細胞呼吸檸檬酸循環(huán)

主要內(nèi)容TCA準備階段TCA循環(huán)階段TCA產(chǎn)能計算TCA的調(diào)節(jié)TCA雙重作用本文檔共49頁；當前第1頁；編輯于星期二\5點18分TCA背景知識1、為什么稱為檸檬酸循環(huán)、三羧酸循環(huán)（Tricarboxylicacidcycle,TCA）、Krebs循環(huán)？

在有氧的情況下，葡萄糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸氧化脫羧形成乙酰CoA。乙酰CoA經(jīng)一系列氧化、脫羧，最終生成C2O和H2O并產(chǎn)生能量的過程，稱為檸檬酸循環(huán)，亦稱為三羧酸循環(huán)(tricarboxylicacidcycle),簡稱TCA循環(huán)。由于它是由H.A.Krebs（德國）正式提出的，所以又稱Krebs循環(huán)。本文檔共49頁；當前第2頁；編輯于星期二\5點18分“Itisconvenienttouseabrieftermforthekindofscheme.Itsessentialfeatureistheperiodicformationofanumberofdi-andtricarboxylicacids.Asthereisnotermwhichwouldserveasacommondenominatorforallthevariousacids,itseemedreasonabletonamethecycleafterone,orsome,ofitscharacteristicandspecificacids.Itwasfromsuchconsiderationsthattheterm"citricacidcycle"wasproposedin1937.”（HansA.Krebs,Thecitricacidcycle,NobelLecture,December11,1953）Krebs,1901-1981本文檔共49頁；當前第3頁；編輯于星期二\5點18分BriefhistoryofTCAThefirstmajorinvestigationintotheintermediarymetabolismofoxidationwasthatofThunberg,whoexaminedsystematicallytheoxidizabilityoforganicsubstancesinisolatedanimaltissues.Between1906and1920hetestedtheoxidationofover60organicsubstances,chieflyinmuscletissue.Hediscoveredtherapidoxidationofthesaltsofanumberofacids,suchaslactate(乳酸鹽),succinate(琥珀酸鹽),fumarate(延胡索酸鹽),malate(蘋果酸鹽),citrate(檸檬酸鹽),andglutamate(谷氨酸鹽).本文檔共49頁；當前第4頁；編輯于星期二\5點18分In1932,Krebswasstudyingtheratesofoxidationofsmallorganicacidsbykidneyandlivertissue.Onlyafewofsubstanceswereactiveintheseexperiments---notablysuccinate,fumarate,acetate,malate,andcitrate.本文檔共49頁；當前第5頁；編輯于星期二\5點18分AnimportantdevelopmentcamefromthelaboratoryofSzent-GyorgyiofSzegedin1935,whoconfirmedonpigeonbreastmuscletherapidoxidationoftheC4-dicarboxylicacids-succinic,fumaric,malic,andoxaloaceticacids-andarrivedatthenewconclusionthatthosedicarboxylicacidswerelinkedbyanenzymaticpathwaythatwasimportantforaerobicmetabolism.

本文檔共49頁；當前第6頁；編輯于星期二\5點18分AdecisivecontributiontothefieldwasmadeinMarch1937byMartiusandKnoop,whodiscoveredα-ketoglutarate(α-酮戊二酸)

asaproductofcitrateoxidation.Becauseitwasalreadyknownthatα-ketoglutaratecouldbeenzymaticallyoxidizedtosuccinate,thepathwayfromcitratetooxaloacetatewasseemedas:本文檔共49頁；當前第7頁；編輯于星期二\5點18分In1937,Krebsfoundthatcitratecouldbeformedinmusclesuspensionsifoxaloacetateandeitherpyruvateoracetatewereadded.Now,hegetacycle:本文檔共49頁；當前第8頁；編輯于星期二\5點18分TCA背景知識2、細胞呼吸（cellrespiration）要經(jīng)歷三個階段：糖酵解階段、檸檬酸循環(huán)階段、氧化磷酸化階段。3、糖酵解的產(chǎn)物丙酮酸進入TCA之前有一準備過程，即形成乙酰CoA。本文檔共49頁；當前第9頁；編輯于星期二\5點18分TCA準備階段丙酮酸在丙酮酸脫氫酶系催化下氧化脫羧形成乙酰輔酶A。丙酮酸脫氫酶系復(fù)合物含三種酶和五個輔助因子E1:pyruvatedehydrogenase,thiaminepyrophosphate(TPP)E2:dihydrolipoyltransacetylase,lipoicacid,coenzymeA-SH

