《柠檬酸循环》PPT课件.ppt

第 23章 柠 檬 酸 循 环(Citric acid cycle) 糖 酵 解 是 无 氧 和 有 氧 两 条 产 能 途径 的 共 同 起 始 通 路 细 胞 质 线 粒 体酵 解 过 程 发 酵 过 程 柠 檬 酸 循 环 德 国 科 学 家 Hans Krebs 1937年 提 出 ， 1953年 获 得 诺贝 尔 奖 ， 并 被 称 为 柠 檬 酸 循环 之 父 。TCA循 环 的 发 现在 有 氧 条 件 下 ， 糖 酵 解 途 径 产 生 的 丙 酮 酸 进 入 线 粒 体 ， 先 转 变 成乙 酰 CoA， 乙 酰 CoA再 进 入 柠 檬 酸 循 环 彻 底 氧 化 成 CO2。 在 真 核细 胞 中 ， 柠 檬 酸 循 环 是 在 线 粒 体 中 进 行 的 。 丙 酮 酸 的 有 氧 氧 化 包括 两 个 部 分 ： 柠 檬 酸 循 环氧 化 磷 酸 化三 羧 酸 循 环 (tricarboxylic acid cycle, TCA 循 环 or Krebs循 环 ) 糖 的 有 氧 氧 化 的 三 个 步 骤 1、 葡 萄 糖 氧 化 分 解 成 丙 酮 酸 （ 即 糖 酵 解 ， 细 胞 质 中 进 行 ） 2、 丙 酮 酸 氧 化 脱 羧 生 成 乙 酰 CoA （ 线 粒 体 中 进 行 ） （ 丙 酮 酸 乙 酰 辅 酶 A， 简 写 为 乙 酰 CoA） 3、 乙 酰 CoA进 入 TCA循 环 （ 线 粒 体 中 进 行 ） 三 羧 酸 循 环 （ 乙 酰 CoA H 2O 和 CO2， 释 放 出 能 量 ） 一 、 丙 酮 酸 进 入 柠 檬 酸 循 环 的准 备 阶 段 形 成 乙 酰 CoA OCH3CCOO + HS CoA + NAD+ O CH3C SCoA + CO2 + NADH 丙 酮 酸 脱 氢 酶 复 合 体丙 酮 酸 到 乙 酰 CoA的 总 反 应 式1.丙 酮 酸 脱 氢 酶 复 合 体2.分 4步 反 应 进 行 丙 酮 酸 脱 氢 酶 复 合 体 的 组 成酶 缩 写 肽 链 数 辅 基 催 化 的 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 酰 基 酶 E2 24 硫 辛 酰 胺 将 乙 酰 基 转 移 到 CoA二 氢 硫 辛 酸脱 氢 酶 E 3 12 FAD 将 还 原 型 硫 辛 酰 胺 转 变 为氧 化 型三 种 酶 六 种 辅 基 ： CoA、 NAD+、 Mg2+ 硫 胺 素 焦 磷 酸 ： thiamine pyrophosphate， TPP硫 辛 酰 胺 ： lipoamide黄 素 腺 嘌 呤 二 核 苷 酸 ： flavin adenine dinucleotide， FAD 丙 酮 酸 转 变 为 乙 酰 CoA的 反 应 步 骤 1、 丙 酮 酸 脱 羧 反 应E1 1） 丙 酮 酸 TPP 丙 酮 酸 -TPP加 成 化 合 物 丙 酮 酸 -TPP加 成 化 合 物 羟 乙 基 -TPP共 振 形 式 脱 羧 2） 羟 乙 基 -TPP 硫 辛 酰 胺 乙 酰 二 氢 硫 辛 酰 胺 TPP-E1E2羟 乙 基 -TPP-硫 辛 酰 胺 -E2 氧 化 乙 酰 基 乙 酰 二 氢 硫 辛 酰 胺 乙 酰 CoA 二 氢 硫 辛 酰 胺 -E22、 乙 