三羧酸循环体系课件

1、柠 檬 酸 循 环第1页，共40页。有氧条件下:丙酮酸可继续进行有氧分解，最后完全氧化，形成CO2和水。此途径分为柠檬酸循环和氧化磷酸化两个阶段。无氧条件下:葡萄糖经分解代谢形成丙酮酸，丙酮酸继续形成乳酸或乙醇。第2页，共40页。柠檬酸循环的概念： 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，最终生成CO2和H2O并产生能量的过程，称为柠檬酸循环。由于柠檬酸含三个羧基，所以亦称为三羧酸循环。(tricarboxylic acid cycle), 简称TCA循环。由于它是由H.A.Krebs（德国）正式提出的，所以又称Krebs循环。第3页，共40

2、页。 柠檬酸循环是糖、脂肪、和氨基酸等氧化所共同经历的途径。此外，柠檬酸循环生成的中间物质也是许多生物合成的前体。因此柠檬酸循环是两用代谢途径(amphibolic pathway)。地点：三羧酸循环在线粒体基质中进行。第4页，共40页。 葡萄糖有氧氧化的反应过程:葡萄糖（EMP）COOHC=OCH3丙酮酸CH3-C-SCoAO(乙酰CoA)三羧酸循环NADH+H+CO2 丙酮酸脱氢酶系CoASH NAD+ （细胞液）氧化磷酸化（线粒体）第5页，共40页。丙酮酸进入线粒体转变为乙酰CoA，这是连接糖酵解和三羧酸循环的纽带：丙酮酸+CoASH+NAD+ 乙酰CoA+ CO2+NADH+H+一、由

3、丙酮酸形成乙酰CoA反应不可逆，分4步进行，由丙酮酸脱氢酶复合体（丙酮酸脱氢酶系）催化。第6页，共40页。丙酮酸脱氢酶复合体是一个十分大的多酶复合体，包括：三种不同的酶 丙酮酸脱氢酶组分(E1)二氢硫辛酰转乙酰基酶(E2)六种辅助因子焦磷酸硫胺素(TPP)黄素腺嘌呤二核苷酸( FAD )NAD+CoASH硫辛酸二氢硫辛酸脱氢酶(E3)Mg2+第7页，共40页。大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体的内容 缩写 肽链数 辅基 催化反应丙酮酸脱氢酶 E1 24 TPP 丙酮酸氧化脱羧二氢硫辛酰转乙 E2 24 硫辛酰胺 将乙酰基转移到CoA 酰基酶 二氢硫辛酸脱氢酶 E3 12 FAD 将还原型硫辛酰胺 转变

4、为氧化型第8页，共40页。CH3CCOOHO+TPPE1分步反应羟乙基TPPE1：丙酮酸脱氢酶第9页，共40页。C-C-CH3-C-COOHOHCO2丙酮酸易形成C-离子嘧啶环噻唑环焦磷酸硫胺素（TPP）在丙酮酸脱羧中的作用VB1第10页，共40页。硫辛酸：CH3COSLHS+TPPE2硫辛酸乙酰硫辛酸E2：转乙酰酶+SLSCH 3CTPPOHH第11页，共40页。E2E3E3E3：二氢硫辛酸脱氢酶第12页，共40页。全过程：HSCoAE3：二氢硫辛酸脱氢酶E2：转乙酰化酶E1：丙酮酸脱氢酶E3E2E1NAD+NADH+H+FADH2FADCH3CSCoAOHSLHSSLSLHSCH3CSOC

5、H3CTPPOHHTPPCO2CH3CCOOHO全过程第13页，共40页。 砷化物对丙酮酸脱氢酶复合体E2中的辅基硫辛酰胺的毒害作用。（由于a-酮戊二酸脱氢酶复合体也含硫辛酰胺辅基，因此，砷化物也有毒害作用）-O-AsOHOH+HSHSR S SR-O-As+2H2O亚砷酸二氢硫辛酰胺R-As=O+HSHSR S SRR-As+H2O有机砷化物第14页，共40页。丙酮酸脱氢酶复合体的调控 2.磷酸化和去磷酸化作用的调节：丙酮酸脱氢酶组分E1的磷酸化状态无活性，反之有活性。其磷酸化受E2上结合的激酶和磷酸酶作用。Ca2+通过激活磷酸酶，使丙酮酸脱氢酶组分活化。激酶磷酸酶1.产物抑制：受乙酰CoA

