第23章檸檬酸循環(huán)

Chapter23檸檬酸循環(huán)Tricarboxylicacidcycle〔TCA〕三羧酸循環(huán),Krebs循環(huán)1/13/20241●德國(guó)，HansKrebs1937年提出，1953年獲諾貝爾獎(jiǎng)，ATP循環(huán)〔檸檬酸循環(huán)〕之父。一、TCA循環(huán)的發(fā)現(xiàn)1/13/20242TCA循環(huán)丙酮酸的有氧氧化葡萄糖通過(guò)糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸，在有氧條件下，進(jìn)行完全氧化，生成H2O和CO2，并釋放出大量能量。兩個(gè)階段檸檬酸循環(huán)氧化磷酸化1/13/20243二、糖的有氧氧化〔好氧呼吸〕：三個(gè)步驟1、G或糖原氧化分解成丙酮酸〔即糖酵解，胞液〕2、丙酮酸氧化脫羧生成乙酰COA〔線粒體基質(zhì)〕〔丙酮酸乙酰輔酶A，乙酰CoA〕3、乙酰COA→TCA〔線粒體〕乙酰CoAH2O+CO2，釋放能量〕1/13/20244三、TCA循環(huán)〔一〕準(zhǔn)備階段丙酮酸氧化脫羧→乙酰-COA1/13/20245真核細(xì)胞線粒體基質(zhì)(原核細(xì)胞:質(zhì)膜〕進(jìn)行丙酮酸脫氫酶系：非常復(fù)雜的多酶體系三種不同的酶丙酮酸脫羧酶E1二氫硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶E2二氫硫辛酸脫氫酶E36種輔因子TTP、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA、Mg2+糖酵解、三羧酸循環(huán)的中間環(huán)節(jié)1/13/20246E2(dihydrolipoyltransacetylase):consistingthecore,24subunits;E1(pyruvatedehydrogenase):boundtotheE2core,24subunits;E3(dihydrolipoyldehydrogenase):boundtotheE2core,12subunits.1/13/20247丙酮酸脫氫酶復(fù)合體E2E3E1三種酶60條肽鏈形成的復(fù)合體乙酰二氫硫辛酸硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶硫辛酸二氫硫辛酸丙酮酸脫羧酶二氫硫辛酸脫氫酶丙酮酸乙酰CoA

E1E3E2E2～1/13/20248形成酶復(fù)合體有什么好處呢？CO2CH3OCOOCTPPCH3CHOHTPPS(CH2)4COSOCH3CS(CH2)4COSHSH(CH2)4COSHFADH2FADNADNADH+H++SCoACH3CSCoAOHH乙酰二氫硫辛酸硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶硫辛酸二氫硫辛酸丙酮酸脫羧酶二氫硫辛酸脫氫酶丙酮酸乙酰CoAE1E3E2E2多肽鏈中間產(chǎn)物在氨基酸臂作用下進(jìn)入酶活性中心快速準(zhǔn)確！1/13/20249相當(dāng)于酶復(fù)合體由于第一步為不可逆反響，直接決定整個(gè)循環(huán)反響的速度，而且是許多其它反響體系的分支點(diǎn)，因而該酶復(fù)合物受到嚴(yán)密的調(diào)節(jié)控制；提問(wèn)：有哪些物質(zhì)可以調(diào)節(jié)該酶復(fù)合物的活性？答案：產(chǎn)物〔NAD(P)H、FADH2、GTP、ATP、乙酰CoA〕抑制該酶復(fù)合物的活性反響物〔NAD+、FAD、GDP、ADP、丙酮酸〕激活該酶復(fù)合物的活性Ca2+、胰島素激活1/13/202410〔二〕TCA概貌〔98頁(yè)〕乙酰CoA與草酰乙酸結(jié)合進(jìn)入循環(huán),經(jīng)一系列反響再回到草酰乙酸的過(guò)程。在此過(guò)程中乙酰CoA被氧化成H2O和CO2并產(chǎn)生大量的能量。1/13/2024111/13/202412線粒體膜第三個(gè)碳以CO2形式失去四碳二羧酸第二個(gè)碳以CO2形式失去五碳二羧酸每個(gè)分子具有4個(gè)碳的草酰乙酸庫(kù)（基質(zhì)）丙酮酸每個(gè)分子具有3個(gè)碳的丙酮酸庫(kù)〔基質(zhì)〕六碳三羧酸三種羧酸！草酰乙酸大循環(huán)！第一個(gè)碳以CO2形式失去重新加入到草酰乙酸庫(kù)三羧酸？

