中分子中 阶段阶段3 3：NADHNADH和和FADHFADH2 2将接受的电子将接受的电子传递给线粒体的电子载体链，最后还传递给线粒体的电子载体链

2、，最后还原原O O2 2生成生成H H2 2O O。电子流动驱动。电子流动驱动ATPATP的的生成。生成。2胞质胞质溶胶溶胶线粒体线粒体乙酰CoA的产生 氧化脱羧氧化脱羧反应反应 不可逆的氧化过程不可逆的氧化过程 丙酮酸脱氢酶复合体（丙酮酸脱氢酶复合体（PDHPDH） 3 3种酶种酶 + 5 + 5种不同的辅酶或辅基种不同的辅酶或辅基 定位：真核细胞的线粒体中和原核细胞的胞质溶胶中定位：真核细胞的线粒体中和原核细胞的胞质溶胶中高能硫酯键高能硫酯键3丙酮酸脱氢酶复合体 3 3种酶种酶 + 5 + 5种不同的辅酶或辅基种不同的辅酶或辅基 E1E1：丙酮酸脱氢酶，：丙酮酸脱氢酶，硫胺素焦磷酸（硫胺素

3、焦磷酸（TPPTPP） E2E2：二氢硫辛酰转乙酰酶，：二氢硫辛酰转乙酰酶，硫辛酸，硫辛酸，CoA-SHCoA-SH E3E3：二氢硫辛酰脱氢酶，：二氢硫辛酰脱氢酶，NADNAD+ + ，FADFAD 以多个拷贝存在以多个拷贝存在4三羧酸循环 首先由乙酰首先由乙酰CoACoA与草酰乙酸缩合生成含与草酰乙酸缩合生成含3 3个羧个羧基的柠檬酸，再经过基的柠檬酸，再经过4 4次脱氢、次脱氢、2 2次脱羧，生次脱羧，生成成4 4分子还原当量和分子还原当量和2 2分子分子COCO2 2，重新生成草，重新生成草酰乙酸。酰乙酸。 5三羧酸循环 由由8 8步代谢反应组成步代谢反应组成 消耗乙酰消耗乙酰CoAC

4、oA的机构的机构 2 2次脱羧生成次脱羧生成 2CO2CO2 2 4 4次脱氢生成次脱氢生成 3NADH + 3H3NADH + 3H+ + 1FADH1FADH2 2 1 1次底物磷酸化生成次底物磷酸化生成 1GTP/ATP1GTP/ATP61. 柠檬酸的形成 乙酰乙酰CoACoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸与草酰乙酸缩合成柠檬酸 由由柠檬酸合酶柠檬酸合酶催化催化72. 柠檬酸异构为异柠檬酸 通过通过顺乌头酸酶顺乌头酸酶催化催化 反应中间产物：顺乌头酸反应中间产物：顺乌头酸 反应：脱水，加水反应：脱水，加水 结果：结果：-H -H 和和 -OH -OH 互换位置互换位置 83. 异柠檬酸氧化脱羧

5、通过通过异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶催化催化 第一步氧化脱羧反应第一步氧化脱羧反应 产生产生NAD(P)HNAD(P)H 生成生成-酮戊二酸94. -酮戊二酸氧化脱羧 通过通过 - -酮戊二酸脱氢酶复合体酮戊二酸脱氢酶复合体催化，催化，第二次第二次氧化脱羧反应氧化脱羧反应 产生产生NADHNADH5. 琥珀酰CoA转化成琥珀酸 通过通过琥珀酰琥珀酰CoACoA合成酶合成酶 催化催化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化高能硫酯键水解高能硫酯键水解 驱动驱动GDPGDP合成合成GTPGTP（或（或ATPATP）116. 琥珀酸氧化成延胡索酸 通过通过琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶催化，辅基催化，辅基FADFA

