生物化学碳水化合物代谢

TricarboxylicacidcycleCarbohydrateMetabolism3Toteachisnottofillavasebuttolightafire

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经一系列氧化和脱羧,最终生成CO2和H2O并产生能量的过程,称为柠檬酸循环,亦称为三羧酸循环(tricarboxylicacidcycle),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。Krebs,1901-1981

细胞呼吸(cellrespiration)要经历三个阶段：糖酵解阶段、柠檬酸循环阶段、氧化磷酸化阶段。糖酵解的产物丙酮酸进入TCA之前有一准备过程，即形成乙酰CoA。O||H3C－C－COO－O||H3C－C－COO－O||H3C－C－S－CoAH+HS-CoACO2NADNADH2CitricacidcycleCytosolMatrix一、TCA准备阶段O||H3C－C－COO－NAD+NADH2CoA-SHCO2O||H3C－C－S－CoA

丙酮酸进入线粒体基质后在丙酮酸脱氢酶复合体催化下形成乙酰辅酶A。丙酮酸脱氢酶复合体组成如下：酶辅酶寡聚体亚基数哺乳动物E.coliMammalsE.coli丙酮酸脱氢酶(E1)TPPα2β2α20-3012二氢硫辛酰胺转乙酰酶(E2)硫辛酸CoA-SHα60α2411二氢硫辛酰胺脱氢酶(E3)FADNAD＋α2α2661.丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP2.由二氢硫辛酰胺转乙酰酶(E2)催化形成乙酰硫辛酰胺-E2。3.二氢硫辛酰胺转乙酰酶(E2)催化生成乙酰CoA,同时使硫辛酰胺上的二硫键还原为2个巯基。4.二氢硫辛酰胺脱氢酶(E3)使还原的二氢硫辛酰胺脱氢,同时将氢传递给FAD。5.在二氢硫辛酰胺脱氢酶(E3)催化下,将FADH2上的H转移给NAD+,形成NADH2。C=OCH3S~CoACOO-C=OCH3CoA-SHCO2NADNADHE1+E2+E3Mg2+TPPlipoateFADO||CH3－C－COO－CO2SSFADTPPE2E3E1OH|CH3－C－H|TPPSSFADE2E3E1

HSCH3－C－S||O

FADE2E3E1TPPO||CH3－C－S－CoACoA-SHHSHSFADTPPE2E3E1TPPE2E3E1FADH2SSNADNADH2CO2OO||||CH3－C－C－O－

OH|CH3－C－－TPPHydroxyethyl-TPPTPPRHSHSRHSO||CH3－C－SRSSCoAO||CH3－C－S－CoAFADFADH2NAD+NADH2Lipoamide丙酮酸脱氢酶(E1)二氢硫辛酰胺转酰基酶E2二氢硫辛酰胺脱氢酶(E3)Acetyl-dihydrolipoamidePyruvate丙酮酸脱氢酶系反应图解砷化物对硫辛酰胺的毒害作用

有机砷化物和亚砷酸能与丙酮酸脱氢酶系中的E2辅基硫辛酰胺共价结合，使还原型的硫辛酰胺形成失去催化能力的砷化物。这类砷化物同样表现在对酮戌二酸脱氢酶系的抑制上。＋H2OR－As＝O＋HSHSRRSSR’－As二、TCA循环概貌O||H3C－C－COO－NAD+NADH2CoA-SHCO2CitricacidcycleO||H3C－C－S－CoAO＝C－COO－

|H2C－COO－

H2C－COO－

|

HO－C－COO－

|

H2C－COO－

H2C－COO－

|

HC－COO－

|

HC－COO－

|

OH

H2C－COO－

|

H2C

|

O＝C－COO－

H2C－COO－

|

H2C

|

O＝C－S－CoA

H2C－COO－

|H2C－COO－HC－COO－

||－OOC－CHHO|HC－COO－

|H2C－COO－CoA－SHH2ONAD+NADH2CO2NAD+NADH2CO2PiGDPGTPATPADPFADFADH2H2ONADH2NAD+顺乌头酸酶柠檬酸合酶柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸脱氢酶α-酮戊二酸α-酮戊二酸脱氢酶复合体琥珀酰CoA琥珀酰-CoA合成酶琥珀酸琥珀酸脱氢酶延胡索酸FumaraseL-苹果酸苹果酸脱氢酶Oxyloacetate丙酮酸脱氢酶复合体三、柠檬酸循环的反应机制(一)草酰乙酸与乙酰辅酶A形成柠檬酸H2C－COO－

|

HO－C－COO－

|

H2C－COO－CoA-SHS－CoA|C＝O|CH3COO－|C＝O|CH2|COO－OxaloacetateCitrateAcetylCoA＋＋H2OH＋S－CoA|C＝O|CH2|HO－C－COO－