6、和NADH的控制。乙酰CoA抑制转乙酰基 酶E2组分，NADH抑制二氢硫辛酰脱氢酶E3组分。抑制效应被CoA和NAD+逆转。由丙酮酸到乙酰CoA是一个重要步骤，处于代谢途径的分支点，所以此体系受到严密的调节控制：使E1磷酸化（无活性形式）使磷酸化的E1去磷酸化（有活性形式）Ca2+激活E1第15页，共40页。 OCH3-C-SCoACoASHH2OGTP草酰乙酸 再生阶段柠檬酸生成阶段氧化脱 羧阶段柠檬酸异柠檬酸顺乌头酸酮戊二酸琥珀酸琥珀酰CoA延胡索酸苹果酸草酰乙酸NADH+CO2NAD+NADHNAD+FADH2FAD+CO2NADHNAD+二、三羧酸循环的过程第16页，共40页。HO-C

7、-COO-1.乙酰-CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸 单向不可逆 可调控的限速步骤 氟乙酰CoA导致致死合成常作为杀虫药柠檬酸合酶乙酰CoA草酰乙酸+柠檬酸 第17页，共40页。柠檬酸合酶是柠檬酸循环的关键酶，活性受ATP、NADH、琥珀酰-CoA、酯酰-CoA等的抑制。由氟乙酸形成的氟乙酰-CoA可被柠檬酸合酶催化与草酰乙酸缩合生成氟柠檬酸，氟柠檬酸结合到顺-乌头酸酶的活性部位上，抑制柠檬酸循环向下进行。氟乙酸和氟乙酰-CoA可做杀虫剂或灭鼠药。各种有毒植物的叶子大部分含有氟乙酸，可作为天然杀虫剂。F-CH2-COOHF-CHCOO-HO-C-COO-COO-CH2氟乙酸氟柠檬酸丙酮酰-CoA

8、: CH3-C-CH2-SCoA,O=是另一抑制剂第18页，共40页。柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸 2. 柠檬酸异构化形成异柠檬酸（乌头酸酶催化）90 : 4 : 6第19页，共40页。NAD+ NADH+H+ CO2异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸-酮戊二酸 (-KG)NAD+ NADH+H+(NADP+ NADPH+H+） H+ CO2异柠檬酸脱氢酶草酰琥珀酸3. 异柠檬酸氧化脱羧形成-酮戊二酸 （异柠檬酸脱氢酶催化）第20页，共40页。 高等动植物及大多数微生物中异柠檬酸脱氢 酶有两类 NAD+为辅酶 （线粒体） NADP+为辅酶 （线粒体和细胞质）异柠檬酸脱氢酶是一个变构酶 ADP变构激活 异柠檬酸

9、Mg2+ NAD+ ADP 相互协同作用变构抑制作用NADHATP第21页，共40页。植物，微生物中细菌中异柠檬酸脱氢酶磷酸化失活去磷酸化活化异柠檬酸脱氢酶-酮戊二酸琥珀酸+乙醛酸氧化脱羧异柠檬酸裂解酶第22页，共40页。NAD+ NADH+H+HSCoA CO2-KG脱氢酶 复合体琥珀酰CoA4. -酮戊二酸氧化脱羧形成琥珀酰CoA （-酮戊二酸脱氢酶复合体催化） ( -KG)该酶与丙酮酸脱氢酶复合体相似第23页，共40页。GDP GTP Pi HSCoA琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoA 琥珀酸 5. 琥珀酰CoA转化成琥珀酸（琥珀酰CoA合成酶催化）底物水平磷酸化GTP+ADPGDP+ATP