6、D。 真核细胞，结合在线粒体内膜上；原核细胞，结合在细胞质膜上。真核细胞，结合在线粒体内膜上；原核细胞，结合在细胞质膜上。TCATCA中唯一一种与膜结合的酶。中唯一一种与膜结合的酶。 产生产生FADHFADH2 2 丙二酸，琥珀酸类似物，是琥珀酸脱氢酶的强竞争性抑制剂，丙二酸，琥珀酸类似物，是琥珀酸脱氢酶的强竞争性抑制剂，能够阻断三羧酸循环。能够阻断三羧酸循环。127. 延胡索酸水化成苹果酸 通过通过延胡索酸酶延胡索酸酶催化催化8. 苹果酸氧化生成草酰乙酸 L-L-苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶催化催化 产生产生NADH + HNADH + H+ +14 标准热力学条件下，反应的方向向左标准热力学条

7、件下，反应的方向向左 但是由于草酰乙酸与乙酰但是由于草酰乙酸与乙酰CoA不断地合成柠檬酸，不断地合成柠檬酸，使细胞中的草酰乙酸浓度很低，从而反应向右进行使细胞中的草酰乙酸浓度很低，从而反应向右进行一轮TCA的结算 乙酰乙酰CoA + 3NADCoA + 3NAD+ + + FAD + GDP + Pi + 2H + FAD + GDP + Pi + 2H2 2O O CoA-SH + 3NADH + FADH CoA-SH + 3NADH + FADH2 2 + GTP + 2H + GTP + 2H+ + + 2CO+ 2CO2 2 2C2C的乙酰的乙酰CoACoA结合草酰乙酸形成柠檬酸进入

8、循环结合草酰乙酸形成柠檬酸进入循环2 2个碳原子在异柠檬酸脱氢酶和个碳原子在异柠檬酸脱氢酶和 - -酮戊二酸脱氢酶复合体的催酮戊二酸脱氢酶复合体的催化下氧化脱羧以化下氧化脱羧以COCO2 2的形式释放的形式释放15一轮TCA的结算 乙酰乙酰CoA + 3NADCoA + 3NAD+ + + FAD + GDP + Pi + 2H + FAD + GDP + Pi + 2H2 2O O CoA-SH + 3NADH + FADH CoA-SH + 3NADH + FADH2 2 + GTP + 2H + GTP + 2H+ + + 2CO+ 2CO2 2 氧化释放的能量贮存氧化释放的能量贮存1

9、NAD1 NAD+ + 在异柠檬酸的氧化脱羧反应中被还原在异柠檬酸的氧化脱羧反应中被还原1 NAD1 NAD+ + 在在 - -酮戊二酸的氧化脱羧反应中被还原酮戊二酸的氧化脱羧反应中被还原1 FAD 1 FAD 在琥珀酸的氧化过程中被还原在琥珀酸的氧化过程中被还原1 NAD1 NAD+ + 在苹果酸的氧化过程中被还原在苹果酸的氧化过程中被还原1 1个高能磷酸酯键（个高能磷酸酯键（GTPGTP）的产生：琥珀酰）的产生：琥珀酰CoA CoA GDPGDP16氧化磷酸化氧化磷酸化产生产生ATP能量的结算17能量的结算 每分子的葡萄糖可产生多大每分子的葡萄糖可产生多大3232个分子的个分子的ATPAT

10、P 葡萄糖葡萄糖2 2丙酮酸：丙酮酸：2ATP + 2NADH 2ATP + 2NADH 7ATP 7ATP 丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoACoA：2NADH 2NADH 5ATP 5ATP 乙酰乙酰CoACoATCATCA：3NADH + FADH3NADH + FADH2 2 + GTP + GTP 10ATP 10ATP 葡萄糖葡萄糖 2 2丙酮酸丙酮酸 2 2乙酰乙酰CoA CoA TCA TCA 氧化磷酸化氧化磷酸化 7ATP + 27ATP + 25ATP + 25ATP + 210ATP = 32ATP10ATP = 32ATP 323230.5 kJ/mol = 976 kJ/mo