酰 基 转 移 到 CoA分 子 上 形 成 乙 酰 CoA 转 乙 酰 基 3、 还 原 型 E2被 氧 化 反 应 氧 化 型 E3 还 原 型 E2 还 原 型 E3 氧 化 型 E2 还 原 型 E 3 还 原 型 E3 氧 化 型 E3 E34、 还 原 型 E3再 氧 化 氧 化 丙 酮 酸 脱 氢 酶 复 合 体 结 构由 60条 肽 链 组 成 ， 总 分 子量 为 50,000kD， 直 径 约30nm， 在 电 子 显 微 镜 下 可以 看 到 它 是 一 个 多 面 体 结构 。 E2是 复 合 体 的 核 心 ：8个 三 聚 体 组 成 ， 共 24条 肽 链 ，形 成 一 个 中 空 的 立 方 体 。有 一 个 由 赖 氨 酸 残 基 与 硫 辛 酰胺 相 连 的 长 臂 ， 这 个 长 臂 伸 长后 可 达 1.4nm， 它 具 有 极 大 的转 动 灵 活 性 ， 可 将 底 物 从 一 个酶 转 送 到 另 一 个 酶 。E1及 E3结 合 在 E2的 外 面 ：E1有 24条 肽 链 ， E3有 12条 肽 链硫 辛 酰 赖 氨 酰 臂中 间 产 物 在 氨 基 酸臂 的 作 用 下 快 速 准 确 的 到 达 酶 催 化 中心 丙 酮 酸 转 变 为 乙 酰 CoA的 总 图 OCH 3CCOO + HS CoA + NAD+ O CH3C SCoA + CO2 + NADH 丙 酮 酸 脱 氢 酶 复 合 体 丙 酮 酸 脱 氢 酶 复 合 体 的 调 控 丙 酮 酸 脱 氢 酶 复 合 体 催 化 的 反 应 是 哺 乳 动 物 体 内 使 丙 酮 酸转 变 为 乙 酰 CoA的 唯 一 途 径 。 乙 酰 CoA既 是 柠 檬 酸 循 环 的 入 口 ，又 是 脂 类 生 物 合 成 的 起 始 物 质 。1 产 物 控 制乙 酰 CoA竞 争 性 抑 制 E2NADH竞 争 性 抑 制 E32 磷 酸 化 和 去 磷 酸 化 的 调 控 E 2分 子 上 结 合 着 两 种 特 殊 的 酶 ， 一 种 是 激 酶 ， 另 一 种 是 磷酸 酶 ， 它 们 分 别 使 E1磷 酸 化 和 去 磷 酸 化 ， 去 磷 酸 化 形 式 是 E1的活 性 形 式 。 *砷 化 物 对 硫 辛 酰 胺 的 毒 害 作 用 *用 于 治 疗 锥 虫 病 、 梅 毒 、 白 血 病 二 、 柠 檬 酸 循 环 概 貌 琥 珀 酸 脱 氢 酶 C6柠檬酸C6顺乌头酸C6异柠檬酸C6草酰琥珀酸 C5-酮戊二酸C4琥珀酰-CoAC4琥珀酸 C4延胡索酸 C4苹果酸 C4草酰乙酸 C2乙酰-CoA NADH CO2 NADHCO2 GTP FADH2 NADH 柠 檬 酸 合 酶 乌 头 酸 酶异 柠 檬 酸 脱 氢 酶 酮 戊 二 酸 脱 氢 酶琥 珀 酰 -CoA合 成 酶延 胡 索 酸 酶 L 苹 果 酸 脱 氢 酶 三 、 柠 檬 酸 循 环 的 反 应 机 制 草 酰 乙 酸 与 乙 酰 CoA缩 合 形 成 柠 檬 酸 草 酰 乙 酸 乙 酰 CoA 柠 檬 酰 CoA 柠 檬 酸 CoA 柠 檬 酸 合 酶1 12 212 哺 乳 动 物 体 内 柠 檬 酸 合 成 酶 以 二 聚 体 形 式 存 在 ， 形 成 一 个深 缝 ， 其 中 含 一 个 草 酰 乙 酸 结 合 位 点 。 