E3:dihydrolipoyldehydrogenase,NAD+,FADIRREVERSIBLE本文檔共49頁；當前第10頁；編輯于星期二\5點18分TCA準備階段

H+丙酮酸脫氫酶系作用機理（1）1.丙酮酸與TPP結(jié)合并脫羧形成羥乙基TPP。2.羥乙基TPP氧化轉(zhuǎn)變成乙?；瑫r轉(zhuǎn)移到E2的輔基硫辛酰胺上。3.在E2上的乙酰基在E2催化下轉(zhuǎn)移到CoASH上形成游離的乙酰CoA.從而形成了一個高能硫酯鍵。本文檔共49頁；當前第11頁；編輯于星期二\5點18分ThemechanisticdetailsofthefirstthreestepsofthepyruvatedehydrogenasecomplexreactionTCA準備階段本文檔共49頁；當前第12頁；編輯于星期二\5點18分TCA準備階段

丙酮酸脫氫酶系作用機理（2）4.還原型的E2將二個SH基H轉(zhuǎn)移到E3的輔酶FAD上形成還原型FADH5.E3上的還原型的FADH將H交給NAD+形成NADH，E3輔基又形成氧化型的FAD本文檔共49頁；當前第13頁；編輯于星期二\5點18分TCA準備階段

丙酮酸脫氫酶系反應(yīng)圖解E1E3本文檔共49頁；當前第14頁；編輯于星期二\5點18分TCA準備階段

砷化物對硫辛酰胺的毒害作用

有機砷化物和亞砷酸能與丙酮酸脫氫酶系中的E2輔基硫辛酰胺共價結(jié)合，使還原型的硫辛酰胺形成失去催化能力的砷化物。這類砷化物同樣表現(xiàn)在對酮戌二酸脫氫酶系的抑制上。R-As=O+HSHSRSRSR’-As+H2O本文檔共49頁；當前第15頁；編輯于星期二\5點18分TCA概貌

2C6C檸檬酸6C異檸檬酸5C酮戌二酸4C琥珀酰CoA4C琥珀酸4C延胡索酸4C蘋果酸4C草酰乙酸本文檔共49頁；當前第16頁；編輯于星期二\5點18分

1、草酰乙酸與乙酰輔酶A形成檸檬酸—催化此反應(yīng)的酶為檸檬酸合酶；—反應(yīng)的中間產(chǎn)物為檸檬酰輔酶A；—檸檬酸合酶屬于調(diào)控酶，其活性受ATP、NADH、琥珀酰CoA、酯酰CoA等的抑制；另一種抑制劑是丙酮酰CoA?！荰CA循環(huán)的限速酶，由氟乙酸形成的氟乙酰CoA可被該酶催化形成氟檸檬酸，從而抑制下一步的順烏頭酸酶催化的反應(yīng)。此稱為致死性合成反應(yīng)。TCA循環(huán)階段S-CoAintermediate本文檔共49頁；當前第17頁；編輯于星期二\5點18分哺乳動物體內(nèi)檸檬酸合成酶以二聚體形式存在。與草酰乙酸的結(jié)合使酶發(fā)生有利于和乙酰CoA結(jié)合的形變。TCA循環(huán)階段檸檬酸合成酶的單聚體形式，綠色原子為檸檬酸，粉色原子為CoA本文檔共49頁；當前第18頁；編輯于星期二\5點18分TCA循環(huán)階段草酰乙酸與乙酰輔酶A形成檸檬酸，反應(yīng)的中間產(chǎn)物為檸檬酰輔酶A。本文檔共49頁；當前第19頁；編輯于星期二\5點18分

２、檸檬酸異構(gòu)形成異檸檬酸—催化此反應(yīng)的酶為烏頭酸酶；—反應(yīng)的中間產(chǎn)物為順烏頭酸；—反應(yīng)為先脫水后水化；—由于反應(yīng)生成的異檸檬酸在下一步反應(yīng)中迅速被氧化而使反應(yīng)向生成異檸檬酸的方向進行。TCA循環(huán)階段本文檔共49頁；當前第20頁；編輯于星期二\5點18分順烏頭酸酶催化檸檬酸異構(gòu)化為檸檬酸，反應(yīng)分兩步進行，經(jīng)歷一個順烏頭酸中間體。反應(yīng)具有嚴格的空間特異性。TCA循環(huán)階段本文檔共49頁；當前第21頁；編輯于星期二\5點18分順烏頭酸酶活性位點的鐵硫聚簇。TCA循環(huán)階段本文檔共49頁；當前第22頁；編輯于星期二\5點18分氟乙酸到氟檸檬酸的轉(zhuǎn)化TCA循環(huán)階段本文檔共49頁；當前第23頁；編輯于星期二\5點18分