|CH2|COO－CitrylCoA柠檬酸合酶催化此反应的酶为柠檬酸合酶；反应的中间产物为柠檬酰辅酶A；柠檬酸合酶属于调控酶，其活性受ATP、NADH、琥珀酰CoA、酯酰CoA等的抑制；另一种抑制剂是丙酮酰CoA。它是TCA循环的限速酶，由氟乙酸形成的氟乙酰CoA可被该酶催化形成氟柠檬酸，从而抑制下一步的顺乌头酸酶催化的反应。此称为致死性合成反应。柠檬酸合成酶的单聚体形式，绿色原子为柠檬酸，粉色原子为CoA(二)柠檬酸异构形成异柠檬酸COO－|CH2|HO－C－COO－

|CH2|COO－COO－|CH2|HC－COO－

|HO－

CH|COO－COO－|CH2|C－COO－

||C－COO－H－H2OcitrateCis-AconitateIsocitrateH2O三级醇二级醇分类

根据所含羟基的多少，可分为一元、二元、三元或多元醇。一个碳原子上一般不能含有两个羟基，同碳二醇不稳定，容易失水形成羰基化合物。醇也可按照连接羟基的碳原子上氢的数目分为一级醇、二级醇和三级醇。①催化此反应的酶为乌头酸酶；②反应的中间产物为顺乌头酸；③反应为先脱水后水化；④由于反应生成的异柠檬酸在下一步反应中迅速被氧化而使反应向生成异柠檬酸的方向进行。顺乌头酸酶催化柠檬酸异构化为异柠檬酸，反应分两步进行，经历一个顺乌头酸中间体。反应具有严格的空间特异性。顺乌头酸酶活性位点的铁硫聚簇(三)异柠檬酸氧化生成－酮戊二酸COO－|CH2|H－C－COO－|HO－C－H|COO－COO－|CH2|H－C－COO－|C＝O|COO－COO－|CH2|CH2|C＝O|COO－NADHCO2IsocitrateOxalosuccinateα-ketoglutarate异柠檬酸脱氢酶催化此反应的酶为异柠檬酸脱氢酶；反应为TCA二次氧化脱羧中的第一个反应；反应中间产物为不稳定的草酰琥珀酸；既有以NAD+为辅酶的异柠檬酸脱氢酶，也有以NADP+为辅酶的异柠檬酸脱氢酶。异柠檬酸脱氢酶是变构调节酶，其活性受ADP和NAD+的变构激活，受ATP和NADH的变构抑制。(四)-酮戌二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoAH2C－COO－

|

H2C

|

O＝C－COO－H2C－COO－

|

H2C

|

O＝C－S－CoA

α-ketoglutaratesuccinylCoANADNADHCO2HS-CoAα-ketoglutaratedehydrogenasecomplex催化此反应的酶为-酮戌二酸脱氢酶复合体，该酶由-酮戌二酸脱氢酶E1、二氢硫辛酰转琥珀酰酶E2和二氢硫辛酰脱氢酶E3及六种辅助因子TPP、硫辛酸、CoA、NAD＋、FAD、Mg2＋组成；反应为TCA二次氧化脱羧中的第二个反应；反应释放的能量主要存于琥珀酰CoA的高能硫酯键中；-酮戌二酸脱氢酶是变构调节酶，其活性受产物琥珀酰CoA、NADH和高能ATP的变构抑制。与丙酮酸脱氢酶复合体中E1不同的是该酶不受磷酸化与去磷酸化的共价修饰调节作用；(五)琥珀酰CoA转化为琥珀酸并释放高能磷酸键H2C－COO－

|

H2C

|

O＝C－S－CoA

H2C－COO－

|H2C－COO－GDP,PiHS-CoA,GTPGDP,PiHS-CoA,GTPSuccinyI-CoASynthetase催化此反应的酶为琥珀酰CoA合成酶或称琥珀酰硫激酶；—该反应为TCA是唯一直接产生高能磷酸键的步骤，也是一步底物水平磷酸化产生能量的步骤；—反应生产的GTP在蛋白质的生物合成中起磷酰基供体及激活信号蛋白的作用，也可以与ADP磷酸化生成ATP相偶联产生能量。CoA-SHGDPGTP琥珀酸琥珀酰CoA合成酶反应机制(六)琥珀酸脱氢生成延胡索酸H2C－COO－

|H2C－COO－HC－COO－

||－OOC－CHFADFADH2FADFADH2Succinatedehydrogenase催化此反应的酶为琥珀脱氢酶；它以FAD为辅基；该酶具有严格的立体专一性，即只生成反式延胡索酸；与琥珀酸结构类似的化合物如丙二酸、戌二酸等是该酶的竞争性抑制剂。FAD和琥珀酸脱氢酶的共价结合琥珀酸脱氢酶的铁硫聚簇(七)延胡索酸水合成L-苹果酸催化此反应的酶为延胡索酸酶；该酶具有严格的立体专一性，即只生成L-苹果酸；HC－COO－