10、核苷二磷酸激酶第24页，共40页。6.琥珀酸脱氢生成延胡索酸（反丁烯二酸） 该酶含FAD外，还有三种铁硫聚簇， 2Fe-2S， 3Fe-4S，4Fe-4S 开始四碳酸之间的转变 TCA中第三次氧化的步骤丙二酸为该酶的竞争性抑制剂琥珀酸琥珀酸脱氢酶FAD FADH2延胡索酸第25页，共40页。7.延胡索酸被水化生成L-苹果酸（延胡索酸酶催化）H2O 延胡索酸酶苹果酸延胡索酸第26页，共40页。8. 苹果酸脱氢生成草酰乙酸（苹果酸脱氢酶催化）苹果酸NAD+ NADH+H+ 苹果酸脱氢酶草酰乙酸第27页，共40页。 OCH3-C-SCoACoASHNADH+CO2FADH2H2ONADH+CO2NA

11、DHGTP柠檬酸异柠檬酸顺乌头酸酮戊二酸琥珀酸琥珀酰CoA延胡索酸苹果酸草酰乙酸NAD+NAD+FADNAD+三、TCA循环的化学计量第28页，共40页。 乙酰CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+3NADH+FADH2+GTP+CoA+3H+ 循环有以下特点：乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸，使两个C原子进入循环。在以后的两步脱羧反应中，有两个C原子以CO2的形式离开循环，相当于乙酰CoA的2个C原子形成CO2。在循环中有4对H原子通过4步氧化反应脱下，其中3对用以还原NAD+生成3个NADH+H+,1对用以还原FAD,生成1个FADH2。由琥珀酰CoA形成琥珀酸时，

12、偶联有底物水平磷酸化生成1个GTP, 1GTP1ATP。3NADH 7.5 ATP ; 1FADH2 1.5ATP; 再加上1个GTP单向进行整个循环不需要氧，但离开氧无法进行。1分子乙酰CoA通过TCA循环被氧化，可生成10分子ATP。第29页，共40页。可见由糖酵解和TCA循环相连构成的糖的有氧氧化途径，是机体利用糖氧化获得能量的最有效的方式，也是机体产生能量的主要方式。 若从丙酮酸开始，加上生成的1个NADH，则共产生10+2.5=12.5个ATP。若从葡萄糖开始，共可产生12.52+7=32个ATP。(二版及其他教材为38个ATP，NADH3ATP，FADH2 2ATP)第30页，共4

13、0页。上述过程均可导致草酰乙酸浓度下降，从而影响三羧酸循环的运转，因此必须不断补充才能维持其正常进行，这种补充称为回补反应或填补反应(anaplerotic reaction)。 四、三羧酸循环的回补反应三羧酸循环不仅是产生ATP的途径，它的中间产物也是生物合成的前体，如 -酮戊二酸 谷氨酸 草酰乙酸 天冬氨酸 琥珀酰CoA 卟啉环第31页，共40页。丙酮酸羧化草酰乙酸的回补反应主要通过4个途径：PEP的羧化 苹果酸脱氢 由氨基酸形成第32页，共40页。1.丙酮酸羧化(动物体内的主要回补反应)草酰乙酸或循环中任何一种中间产物不足TCA循环速度降低乙酰-CoA浓度增加高水平的乙酰CoA激活产生更多的草酰乙酸丙酮酸羧化酶在线粒体内进行第33页，共40页。 2.PEP羧化（在植物、酵母、细菌）反应在胞液中进行第34页，共40页。 3.苹果酸脱氢丙酮酸第35页，共40页。4. 氨基酸转化-酮戊二酸天冬氨酸谷氨酸草酰乙酸第36页，共40页。五、三羧酸循环的调控 三羧酸循环的速度主要取决于细胞对ATP的需求量，另外也受细胞对于中间产物需求的影响。有3个调控部位:1.柠檬酸合成酶（限速酶）ATP、NADH是该酶的变构抑制剂，高浓度的ATP 和NADH抑制柠檬酸的合成，即抑制三羧酸循环地进行。高浓度的琥珀酰-Co