３、異檸檬酸氧化生成－酮戌二酸—催化此反應(yīng)的酶為異檸檬酸脫氫酶；—反應(yīng)為TCA二次氧化脫羧中的第一個反應(yīng)；—反應(yīng)中間產(chǎn)物為不穩(wěn)定的草酰琥珀酸；—既有以NAD+為輔酶的異檸檬酸脫氫酶，也有以NADP+為輔酶的異檸檬酸脫氫酶。—異檸檬酸脫氫酶是變構(gòu)調(diào)節(jié)酶，其活性受ADP和NAD+的變構(gòu)激活，受ATP和NADH的變構(gòu)抑制。TCA循環(huán)階段-脫羧反應(yīng)本文檔共49頁；當前第24頁；編輯于星期二\5點18分TCA循環(huán)階段本文檔共49頁；當前第25頁；編輯于星期二\5點18分

4、－酮戌二酸氧化脫羧生成琥珀酰CoA—催化此反應(yīng)的酶為－酮戌二酸脫氫酶復(fù)合體，該酶由－酮戌二酸脫氫酶E1、二氫硫辛酰轉(zhuǎn)琥珀酰酶E2和二氫硫辛酰脫氫酶E3及六種輔助因子TPP、硫辛酸、CoA、NAD+、FAD、Mg2+組成；—反應(yīng)為TCA二次氧化脫羧中的第二個反應(yīng)；—反應(yīng)釋放的能量主要存于琥珀酰CoA的高能硫酯鍵中；TCA循環(huán)階段本文檔共49頁；當前第26頁；編輯于星期二\5點18分