当 草 酰 乙 酸 与 结 合位 点 结 合 后 使 亚 基 转 向 ， 酶 分 子 的 裂 缝 合 拢 ， 暴 露 出 乙 酰CoA结 合 位 点 。 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柠 檬 酸 合 成 酶 的 诱 导 契 合 机 制 柠 檬 酸 合 酶 是 TCA循 环 的 限 速 酶 。 柠 檬 酸 合 酶 的 调 控其 活 性 受1、 ATP、 NADH： 变 构 抑 制2、 琥 珀 酰 CoA、 酯 酰 CoA、 丙 酮 酰 CoA： 竞 争 抑 制 。由 氟 乙 酸 形 成 的 氟 乙 酰 CoA可 被 柠 檬 酸 合 酶 催 化 形 成 氟 柠 檬酸 ， 取 代 柠 檬 酸 结 合 到 顺 乌 头 酸 酶 活 性 部 位 上 ， 抑 制 下 一 步 反应 ， 这 一 过 程 称 为 致 死 性 合 成 反 应 。 杀 虫 剂 、 鼠 药 、 有 毒 树 叶 氟 乙 酸 柠 檬 酸 异 构 化 形 成 异 柠 檬 酸 柠 檬 酸 顺 乌 头 酸 异 柠 檬 酸 90 4 6乌 头 酸 酶乌 头 酸 酶2 221 11柠 檬 酸 （ 叔 醇 ） 异 构 化 形 成 异 柠 檬 酸 （ 仲 醇 ） ， 更 容 易 被氧 化 。标 准 状 态 乌 头 酸 酶 中 的 Fe-S聚 簇 （ 中 心 ）含 有 这 类 结 构 的 蛋 白 质 称 为 铁 硫 蛋 白 4个 铁 原 子4个 无 机 硫4个 Cys 异 柠 檬 酸 脱 氢酶 异 柠 檬 酸 草 酰 琥 珀 酸 -酮 戊 二 酸1 212 异 柠 檬 酸 氧 化 形 成 -酮 戊 二 酸 三 羧 酸 循 环 中 第一 次 氧 化 脱 羧 作用 （ 脱 羧 反 应 ） 异 柠 檬 酸 脱 氢 酶 的 调 控v异 柠 檬 酸 脱 氢 酶 是 一 个 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 。v异 柠 檬 酸 脱 氢 酶 可 被 Mg2+、 Mn2+、 活 化 。vNAD+ 、 Mg2+和 ADP有 协 同 作 用 。v总 之 ， 细 胞 在 具 有 高 能 状 态 时 酶 活 性 被 抑 制 ; 在 低 能状 态 时 酶 活 性 被 激 活 . 异 柠 檬 酸 的 分 支 途 径异 柠 檬 酸 异 柠 檬 酸 裂 解 酶 琥 珀 酸 乙 醛 酸在 植 物 和 有 些 细 菌 中 发 生 ， 当 需 要 能 量 时 ， 进 行 氧 化 反 应生 成 -酮 戊 二 酸 ； 当 能 量 储 备 充 分 时 ： 乙 醛 酸 途 径 酮 戊 二 酸 氧 化 脱 羧 形 成 琥 珀 酰 CoA 酮 戊 二 酸 琥 珀 酰 CoA -酮 戊二 酸 脱 氢酶 复 合 体 1 12 2u三 羧 酸 循 环 中 第 二 次 氧 化 脱 羧 作 用u驱 使 NAD+还 原u不 可 逆 反 应 ， 使 TCA向 氧 化 方 向 进 行 并 大 量 释 放 能 量u释 放 的 能 量 主 要 以 琥 珀 酰 CoA的 高 能 硫 酯 键 形 式 保 存 -酮 戊 二 酸 脱 氢 酶 复 合 体 组 分 缩 写 辅 基 催 化 的 反 应-酮 戊 二 酸脱 氢 酶 E1 TPP -酮 戊 二 酸 氧 化 脱 羧二 氢 硫 辛 酰 转琥 珀 酰 基 酶 E2 硫 辛 酰 胺 将 琥 珀 酰 基 转 移 到 CoA二 氢 硫 辛 酸脱 氢 酶 E 3 FAD 将 还 原 型 硫 辛 酰 胺 转 变 为氧 化 型 三 种 酶 六 种 辅 基 ： CoA、 NAD+、 Mg2+ 和 丙 酮 酸 脱 氢 酶 复 合 物 中 的 E3是 同 一 酶 1 产 物 控 制琥 珀 酰 CoA竞 争 性 抑 制 E2NADH竞 争 性 抑 制 E32 高 能 荷 抑 制ATP， GTP可 反 馈 抑 制 酶 的 活 性 。