循環(huán)？1/13/202413

(4)(7)(8)(10)CH3COCOOHNAD+NADH

+

H+CoASHCO2CH3CO~SCoAOCCOOHCH2COOHCH2COOHC(OH)COOHCH2COOHCH2COOHCHCOOHCH(OH)COOHNAD(P)NAD(P)H+HCH2COOHCHCOOHCOCOOHCH2COOHCH2COCOOHNADH+HNADNADH

+

H++CO~SCoACH2CH2COOHGDP+PiGTPCoASHH2OCH2COOHCH2COOHFADH2FADCHCOOHCHCOOHHOCCOOHCH2COOHH+NAD+CO2++CoASHH2OCoASHCO2丙酮酸乙酰CoA(2)(1)(7)(8)(9)(10)(5)(6)(3)(4)檸檬酸異檸檬酸草酰琥珀酸α-酮戊二酸琥珀酰CoA琥珀酸延胡索酸L-蘋(píng)果酸草酰乙酸HO2(1)丙酮酸脫氫酶復(fù)合體(2)檸檬酸合成酶(3)順烏頭酸酶(4)(5)異檸檬酸脫氫酶(6)α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體(7)琥珀酰CoA合成酶(8)琥珀酸脫氫酶(9)延胡索酸酶(10)L-蘋(píng)果酸脫氫酶三羧酸循環(huán)產(chǎn)能步驟2NAD(P)H1FADH21GTP(1)(6)-產(chǎn)能脫碳2NADH+2CO2(5)-脫碳-1CO2→3步不可逆反響1/13/202414乙酰草酰成檸檬，檸檬又成α-酮

琥酰琥酸延胡索，蘋(píng)果落在草叢中1/13/202415〔三〕檸檬酸循環(huán)的化學(xué)途徑〔98頁(yè)〕1．草酰乙酸→α-酮戊二酸

1/13/2024161)乙酰CoA+草酰乙酸→檸檬酸反響能量:乙酰CoA的高能硫酯鍵提供——反響不可逆醇醛縮合，先縮合成檸檬酰CoA，水解，C4→C61/13/202417Citratesynthase.CitrateisshowningreenandCoApink1/13/2024182〕檸檬酸異構(gòu)化成異檸檬酸Iron-sulfur(red),cysteines(yellow)andisocitreate(white)1/13/2024193〕異檸檬酸氧化脫羧放出1分子CO2，C6→C5；產(chǎn)生1分子NADH1/13/202420NAD+(gold);Ca2+(red))1/13/2024212．α-酮戊二酸→琥珀酰CoA

α-酮戊二酸脫氫酶系：3種酶輔助因子：NAD+、CoA、TPP、硫辛酰胺、FAD和Mg2+等1/13/202422Decarboxylatedfirst,thenoxidized;thecarbonreleasedasCO2isnotfromtheacetylgroupjoined;The

a-ketoglutaratedehydrogenasecomplex

closelyresemblesthe

pyruvatedehyrogenasecomplex

instructureandfunction(thetwoE1sandtwoE2saresimilar,thetwoE3sareidentical).1/13/202423又放出1分子CO2，C5→C4；又產(chǎn)生1分子NADH；形成1個(gè)高能硫酯鍵1/13/2024243、琥珀酰-CoA→琥珀酸琥珀酰CoA合成酶合成1分子高能磷酸化合物GTPMalonate(丙二酸)isastrongcompetitiveinhibitor1/13/2024254、琥珀酸→草酰乙酸1〕琥珀酸氧化→延胡索酸C4的變化；產(chǎn)生1分子FADH2、1分子NADH三步反響——脫氫、加水、脫氫脫氫1/13/2024262〕延胡索酸→蘋(píng)果酸加水1/13/2024273〕蘋(píng)果酸→草酰乙酸〔再生〕脫氫Oxaloacetateisregenerated!1/13/202428Theactivesiteofmalatedehydrogenase.Malateisshowninred;NAD+blue.1/13/202429TCA總反響1/13/202430草酰乙酸PCH2CO～SoA(乙酰輔酶A)蘋(píng)果酸琥珀酸琥珀酰CoAα-酮戊二酸異檸檬酸檸檬酸CO22HCO22HGTP延胡索酸三羧酸循環(huán)總圖2H2H1/13/202431丙酮酸→乙酰CoA，脫出兩個(gè)H脫氫：脫氫酶NAD、NADP、FAD、TPP、硫辛酸各輔酶起重要作用。脫水〔2〕加水〔1、3、9〕脫羧〔5、6〕脫氫〔4、6、8、10〕1/13/202432丙酮酸+CoA-SH+NAD+→乙酰CoA+NADH+H++CO2乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O

