有氧呼吸及三羧酸循环

Aerobic Oxidation of Glucose 第三节 糖的有氧氧化 葡萄糖在 有氧条件 下，彻底氧化成 水和 CO2的反应过程称为 有氧氧化 。这是糖 氧化的主要方式。 一、 有氧氧化的反应过程 分为三个阶段： 丙 酮 酸 胞 液 线 粒 体 第 一 阶 段 （ 同 酵 解 ） 第 二 阶 段 第 三 阶 段 三 羧 酸 循 环 氧 化 磷 酸 化 C O 2 + H 2 O + A T P 丙 酮 酸 乙 酰 C o AG （一） 丙酮酸的氧化脱羧 经脱氢、脱羧、酰化生成乙酰 CoA，这 是不可逆反应。在线粒体内进行。 C O O - C C H 3 N A D + N A D H + H + O 丙 酮 酸 CH 3 C 丙 酮 酸 脱 氢 酶 复 合 体 乙 酰 O S C o A C o A + H S C o A + C O 2 丙酮酸脱氢酶复合体 二氢硫辛酰胺转乙酰酶 由 三种酶 组成 丙酮酸脱羧酶 二氢硫辛酰胺脱氢酶 五种辅助因子 ： TPP（ VB1）、 NAD+ （ Vpp）、硫辛酸、 FAD（ VB2）、 HSCoA（泛酸） HSCoA NAD+ 丙酮酸脱氢酶复合体 S S C H H 2 C H 2 C ( C H 2 ) 4 C O O H S H S H C H H 2 C H 2 C ( C H 2 ) 4 C O O H + 2 H - 2 H l i p o i c a c i d d i h y d r o l i p o i c a c i d C C N H 2 H C N C H 2 S C C N C N C H C H 3 C H 2 C H 2H 3 C O P O O - O P O O - O - + T P P 辅酶 A结构 C C H 2 O C H 2 N H C C O O H H C C H 2 C H 3 C H 3 O P O O H O P O H O O 3 A M P 巯 基 乙 胺 - 丙 氨 酸 丁 酸 焦 磷 酸 泛 酸 H S C H 2 C H 2 N H E 1 E 2 E 3 S H S C O F A DT P P E 1 E 2 E 3 S S F A DT P P E 1 E 2 E 3 S S F A DT P P C H 3 C H O H C H 3 E 1 E 2 E 3 S S F A D H 2 T P P E 1 E 2 E 3 H S H S F A DT P P C H 3 C O C O O - C O 2 C o A - S H S C o AC O C H 3 N A D + N A D H + H + 由乙酰 CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸开始， 经反复脱氢、脱羧再生成草酰乙酸的循环反 应过程。又称柠檬酸循环和 Krebs循环。 部位：线粒体基质 （二） 三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle) 线粒体膜 第三个 碳以 CO2 形式失 去 四碳二羧酸 第二个碳以 CO2形式失去 三羧酸 ？ 循环 ？ 五碳二羧酸 每个分子具有 4 个碳的草酰乙 酸库（ 基质中 ） 丙酮酸 每个分子具有 3个碳的丙酮酸库（ 基 质中 ） 六碳三羧酸 三种羧酸！ 草酰乙酸打循环！ 