3 不 受 磷 酸 化 和 去 磷 酸 化 的 调 控 酮 戊 二 酸 脱 氢 酶 复 合 体 的 调 控 琥 珀 酰 CoA转 化 成 琥 珀 酸 烯 醇 化 酶 琥 珀 酰 CoA 琥 珀 酸琥 珀 酰 CoA合 成 酶 1 12 2u琥 珀 酰 CoA合 成 酶 也 称 琥 珀 酰 硫 激 酶 （ 催 化 逆 反 应 ）uTCA中 唯 一 直 接 产 生 高 能 磷 酸 键 的 步 骤 ： 底 物 水 平 磷 酸 化 哺 乳 动 物 ： GTP 植 物 和 细 菌 ： ATP。uGTP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 。 琥 珀 酸 脱 氢 形 成 延 胡 索 酸琥 珀 酸 脱 氢 酶琥 珀 酸 延 胡 索 酸uTCA中 第 三 步 氧 化 还 原 反 应u 琥 珀 酸 脱 氢 酶 是 三 羧 酸 循 环中 唯 一 掺 入 线 粒 体 内 膜 的 酶 ，直 接 与 呼 吸 链 联 系 。 琥 珀 酸 脱 氢 酶 的 铁 硫聚 簇 FAD和 琥 珀 酸 脱 氢 酶 的共 价 结 合 u琥 珀 酸 脱 氢 酶 具 有 严 格 的 立 体 专 一 性 。 延 胡 索 酸 是 反 丁 烯 二酸 ， 而 不 是 顺 丁 烯 二 酸 (马 来 酸 )， 后 者 不 能 参 加 代 谢 ， 对 有 机体 有 毒 性 。延 胡 索 酸 马 来 酸u丙 二 酸 、 戊 二 酸 是 琥 珀 酸 脱氢 酶 的 竞 争 性 抑 制 剂 延 胡 索 酸 水 合 形 成 L-苹 果 酸延 胡 索 酸 酶 延 胡 索 酸 L-苹 果 酸u延 胡 索 酸 酶 具 有 很 高 的 立 体 专 一 性 。 它 只 作 用 于 延 胡 索酸 ， 从 双 键 的 相 反 方 向 加 OH 和 H ， 生 成 L-苹 果 酸 ，或 者 催 化 其 逆 反 应 ， L-苹 果 酸 脱 水 变 成 延 胡 索 酸 。 该 酶 不能 催 化 顺 丁 烯 二 酸 加 水 变 成 苹 果 酸 ， 也 不 能 催 化 D-苹 果 酸 的 脱 水 反 应 。 L-苹 果 酸 脱 氢 形 成 草 酰 乙 酸苹 果 酸 脱 氢 酶 L-苹 果 酸 草 酰 乙 酸u三 羧 酸 循 环 中 第 4次 氧 化 还 原 反 应u Go + 29.7 kJ/mol， 在 热 力 学 上 不 利 于 草 酰 乙 酸 的 生 成 ，而 有 利 于 逆 向 反 应 。 因 此 ， 草 酰 乙 酸 在 细 胞 内 的 浓 度 是 很 低 的 。u在 细 胞 内 ， 不 利 于 草 酰 乙 酸 生 成 的 反 应 可 以 被 TCA的 第 一 步 反 应 所 推 动 ， 向 有 利 于 草 酰 乙 酸 生 成 的 方 向 进 行 。 