11、l30.5 kJ/mol = 976 kJ/mol 976kJ/mol / 2840 kJ/mol = 34%976kJ/mol / 2840 kJ/mol = 34%。经过能量修正，。经过能量修正，65%65%能量能量被贮存起来被贮存起来18TCA在代谢中的作用两栖途径：两栖途径：合成代谢合成代谢 分解代谢分解代谢19脂肪酸，固醇脂肪酸，固醇谷氨酸谷氨酸嘌呤嘌呤卟啉，血红素卟啉，血红素嘧啶嘧啶添补反应补充TCA的中间物 中间物被移走作生物合成的前体，可通过添补反应得到补充中间物被移走作生物合成的前体，可通过添补反应得到补充 TCATCA中间物的浓度几乎保持恒定中间物的浓度几乎保持恒定20 当

12、当TCATCA缺少草酰乙酸或任何中间物时，缺少草酰乙酸或任何中间物时，丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶催化丙催化丙酮酸与酮酸与COCO2 2的可逆羧化反应，生成草酰乙酸的可逆羧化反应，生成草酰乙酸 能量由能量由ATPATP提供提供 乙酰乙酰CoACoA过量时，激活丙酮酸羧化酶，是正别构调节物过量时，激活丙酮酸羧化酶，是正别构调节物TCA的调控 一一. .丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoACoA 丙酮酸脱氢酶复合物丙酮酸脱氢酶复合物PDHPDH 别构调节机制别构调节机制 产物抑制与底物激活产物抑制与底物激活 当脂肪酸和乙酰当脂肪酸和乙酰CoACoA等燃料分子充足时，以及细胞中等燃料分子充足时，以及细胞中ATP/

13、ADPATP/ADP和和NADH/NADNADH/NAD+ + 的比值高时，该酶活性受抑制的比值高时，该酶活性受抑制 能量需求高时，此酶被重新激活能量需求高时，此酶被重新激活 共价的蛋白质修饰共价的蛋白质修饰 E1E1亚基的一个特定丝氨酸残基的亚基的一个特定丝氨酸残基的可逆磷酸化可逆磷酸化 两种调节蛋白：蛋白激酶使两种调节蛋白：蛋白激酶使E1E1磷酸化，酶失活；磷蛋白磷酸酶去磷酸磷酸化，酶失活；磷蛋白磷酸酶去磷酸化，酶激活。化，酶激活。 蛋白激酶的活性被蛋白激酶的活性被ATPATP别构激活别构激活21TCA的调控 二二. .乙酰乙酰CoACoATCA(TCA(3 3个高度个高度放能步骤放能步骤

14、) ) 柠檬酸合酶柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶 - -酮戊二酸脱氢酶酮戊二酸脱氢酶 三个因素：三个因素： 底物的可获取情况底物的可获取情况 累积的产物抑制作用累积的产物抑制作用 酶的别构反馈抑制酶的别构反馈抑制 TCATCA与糖酵解速率相当与糖酵解速率相当 丙酮酸、乳酸、乙酰丙酮酸、乳酸、乙酰CoACoA保持恒定浓度保持恒定浓度 高浓度高浓度ATPATP、NADHNADH、柠檬酸柠檬酸抑制抑制TCATCA 柠檬酸也是果糖磷酸激酶的别构抑制剂柠檬酸也是果糖磷酸激酶的别构抑制剂22乙醛酸循环 脊椎动物无法把脂肪酸，或从其衍生而来的乙酸转化为糖类脊椎动物无法把脂肪酸，或从其衍生而来的乙酸