第一个碳以 CO2形式失去 重新加入到 草酰乙酸库 Citrate cycle C O C H 2 C O O C O O C H 3 C O S C o A C C H 2 C O O C O O C H 2 H O C O O C C H C O O C O O C H 2 C O O C H C H C O O C O O C H 2 C O O H 2 O H 2 O H O C O 2 C H 2 C H 2 C O C O O C O O C H 2 C H 2 C O O C O S C o A C O 2 N A D + N A D H + H + C H 2 C H 2 C O O C O O G D P + P i G T P C H C H 2 C O O C O O O O C C H C C O OH H O N A D + N A D H + H + F A D F A D H 2 H 2 O a c e t y l C o A H 2 O o x a l o a c e t a t e c i t r a t e s y n t h a s e c i t r a t e a c o n i t a s e c i s - a c o n i t a t e a c o n i t a s e i s o c i t r a t e N A D + N A D H + H + i s o c i t r a t e d e h y d r o g e n a s e - k e t o - g l u t a r a t e - k e t o g l u t a r a t e d e h y d r o g e n a s e c o m p l e x s u c c i n y l - C o A A D P A T P C o A S H s u c c i n y l C o A s y n t e t a s e s u c c i n a t e d e h y d r o g e n a s e f u m a r a t e s u c c i n a t e f u m a r a s e m a l a t e m a l a t e d e h y d r o g e n a s e H S C o A H S C o A 三羧酸循环小结： Reducing equivalents 在 TAC中， 1分子乙酰 CoA经 2次脱羧 ，生成 2 个 CO2，这是体内 CO2的主要来源； 4次脱氢 ， 其中 3次以 NAD+为受氢体， 1次以 FAD为受氢 体； 1次底物水平磷酸化 。 总反应式： 乙酰 CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+3NADH+3H+FADH2+GTP+ HSCoA + 4NAD(P)+ +FAD+GDP+Pi+3H2O 3CO2 +4NAD(P)H +4H+ +FADH2+GTP 4NAD(P)H +4H+ 10ATP 4H2O FADH2 1.5ATP 1H2O ADP ATP - 3H2O GTP GDP 1ATP 1H2O 12.5ATP 2H2O 氧化磷酸化作用 O2 COOH C O CH3 .糖酵解 +三羧酸循环 的效率 糖酵解 1G 2ATP+2NADH+2H+2丙酮酸 =2+2 2.5=7ATP 三羧酸循环 2丙酮酸 25ATP+6CO2+4H2O 32ATP 储能效率 =32 7.3/686= 34.05% 比世界上任何一部热机的效率都高！ 提问 ： 其余能量何处去？ 答案 ： 以热量形式。一部分维持体温，一部分散失 。 三羧酸循环的特点 在有氧条件下进行，产生的还原当量经氧化 磷酸化可产生 ATP，是产生 ATP的主要途径。 不可逆。 中间产物的回补： 主要是丙酮酸羧化成草酰乙酸； 其次为丙酮酸还原成苹果酸 ,再生成草酰乙 酸。 三羧酸循环的生理意义 三大营养物质的 共同氧化途径。 