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 三 羧 酸 循 环 的 过 程 TCA经 四 次 氧 化 ， 二 次 脱 羧 ， 通 过一 个 循 环 ， 可 以 认 为 乙 酰 CoA2CO2 四 、 柠 檬 酸 循 环 的化 学 总 结 算乙 酰 CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi +2H2O 2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP + CoA柠 檬 酸 循 环 的 总 反 应 式*表 明 TCA循 环 每 循 环 一 次 ， 只 有 一 分 子 的 乙 酰 CoA被 氧 化 ，所 有 TCA中 间 物 并 不 因 参 加 反 应 而 有 所 增 减 。 ATP的 产 量 从 丙 酮 酸 开 始 ， 柠 檬 酸 循 环 中 循 环 一 圈 ， 共 产 生 4个 NADH，1个 FADH2， 1个 GTP（ ATP） ， 按 每 个 NADH可 以 产 生 2.5个 ATP、每 个 FADH2可 以 产 生 1.5个 ATP计 算 ， 共 产 生 :2.5 4（ NADH） + 1.5 1（ FADH2） + 1（ GTP） = 12.5 个 ATP 每 个 葡 萄 糖 分 子 （ 2个 丙 酮 酸 ） 在 进 入 柠 檬 酸 循 环 后 可 以 产 生25个 ATP。 每 个 葡 萄 糖 分 子 在 糖 酵 解 中 可 以 产 生 2个 ATP和 2个 NADH，共 产 生 2（ ATP） + 2.5 2（ NADH） = 7个 ATP 每 个 葡 萄 糖 分 子 彻 底 氧 化 后 共 产 生 32个 ATP。 糖 酵 解 +三 羧 酸 循 环 的 效 率 1摩 尔 的 葡 萄 糖 完 全 氧 化 可 产 生 2867kJ的能 量 ， 若 按 每 摩 尔 的 ADP磷 酸 化 需 要 30.5kJ的 能 量 计 储 能 效 率 =32 30.5/2867= 34% 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 。 五 、 柠 檬 酸 循 环 的 调 控 在 柠 檬 酸 循 环 中 ， 虽 然 有 8种 酶 参 加 反 应 ，但 在 调 节 循 环 速 度 中 起 关 键 作 用 的 是 3种 酶 ：柠 檬 酸 合 酶 、 异 柠 檬 酸 脱 氢 酶 和 酮 戊 二 酸脱 氢 酶 复 合 体 。 其 调 控 可 以 分 为 两 个 方 面 ： 柠 檬 酸 循 环 本 身 各 种 物 质 对 酶 活 性 的 调 控 ； ADP、 ATP和 Ca 2+的 调 控 。 柠 檬 酸 循 环 本 身 制 约 系 统 的 调 节1 乙 酰 CoA和 草 酰 乙 酸 的 供 应 情 况 。 乙 酰 CoA来 源 于 丙 酮 酸 ， 受 到 丙 酮 酸 脱 氢 酶 复 合 体 活 性 的 控制 ； 草 酰 乙 酸 的 供 应 取 决 于 循 环 是 否 运 行 畅 通 ， 以及 中 间 产 物 离 开 循 环 的 速 率 和 补 充 的 速 率 。2 NADH/NAD+的 比 值 。 柠 檬 酸 合 酶 和 异 柠檬 酸 脱 氢 酶 都 受 到 NADH的 抑 制 ， 但 异 柠 檬 酸 脱 氢酶 对 NADH更 为 敏 感 。 酮 戊 二 酸 脱 氢 酶 复 合 体也 受 NADH的 抑 制 。3 产 物 的 反 馈 抑 制 。 