4、－酮戌二酸氧化脫羧生成琥珀酰CoA—－酮戌二酸脫氫酶是變構(gòu)調(diào)節(jié)酶，其活性受產(chǎn)物琥珀酰CoA、NADH和高能ATP的變構(gòu)抑制?！c丙酮酸脫氫酶復(fù)合體中E1不同的是該酶不受磷酸化與去磷酸化的共價修飾調(diào)節(jié)作用；TCA循環(huán)階段本文檔共49頁；當前第27頁；編輯于星期二\5點18分5、琥珀酰CoA轉(zhuǎn)化為琥珀酸并釋放高能磷酸鍵—催化此反應(yīng)的酶為琥珀酰CoA合成酶或稱琥珀酰硫激酶；—該反應(yīng)為TCA是唯一直接產(chǎn)生高能磷酸鍵的步驟，也是一步底物水平磷酸化產(chǎn)生能量的步驟；—反應(yīng)生產(chǎn)的GTP在蛋白質(zhì)的生物合成中起磷酰基供體及激活信號蛋白的作用，也可以與ADP磷酸化生成ATP相偶聯(lián)產(chǎn)生能量。TCA循環(huán)階段本文檔共49頁；當前第28頁；編輯于星期二\5點18分琥珀酰CoA合成酶反應(yīng)機制TCA循環(huán)階段本文檔共49頁；當前第29頁；編輯于星期二\5點18分6、琥珀酸脫氫生成延胡索酸—催化此反應(yīng)的酶為琥珀脫氫酶；它以FAD為輔基；—該酶具有嚴格的立體專一性，即只生成反式延胡索酸；—與琥珀酸結(jié)構(gòu)類似的化合物如丙二酸、戌二酸等是該酶的競爭性抑制劑。TCA循環(huán)階段本文檔共49頁；當前第30頁；編輯于星期二\5點18分TCA循環(huán)階段琥珀酸脫氫酶的鐵硫聚簇FAD和琥珀酸脫氫酶的共價結(jié)合本文檔共49頁；當前第31頁；編輯于星期二\5點18分7、延胡索酸水合成L-蘋果酸—催化此反應(yīng)的酶為延胡索酸酶；—該酶具有嚴格的立體專一性，即只生成L-蘋果酸；TCA循環(huán)階段本文檔共49頁；當前第32頁；編輯于星期二\5點18分TCA循環(huán)階段延胡羧酸酶的兩種可能的反應(yīng)機制本文檔共49頁；當前第33頁；編輯于星期二\5點18分8、L-蘋果酸脫氫生成草酰乙酸—催化此反應(yīng)的酶為蘋果酸脫氫酶；—該酶的輔基為NAD+；—由于草酰乙酸與乙酰CoA合成檸檬酸的反應(yīng)是高度放能反應(yīng)，因此通過草酰乙酸的不斷消耗來驅(qū)使該反應(yīng)不斷向生成草酰乙酸方向進行。TCA循環(huán)階段本文檔共49頁；當前第34頁；編輯于星期二\5點18分TCA循環(huán)階段以NAD+作為輔酶的脫氫酶的空間特異性比較本文檔共49頁；當前第35頁；編輯于星期二\5點18分TCA循環(huán)階段蘋果酸脫氫酶的結(jié)構(gòu)本文檔共49頁；當前第36頁；編輯于星期二\5點18分TCA循環(huán)階段TCACycle乙酰草酰成檸檬，檸檬易成α-酮琥酰琥酸延胡索，蘋果落在草叢中。本文檔共49頁；當前第37頁；編輯于星期二\5點18分1、總反應(yīng)—離開循環(huán)的二分子CO2的碳并非來自進入循環(huán)的乙酰輔酶A，而分別來自異檸檬酸脫羧和-酮戌二酸脫羧反應(yīng)；—每循環(huán)一次共產(chǎn)生一個GTP、消耗二個水分子；—每一次循環(huán)有4次氧化反應(yīng)，共產(chǎn)生3分子NADH和1分子FADH2；—每次循環(huán)產(chǎn)生的能量：1（GTP）+32.5(NADH)+11.5(FADH2)=10ATP—若從丙酮酸算起則產(chǎn)生：10+2.5(NADH)=12.5ATP—若從葡萄糖算起則產(chǎn)生：12.52+2+2(NADH)2.5=32ATPTCA能量計算AcetylCoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+3NADH+FADH2+GTP+2H++CoA本文檔共49頁；當前第38頁；編輯于星期二\5點18分TCA中C的歸宿本文檔共49頁；當前第39頁；編輯于星期二\5點18分TCA中C的歸宿本文檔共49頁；當前第40頁；編輯于星期二\5點18分TCA的調(diào)控可看成來自二方面：TCA循環(huán)本身所具有的內(nèi)部相互制約系統(tǒng)的調(diào)控和ADP、ATP、Ca2+對循環(huán)的調(diào)控。1、調(diào)控丙酮酸脫氫酶復(fù)合體TCA的調(diào)控本文檔共49頁；當前第41頁；編輯于星期二\5點18分TCA的調(diào)控是通過循環(huán)的別構(gòu)效應(yīng)劑和共價修飾實現(xiàn)的。1、調(diào)控丙酮酸脫氫酶復(fù)合體TCA的調(diào)控本文檔共49頁；當前第42頁；編輯于星期二\5點18分本文檔共49頁；當前第43頁；編輯于星期二\5點18分丙酮酸脫氫酶復(fù)合體的調(diào)控1.1.產(chǎn)物調(diào)控即由NADH和乙酰CoA控制。這二種物質(zhì)是和酶的作用底物NAD+和CoA競爭酶活性部位。乙酰CoA抑制E2、NADH抑制E3。1.2.磷酸化和去磷酸化的調(diào)控E2上結(jié)合有二種酶：激酶和磷酸化酶。激酶使丙酮酸脫氫酶組分磷酸化而失活，磷酸酶則脫去丙酮酸脫氫酶上的磷酸基團而活化。Ca2+可使磷酸酶活化從而激活丙酮酸脫氫酶。TCA的調(diào)控本文檔共49頁；當前第44頁；編輯于星期二\5點18分2、調(diào)控TCA循環(huán)的三個限速反應(yīng)3、ATP、ADP和Ca2+對TCA的調(diào)控TCA的調(diào)控本文檔共49頁；當前第45頁；編輯于星期二\5點18分TCA的中間產(chǎn)物為許多生成合成提供前體物質(zhì)。TCA的雙重作用OXALOACETATEREPLENISHEDBYPYRUVATECARBOXYLASE本文檔共49頁；當前第46頁；編輯于星期二\