糖 脂 肪 蛋 白 质 乙 酰 C o A 2 C O 2 G T P 3 N A D H ( H + ) 和 F A D H 2 三 羧 酸 循 环 4 H 2 O 2 O 2 呼 吸 链 氧 化 磷 酸 化 1 1 A D P + 1 1 P i 1 1 A T P 乙 酰 C o A 草 酰 乙 酸 柠 檬 酸 - 酮 戊 二 酸 琥 珀 酰 C o A 脂 肪 酸 胆 固 醇 谷 氨 酸 其 他 氨 基 酸 嘌 呤 嘧 啶 血 红 素 嘌 呤 、 嘧 啶 其 他 氨 基 酸 乙 酰 C o A 天 冬 氨 酸 三大物质代谢联系的枢纽。 三 、有氧氧化的调节 除对酵解途径三个关键酶的调节外，还对 丙酮酸脱氢酶复合体 、 柠檬酸合酶 、 异柠 檬酸脱氢酶 和 -酮戊二酸脱氢酶复合体 四 个关键酶存在调节。 1. 丙酮酸脱氢酶复合体 变构调节： 共价修饰调节： 磷酸化失活；胰岛素和 Ca2+促进其去磷酸化， 使其活性增加。 丙 酮 酸 丙 酮 酸 脱 氢 酶 复 合 体 乙 酰 C o A A M P 、 N A D + 、 C o A 、 C a 2 + A T P 、 N A D H 、 脂 肪 酸 2. 柠檬酸合酶 变构激活剂： ADP 变构抑制剂： NADH、琥珀酰 CoA、柠檬 酸、 ATP 3. 异柠檬酸脱氢酶 变构激活剂： ADP、 Ca2+ 变构抑制剂： ATP 4. 酮戊二酸脱氢酶复合体 与丙酮酸脱氢酶复合体相似。 总体说， 氧化磷酸化促进 TAC。 ATP/ADP，抑制 TAC，氧化磷酸化 ； ATP/ADP，促进 TAC，氧化磷酸化 。 .生物意义 三羧酸循环 是各种好氧生物体内 最主要的产能 途径 ！ 也是脂类、蛋白质彻底分解的共同途径 ！ 异柠檬酸 柠檬酸 延胡索酸 苹果酸 草酰乙酸 C oA SH 三羧酸循环三羧酸循环 乙酰 C oA - 酮戊二酸 琥珀酰 CoA 乙酰乙酰 C oA 苯丙氨酸 酪氨酸 亮氨酸 赖氨酸 色氨酸 丙氨酸 苏氨酸 甘氨酸 丝氨酸 半胱氨酸 丙酮酸 精氨酸 组氨酸 谷氨酰胺 脯氨酸 谷氨酸 异亮氨酸 甲硫氨酸 缬氨酸 苯丙氨酸 酪氨酸 天冬酰胺 谷氨酰胺 三羧酸循环 焚烧炉 中间酸是合成其他化合物的碳骨架 百宝库 。 例如 草酰乙酸 天冬氨酸、天冬酰胺等等 -酮戊二酸 谷氨酸 其他氨基酸 琥珀酰 CoA 血红素 既是“焚烧炉又是百宝库” （ 2） 乙醛酸循环 三羧酸循环支路 三羧酸循 环在异柠 檬酸与苹 果酸间搭 了一条捷 径。（ 省 了 6步 ） 异柠檬酸 柠檬酸 琥珀酸 苹果酸 草酰乙酸 CoASH 三羧酸循环 乙酰 CoA 乙 醛 酸 乙酰 CoA CoASH 由非糖前体生成糖时需要丙酮酸 或者草酰乙酸作为合成的前体。 在动物体内，乙酰 CoA不能作为 净合成葡萄糖的碳源。可是在植 物、微生物和酵母中却存在着一 个可以由 2碳化合物生成糖的生 物合成途径乙醛酸循环 .在乙醛 酸循环中乙酰 CoA中的碳原子并 没有以 CO2形式释放，而 是净合 成了一分子草酰乙酸，草酰乙酸 正是合成葡萄糖的前体。 只有一些 植物和微生物 兼具 有这样 的途径； 异柠檬酸裂解酶 异柠檬酸 琥珀酸 乙醛酸 CH 2 C O O H CH C O O H C H C O O HOH CH 2 C O O H C H 2 C O O H C H O C O O H + CH C O O H C H 2 C O O H O H C H O C O O H + C H 3 C O S C o A + C o A S H 乙醛酸 乙酰 CoA 苹果酸 苹果酸合成酶 这种途径对于植物和微生物意义重大！ 只保留三羧酸循环中的（ 10）脱氢 （ 1NADH）产能，只相当于 2.5个 ATP， 意义不在于产能，在于生存 。 . 