柠 檬 酸 合 酶 受 高 浓 度 柠 檬酸 的 抑 制 ； 酮 戊 二 酸 脱 氢 酶 复 合 体 受 琥 珀 酰CoA的 抑 制 。 go ATP、 ADP和 Ca2+对 柠 檬 酸 循 环 的 调 节1 ATP/ADP的 比 值 。 ATP/ADP的 比 值 对 柠檬 酸 循 环 中 的 酶 有 调 节 作 用 ， ADP是 异 柠 檬 酸 脱 氢酶 的 别 构 促 进 剂 ， 可 降 低 该 酶 的 Km值 ， 促 进 酶 与底 物 的 结 合 ； 而 ATP抑 制 该 酶 。2 Ca2+浓 度 。 Ca2+可 激 活 丙 酮 酸 脱 氢 酶 的 磷 酸 酶， 使 丙 酮 酸 脱 氢 酶 去 磷 酸 化 而 活 化 ， 从 而 增 加 乙 酰CoA的 供 应 。 同 时 Ca 2+也 能 激 活 异 柠 檬 酸 脱 氢 酶 和 酮 戊 二 酸 脱 氢 酶 。 乙酰CoA 形成和柠檬酸循环中的激活和抑制部位示意图激 活 抑 制 反 馈 抑 制 六 、 柠 檬 酸 循 环 的 双 重 作 用柠 檬 酸 循 环 是 新 陈 代 谢 的 中 心 环 节 。 1. 是 有 机 体 获 得 生 命 活 动 所 需 能 量 的 主 要 途 径2. 形 成 多 种 重 要 的 中 间 产 物 ， 是 糖 、 脂 、 蛋 白 质 等物 质 代 谢 和 转 化 的 中 心 枢 纽既 是 “ 焚 烧 炉 又 是 百 宝 库 ” 柠 檬 酸 循 环 中 间 产 物 是 生 物 合 成 的 前 体直 接 利 用 柠 檬 酸 循 环 中 间 产 物 的 生 物 合 成 途 径 ：葡 萄 糖 生 物 合 成 （ 糖 异 生 ）脂 类 的 生 物 合 成 ： 脂 肪 酸 和 胆 固 醇氨 基 酸 的 生 物 合 成卟 啉 类 的 生 物 合 成 ： 卟 啉 的 主 要 碳 原 子 来 自 琥珀 酰 CoA 柠 檬 酸 循 环 双 重 作 用 示 意 图分 解 代 谢 和 合 成 代 谢双 重 作 用 柠 檬 酸 循 环 的 填 补 反 应 三 羧 酸 循 环 由 于 参 与 其 他 代 谢 途 径 而 失 去 的中 间 产 物 必 须 及 时 补 充 ， 才 能 维 持 三 羧 酸 循环 的 正 常 进 行 。 对 柠 檬 酸 循 环 中 间 产 物 有 补 充 作 用 的 反 应 称为 三 羧 酸 循 环 的 回 补 反 应 。 产 生 草 酰 乙 酸 的 3个 途 径1） 丙 酮 酸 在 丙 酮 酸 羧 化 酶 (pyruvate carboxylase)催化 下 形 成 草 酰 乙 酸 ， 需 要 生 物 素 为 辅 酶 （ biotin-dependent） 。 草 酰 乙 酸 不 足 会 引 起 乙 酰 CoA水 平 增 高 。 乙 酰 CoA可激 活 丙 酮 酸 羧 化 酶 ， 产 生 更 多 的 草 酰 乙 酸 。 2） 磷 酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 在 磷 酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 羧 化 激酶 的 催 化 下 形 成 草 酰 乙 酸 。3） 天 冬 氨 酸 及 谷 氨 酸 的 转 氨 作 用 可 以 形 成 草 酰 乙酸 和 a酮 戊 二 酸 。 糖 与 氨 基 酸 、脂 肪 代 谢 的联 系