15、转化为糖类 乙酸不能转化为乙酸不能转化为PEPPEP，就不能作为糖异生的起始材料，就不能作为糖异生的起始材料 植物、无脊椎动物、微生物植物、无脊椎动物、微生物 乙醛酸循环作为将乙酸转化为糖类的机制起作用乙醛酸循环作为将乙酸转化为糖类的机制起作用 2 2乙酰乙酰CoA + NADCoA + NAD+ + +2H +2H2 2O O 琥珀酸琥珀酸 + 2CoA + NADH + H + 2CoA + NADH + H+ +23乙酰乙酰CoA + 3NADCoA + 3NAD+ + + FAD + GDP + Pi + 2H + FAD + GDP + Pi + 2H2 2O OCoA-SH + 3

16、NADH + FADHCoA-SH + 3NADH + FADH2 2 + GTP + 2H + GTP + 2H+ + + 2CO+ 2CO2 2 乙醛酸循环 柠檬酸合酶、顺乌头酸酶和苹柠檬酸合酶、顺乌头酸酶和苹果酸脱氢酶是果酸脱氢酶是TCATCA的同工酶的同工酶 异柠檬酸裂解酶异柠檬酸裂解酶 异柠檬酸异柠檬酸 琥珀酸琥珀酸 + + 乙醛酸乙醛酸 苹果酸合酶苹果酸合酶 琥珀酸琥珀酸 + + 乙酰乙酰CoA CoA 苹果酸苹果酸 2 2乙酰乙酰CoACoA1 1琥珀酸，作为生琥珀酸，作为生物合成的原料物合成的原料 琥珀酸琥珀酸草酰乙酸草酰乙酸PEPPEP糖糖异生异生葡萄糖葡萄糖24乙醛酸循环体

17、 在植物中，乙醛酸循环中的酶被隔离在被膜包裹的细胞器中在植物中，乙醛酸循环中的酶被隔离在被膜包裹的细胞器中 在富含脂质的种子发芽过程中、在正处于发育的植株获得通在富含脂质的种子发芽过程中、在正处于发育的植株获得通过光合作用产生葡萄糖的能力之前形成过光合作用产生葡萄糖的能力之前形成 还含有降解种子贮存的脂肪酸所需要的酶还含有降解种子贮存的脂肪酸所需要的酶 脊椎动物没有乙醛酸循环的特异酶，不能完成脂质脊椎动物没有乙醛酸循环的特异酶，不能完成脂质葡萄糖葡萄糖的净合成过程的净合成过程25脂质脂质乙酰乙酰CoACoA乙醛酸循环乙醛酸循环琥珀酸琥珀酸琥珀酸琥珀酸线粒体线粒体苹果酸苹果酸苹果酸苹果酸胞质溶胶

18、胞质溶胶草酰乙酸草酰乙酸PEPPEP葡萄糖葡萄糖异柠檬酸的调节 异柠檬酸是至关重要的中间物，位异柠檬酸是至关重要的中间物，位于于TCATCA和乙醛酸循环的分支点上和乙醛酸循环的分支点上 异柠檬酸脱氢酶通过共价修饰而被异柠檬酸脱氢酶通过共价修饰而被调控：调控： 蛋白激酶使该酶磷酸化而失活蛋白激酶使该酶磷酸化而失活 磷蛋白磷酸酶脱磷酸化而激活磷蛋白磷酸酶脱磷酸化而激活 代谢中间物调节这些调节酶的活性代谢中间物调节这些调节酶的活性 异柠檬酸裂解酶被代谢中间物别构异柠檬酸裂解酶被代谢中间物别构抑制抑制 当产能代谢足够快，使得糖酵解和当产能代谢足够快，使得糖酵解和TCATCA的中间产物浓度低，异柠檬酸裂解酶的的中间产物浓度低，异柠檬酸裂解酶的抑制被解除，异柠檬酸流入乙醛酸循环，抑制被解除，异柠檬酸流入乙醛酸循环，用于糖类、氨基酸等的生物合成。用于糖类、氨基酸等的生物合成。26本章小结 细胞的呼吸作用细胞的呼吸作用 丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoACoA 丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