种子发芽 糖异生 油类植物种 子中的油 脂 代 谢 糖 乙醛酸循环 草酰乙酸 乙酰 CoA 原始细菌生存 乙酸菌 以乙酸为主要食物的细菌 （物质循环中的重要一环） 乙酸 NH3 生存 乙醛酸循环 四碳、 六碳化 合物 转化 乙酸 + ATP +CoASH 乙酰 CoA + H2O +AMP +PPi 乙酰 CoA合成酶 3.磷酸戊糖途径（磷酸己糖 支路） 2 磷酸戊糖 途径 细胞质中 磷酸戊糖 磷酸戊糖为 代表性中间产物 。 支路 糖酵解在磷酸己糖处分 生出的新途径 。 A.过程 5-磷酸 核糖 5-磷酸 木酮糖 6-磷酸葡萄糖 糖 酵 解 6-磷酸葡萄糖 酸 NADP+ NADPH+H+ 5-磷酸核酮糖 NADP+ NADPH+H+ CO2 7-磷酸 景天酮糖 3-磷酸 甘油醛 6-磷 酸果糖 4-磷酸 赤藓糖 3-磷酸 甘油醛 氧化阶段 (脱碳产能 ) 非氧化阶段 (重组 ) C 5 C 5 C 3 C 7 C 6 C 4 C 3C 6 + + + + C 3 C 7+ C 5 C 4 2NADPH 生物氧化 O2 5ATP + 2H2O 6(6-磷酸葡萄糖 )+6O2 6(5-磷酸核酮糖 )+6CO2+6H2O+30ATP 葡萄糖 +O2 6CO2+6H2O+32ATP 5(6-磷酸葡萄糖 ) B.生物意义 提问：？ .产能 不通过糖酵解； .产物 磷酸核糖用于 DNA、 RNA的合成； 木酮糖参与光合作用固定 CO2； 各种单糖用于合成各类多糖； 产物 NADPH用于脂肪的合成 糖 异 生 gluconeogenesis 概念 ：由 非糖物质 转变为 葡萄糖或糖 原 的过程称为糖异生。 原料 ：乳酸、甘油、丙酮酸和生糖氨 基酸等。 部位 ：主要在肝脏，其次是肾脏。 一、糖异生途径 从丙酮酸生成 G的具体反应过程称 为糖异生途径。基本上是糖酵解的逆过 程，但是糖酵解途径的三个关键酶催化 的反应是放能的不可逆反应，又叫能障。 需要另外的酶催化绕过这三个能障。 3- 磷酸甘油醛 磷酸二羟丙酮 NAD + 磷酸丙糖异构酶 2 3- 磷酸甘油醛脱氢酶 N A D H H 1.3- 二磷酸甘油酸 ADP 2 3- 磷酸甘油酸 2 磷酸甘油酸变位酶 H 2 0 磷酸 ADP A T P 2- 磷酸甘油酸 2 烯醇式丙酮酸 烯醇化酶 丙酮酸激酶 异构 G = - 0.6 k c a l/ mol ( 可逆 ) 磷酸甘油酸激酶 A T P 氧化磷酸化 G = - 0.4 k c a l/ mol ( 可逆 )产能 1 G = +0.3k c a l/ mo l ( 可逆 ) 产能 2 G = - 4.0 k c a l/ mol ( 不可逆 ) 异构 脱水 G = +0.2k c a l/ mo l G = - 0.8 k c a l/ mol ( 可逆 ) （可逆） 2 丙酮酸 第 1步 丙酮酸 磷酸烯醇式丙酮酸 提问 ：如何进行？ 答案： 提供 更多的活化 能量。 1. 丙酮酸羧化支路 P E P A D P A T P 草 酰 乙 酸 丙 酮 酸 羧 化 酶 A D P + P i A T P C O 2 生 物 素 G T P G D P C O 2 P E P 羧 激 酶 丙 酮 酸 激 酶 C O O - C C H 3 C O O - C H C H 2 O P O 丙 酮 酸 C O O - C C H 2 O C O O H （ 线 粒 体 ） （ 线 粒 体 ， 胞 液 ） 草酰乙酸出线粒体的方式： 草酰乙酸 苹果酸 草酰乙酸 Asp 磷酸烯醇式 丙酮酸逆行 至 1， 6-二磷 酸果糖 第 2步 葡萄糖 糖原 （淀粉） A TP 己糖激酶 6- 磷酸葡萄糖 磷酸葡萄糖变位酶 1 - 磷酸葡萄糖 磷酸葡萄糖 异构酶 6- 磷酸果糖 A TP 磷酸果糖激酶 1 6 二磷酸果糖 醛缩酶 3- 磷酸甘油醛 磷酸二羟丙酮 活化 G = - 7.5 k c a l/ mol ( 不可逆 ) 异构 G = - 0.6 k c a l/ mol ( 可逆 ) 二次活化 G = - 5.0 k c a l/ mol ( 不可逆 ) 裂解 G = - 0.3 k c a l/ mol ( 可逆 ) 磷酸化酶 磷酸 ADP ADP 提问： 如何进行？ 