→2CO2+CoA-SH+3NADH+3H++FADH2+GTP總反響式凈反響：1/13/202433

+4NAD(P)+

+FAD+GDP+Pi+3H2O

3CO2+4NAD(P)H+4H+FADH2+GTP4NAD(P)H+4H+10ATP4H2OFADH21.5ATP1H2OADPATP-3H2OGTPGDP1ATP1H2O

12.5ATP3H2O氧化磷酸化作用O2總反響方程式1/13/202434〔四〕特點(diǎn)：〔1〕TCA循環(huán)一次消耗一個(gè)乙酰基。即兩個(gè)碳原子進(jìn)入循環(huán)。又有兩個(gè)碳原子以CO2的形式離開(kāi)循環(huán)。但這兩個(gè)碳原子并不是剛剛進(jìn)入循環(huán)的那兩個(gè)碳原子〔代謝更新〕。〔2〕四次氧化脫氫〔三次NAD+為受氫體，一次FAD為受氫體〕、一次底物水平磷酸化反響以GTP形式產(chǎn)生一個(gè)高能鍵、二次脫羧反響。糖的有氧氧化過(guò)程中能量和CO2主要在TCA循環(huán)中產(chǎn)生。〔3〕TCA循環(huán)所產(chǎn)生的3個(gè)NADH和一個(gè)FADH2分子只能通過(guò)電子傳遞鏈和氧分子〔氧化磷酸化〕才能夠再被氧化，釋放的能量ATP形式產(chǎn)生。

TCA在線粒體中進(jìn)行，整個(gè)循環(huán)不可逆。一次循環(huán)、二次脫羧、三次加水、四次脫氫1/13/2024351、氧化供能能量計(jì)算：每次循環(huán)：3×2.5+1×1.5+1=10分子ATP丙酮酸開(kāi)始：10+2.5=12.5分子ATP葡萄糖開(kāi)始：2+2.5×2+12.5×2=32分子ATP

而糖的無(wú)氧酵解僅產(chǎn)生2分子ATP2、三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解代謝的最終共同途徑糖代謝的重要途徑也是甘油、脂肪酸和氨基酸氧化分解的必經(jīng)途徑3、糖、脂肪和氨基酸代謝聯(lián)系的樞紐四、糖的有氧氧化及TCA循環(huán)的意義〔107頁(yè)〕1/13/202436糖酵解+TCA的效率糖酵解1G→2ATP+2NADH+2H++2丙酮酸

=2+2×2.5=7ATP三羧酸循環(huán)：2丙酮酸→25ATP+6CO2+4H2O———————————————————————32ATP儲(chǔ)能效率=32×7.3/686=34%比世界上任何一部熱機(jī)的效率都高！提問(wèn)：其余能量何處去？答案：以熱量形式。一局部維持體溫，一局部散失1/13/202437〔一〕TCA是各種好氧生物體內(nèi)最主要的產(chǎn)能途徑！也是脂類(lèi)、蛋白質(zhì)徹底分解的共同途徑！三羧酸循環(huán)—焚燒爐〔二〕中間酸是合成其他化合物的碳骨架—百寶庫(kù)。例如草酰乙酸→天冬氨酸、天冬酰胺等等α-酮戊二酸→谷氨酸→其他氨基酸琥珀酰CoA→血紅素既是“燃燒爐又是百寶庫(kù)〞生物意義1/13/202438五、TCA循環(huán)中碳骨架的不對(duì)稱(chēng)反響用同位素標(biāo)記乙酰COA碳原子，發(fā)現(xiàn)乙酰COA從碳骨架的一端摻入，而從另一端發(fā)生脫羧反響，說(shuō)明反響不對(duì)稱(chēng)六、TCA循環(huán)的雙重作用和回補(bǔ)反響TCA循環(huán)不僅是產(chǎn)生ATP的途徑，中間物也是生物合成的前體，分解代謝和合成代謝雙重性〔兩用性，110頁(yè)〕。這些中間物必需不斷補(bǔ)充才能保證TCA的正常進(jìn)行。對(duì)檸檬酸循環(huán)中間產(chǎn)物有補(bǔ)充作用的反響稱(chēng)為回補(bǔ)反響。1/13/2024391分子葡萄糖轉(zhuǎn)化為2分子乳酸凈生成

2

分子ATP糖酵解過(guò)程中有3個(gè)不可逆的酶促反響，催化這3步反響的酶分別是葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶。丙酮酸復(fù)原為乳酸，反響中的NADH來(lái)自于3-磷酸甘油醛的氧化延胡索酸在延胡索酸酶作用下可生成蘋(píng)果酸，該酶屬于EC分類(lèi)中的氧化復(fù)原酶類(lèi)1/13/202440糖酵解在細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，該途徑是將葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，同時(shí)生成ATP和NADH的一系列酶促反響1/13/20