||－OOC－CHFumaraseHO|HC－COO－

|H2C－COO－H2OH2OL-malateFumarate延胡羧酸酶的两种可能的反应机制(八)L-苹果酸脱氢生成草酰乙酸NADNADH2NADNADH2MalatedehydrogenaseO＝C－COO－

|H2C－COO－HO|

HC－COO－

|H2C－COO－催化此反应的酶为苹果酸脱氢酶；该酶的辅基为NAD+；由于草酰乙酸与乙酰CoA合成柠檬酸反应是高度放能反应，因此通过草酰乙酸的不断消耗来驱使该反应不断向生成草酰乙酸方向进行。以NAD+作为辅酶的脱氢酶的空间特异性比较苹果酸脱氢酶的结构CoASHNADH+H+NAD+CO2NAD+NADH+H+CO2GTPGDP+PiFADFADH2NADH+H+NAD+H2OH2OH2OCoASHCoASH⑧①②③④⑤⑥⑦②H2O①柠檬酸合酶②顺乌头酸酶③异柠檬酸脱氢酶④α-酮戊二酸脱氢酶复合体⑤琥珀酰CoA合成酶⑥琥珀酸脱氢酶⑦延胡索酸酶⑧苹果酸脱氢酶TCA循环阶段四、柠檬酸循环的化学总结算离开循环的二分子CO2的碳并非来自进入循环的乙酰辅酶A，而分别来自异柠檬酸脱羧和-酮戌二酸脱羧反应；每循环一次共产生一个GTP、消耗二个水分子；每一次循环有4次氧化反应，共产生3分子NADH和1分子FADH2；每次循环产生的能量：1(GTP)＋3×2.5(NADH)＋1×1.5(FADH2)＝10ATP若从丙酮酸算起则产生：10＋2.5(NADH)＝12.5ATP若从葡萄糖算起则产生：12.5×2＋2＋2(NADH)×2.5＝32ATP反应过程生成ATP数关键酶第一阶段葡萄糖→→6-磷酸葡萄糖－1己糖激酶6-磷酸果糖→→1,6-二磷酸果糖－16-磷酸果糖激酶3-磷酸甘油醛→→1,3-二磷酸甘油酸(NADH2)＋2×2.51,3-二磷酸甘油酸→→3-磷酸甘油酸＋2×1PEP→→丙酮酸＋2×1丙酮酸激酶二丙酮酸→→乙酰-S-CoA(NADH2,CO2)＋2×2.5丙酮酸脱氢酶复合体第三阶段异柠檬酸→→α-酮戊二酸(NADH2,CO2)＋2×2.5柠檬酸合成酶α-酮戊二酸→→琥珀酰-S-CoA(NADH2,CO2)＋2×2.5异柠檬酸脱氢酶琥珀酰-S-CoA→→琥珀酸(GTP)＋2×1α-酮戊二酸脱氢酶复合体琥珀酸→→延胡索酸(FADH2)＋2×1.5苹果酸→→草酰乙酸(NADH2)＋2×2.5总计32葡萄糖有氧氧化生成的ATPTCA中碳的归宿

乙酰CoA中乙酰基与草酰乙酸缩合形成6碳的柠檬酸，经过2次氧化脱羧释放出两分子CO2后，形成4碳酸－琥珀酸，琥珀酸经过几步反应后又重新转换为草酰乙酸。由于草酰乙酸可以再生，所以柠檬酸循环可以看作是一个催化多步反应的催化剂，使得乙酰CoA中的二碳单位乙酰基氧化成2分子CO2。NADHNADHNADHQH2GTPorATPS－CoA|HS－CoA－－CO2CO2对称面草酰乙酸乙酰CoA琥珀酸柠檬酸五、柠檬酸循环的调控TCA的调控可看成来自TCA循环本身所具有的内部相互制约系统的调控和ADP、ATP、Ca2+对循环的调控。具体分为：丙酮酸脱氢酶复合体的调控TCA循环的三个限速反应和ADP、ATP、Ca2＋对循环的调控1.产物调控即由NADH和乙酰CoA控制。这二种物质是和酶的作用底物NAD＋和CoA竞争酶活性部位。乙酰CoA抑制E2、NADH抑制E3。(一)丙酮酸脱氢酶复合体的调控丙酮酸脱氢酶

E1二氢硫辛酰胺转酰基酶

E2二氢硫辛酰胺脱氢酶E3丙酮酸＋NAD＋＋HS-CoANADH＋乙酰-CoA＋CO2丙酮酸脱氢酶复合体＋－＋－E1上结合有二种酶：激酶和磷酸化酶。激酶使丙酮酸脱氢酶组分磷酸化而失活，磷酸酶则脱去丙酮酸脱氢酶上的磷酸基团而活化。Ca2＋可使磷酸酶活化从而激活丙酮酸脱氢酶。PyruvateDehydrogenaseE1Dih