水解酶催化 O O H OH C H 2 C H 2 O H O P P 6-磷酸果糖 P P O O H OH C H 2 C H 2 O O P 1， 6-二磷 酸果糖 答案： 在 水解 酶作 用下水解。 第 3步 糖异生的调节 F - 1 , 6 - B P A T P A D P P i H 2 O P F K - 1 F B P 酶 - 1 F - 6 - P F - 2 , 6 - B P A M P 糖 酵 解 糖 异 生 胰高血糖素促进糖异生，抑制糖分解。 胰岛素则作用相反。 F - 1 , 6 - B P A T P A D P F - 2 , 6 - B P P E P 丙 酮 酸 草 酰 乙 酸 乙 酰 C o A 胰 高 血 糖 素 胰 岛 素 胰 高 血 糖 素 肝 A l a 糖异生的生理意义 （一）维持血糖浓度恒定 （二）补充肝糖原 （三）调节酸碱平衡 各种物质的糖异生 乳酸 丙酮酸； Ala 丙酮酸； 生糖氨基酸 TAC中的各种羧酸 草酰乙 酸； 甘油 -磷酸甘油 磷酸二羟丙酮。 葡 萄 糖 肝 丙 酮 酸 糖 异 生 糖 原 乳 酸 糖 原 6 - 磷 酸 葡 萄 糖 葡 萄 糖 血 糖 丙 酮 酸 肌 肉 血 液 乳 酸 乳 酸 糖 酵 解 乳酸循环 提问 ： 丙酮酸通过糖异生形成一个 G，消耗多少 个 ATP能量？ 答案 ： 6（ 4（ 2 2） +2（ 1 2） ） 糖原分子只有一个还原端。糖原的合成分解都是在 非 还原端 上进行的。 糖原的合成 H O O H H O HH O H C H 2 O H H H O H H O HH O H C H 2 O H H O H O H O HH O H C H 2 O H H O H O H O HH O H C H 2 O H H O H O H H O HH O H C H 2 O H H O H O HH O H C H 2 O H H O O H O H O H H O HH O H C H 2 O H H O -1,4-糖苷键 还原端 -1,6-糖苷键 非还原端 O O O HO H HH H C H 2 H H N N O O OP O O P O O H O O H H O HH O H C H 2 O H H O H UDPG 糖原的合成代谢 (glycogenesis) UDPG是 G的活化形式，是 G活性供体。 糖原合成中，每增加一个 G单位消耗 2个 P。 糖原合酶是关键酶 。 G H K 或 G K G - 6 - P A T P A D P G - 1 - P U D P G 焦 磷 酸 化 酶 U D P G U T P P P i G n U D P G n + 1 糖 原 合 酶 糖原分支的形成： 4， 6糖苷转移酶 提问： 哪些物质可以通过糖异生途径形成糖元？ 答案： 凡能转变成糖代谢中间产物的物质 。 乳酸 回炉再造解毒、节能 饥饿状态下 氨基酸、甘油 维 持血糖浓度 纤维素 有机酸 微生物发酵 糖异生 葡萄 糖、 糖原 提问： 其他多糖是如何产生的？ 答案： 由 磷酸戊糖途径提供各种单糖 ，由类似 糖元合成途径合成。 糖代谢总图 戊糖磷 酸途径 储存性糖类 （糖原、淀粉等） 葡糖 -6-磷酸 甘露糖 葡萄糖 果糖 磷酸丙糖 丙酮酸 乳酸、乙醇 乙酰辅酶 A ATP CO2+H2 O 三羧酸循环 乙醛酸循环 戊糖磷酸 核糖 CO2+H2 O 各种脂类 其他生糖物质 生糖氨基酸 酵解 发酵 糖异生 重点