三羧酸循环(TCA)

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一、丙酮酸的氧化脱羧
丙酮酸脱氢酶系是一个多酶复合体,组 成如下: 调控酶:丙酮酸脱氢酶PDH、二氢硫辛酸转 乙酰基酶DLT、二氢硫辛酸脱氢酶DLDH 辅助因子:硫胺素焦磷酸酯TPP、硫辛酸、 HS—CoA、NAD+、Mg2+、FAD。
丙酮酸氧化脱羧的调控:
1、当细胞内ATP、乙酰CoA、NADH含量同时 增加时, PDH 磷酸化作用加强,阻碍丙酮酸 氧化脱羧。反之则反。 2、乙酰CoA和NADH可分别抑制DLT和DLDH的 活性,阻止氧化脱羧。 丙酮酸的氧化脱羧是连接EMP和TCA 的纽带,其反应本身并未进入TCA,但是是 所有糖进入TCA的必由之路。
七、三羧酸循环的回补效应
产生草酰乙酸的途径主要有:
1、丙酮酸羧化酶催化丙酮酸羧化生成草酰乙酸
位于动物肝脏和肾脏的线粒体中
OCCOOH CH3COCOOH+CO2+ATP+H2O CH2COOH +ADP+Pi
Mg2+,生物素
2、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化PEP生成草酰乙酸
植物、细菌等,PEP羧化酶催化
HMP的两个关键酶
转醛酶或转二 羟丙酮基酶 转酮酶或转 羟乙醛基酶
3—P—G (3—P 甘油醛)+ 7 — P—S(7—P— 景天庚酮糖)
将5—P—Xu的乙酮醇基转移给5—P—R。
6 、 5 — P—R+5—P—Xu
7 、 3 — P—G+7—P—S (4—P赤藓糖)+6—P—F
4—P—E
将7—P—S-的二羟丙酮基转移给3—P—G。
CH2CCOOH + H2O+ CO2O=CCOOH +Pi | O~P CH2COOH
3、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化PEP生成草酰乙酸
心脏、骨骼肌中,PEP羧激酶催化 PEP+CO2+GDPO=CCOOH +GTP
CH2COOH
4、由苹果酸酶、苹果酸脱氢酶催化使
丙酮酸生成草酰乙酸
5、5—P 核酮糖(5—P—Ru)异构化为
5—P木酮糖(5—P—Xu)
差向异构
4——5步
6-----8步,基团移位反应 通过转酮酶和转醛酶的催化作用,将一酮糖分 子的酮醇基转移给另一醛糖分子上,形成新的醛糖 和酮糖。 转酮酶专门催化乙酮醇基转移
转醛酶专门催化二羟丙酮基转移
通过C5、C4、C7、C3、C6只见的基团转移反 应,实现了糖分子之间的转变,最终生成6—P—F
由于氧化磷酸化, 1mol(NADH+H+)可生成 3molATP, 1 molFADH2可生成2molATP。
因此:第一阶段:净生成8molATP
第二阶段:净生成6molATP,2 molCO2
第三阶段:净生成24molATP,4 molCO2
共净生成38molATP,6molCO2 真核生物中,共净生成36molATP,6molCO2
转酮酶
2
+2
3-磷酸甘油醛 6-磷酸果糖
然后: 3—P—G 3—P—G+DHAP 2—磷酸果糖酯酶 1,6—FDP 6—P—F DHAP 1,6—FDP 磷酸己糖异构酶
H 2O 6—P—G
Pi
磷酸戊糖途径的非氧化阶段之三
(3-磷酸甘油醛异构、缩合与水解)
2
3-磷酸甘油醛
H2O
Pi
异 构 酶
醛缩酶
第五节 磷酸戊糖途径(HMP PPP)
磷酸戊糖途径的概念:是G分解的另一条途径: 在6—P—G上直接氧化,再分解产生5—P—核糖。
磷酸戊糖途径PPP:Pentose Phosphate Pathway 己糖磷酸途径HMP:Hexose Monophosphate Pathway 磷酸己糖支路HMS:Hexose Monophosphate Shunt G直接氧化途径DOPG:Direct
所以,HMP要循环一轮,必须有6个6—P—G 同时进入循环,但最终只有1个6—P—G被彻底分 解为6CO2+12(NADPH+H+)+Pi。
磷酸戊糖途径的非氧化分子重排阶
阶 段 之 一
6 5-磷酸核酮糖
Oxidation Pathway of Glucose
HMP 的阐明起始于 1931 年 Warburg 对 6 — P—G 脱氢酶的 研究,后人在此基础上加以完善。实验证明: ( 1 ) 在 组 织 中 加 入 EMP 抑 制 剂 碘 乙 酸 或 碘 乙 酰 胺 ( ICH2COOH 或 ICH2CONH2)后,它抑制 3 — P—G 脱氢酶的活 性(3—P—G 1,3—DPG),但有些微生物仍能将G CO2+H2O,说明另有途径。
(2)用同位素14C标记C1和C6 ,如果是EMP、TCA,那么生 成的14C1O2和14C6O2 分子数应相等,但实验表明14C1 更容易 氧化为CO2,说明另有途径。
说明G分解的主要途径是EMP和TCA,但并非唯一途径, HMP也是G分解的途径,只是在6—P—G上直接氧化。
细胞定位:胞液
一、磷酸戊糖途径概要
二磷酸果糖酯酶
1,6-二 磷酸果糖
6-磷酸果糖
总反应式为: A式:6 6—P—G+12NADP++6H2O 6CO2+12(NADPH+H+) 然后:2 3—P—G 6—P—F 4 6—P—F+2 3—P—G+
1,6—DPG+H2O 6—P—G
6—P—F+Pi
因此得到B式 :
6—P—G+12NADP++7H2O 6CO2+12(NADPH+H+)+Pi
磷酸戊糖途径的 非氧化阶段之二
2
+2
5-磷酸木酮糖 5-磷酸核糖
(基团转移)
转酮酶
H
2
3-磷酸甘油醛
+2
7-磷酸景天庚酮糖
转醛酶
2
+2
4-磷酸赤藓糖 6-磷酸果糖
6——7步
8、5—P—Xu+4—P—E
3—P—G
+6—P—F
将5—P—Xu的乙酮醇基转移给4—P—E。
基团转移(续前)
2
+2
4-磷酸赤藓糖 5-磷酸木酮糖
4—5、异柠檬酸氧化脱羧生成α —酮戊二酸
第一次脱氢脱羧
可逆
消耗1NAD+,生成1NADH+H+,1CO2
该酶是别构酶,激活剂是 ADP,抑 制剂是NADH、ATP。 有两种同工酶:
以NAD+为电子受体,存在于线粒体 中,需Mg2+。 以NADP+为电子受体,存在于胞 液中,需Mn2+。
6、α —酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA
以6—P—G为起始物,经过两个阶段共8 步反应,最后重新生成6—P—G的过程。
HMP概要
特点: G 直接脱氢或脱羧,不经过三 碳糖阶段。 HMP属于有氧分解还是无氧分解?
O2不参加HMP,但认为HMP是需 氧的代谢途径,因为可以肯定的是: HMP是需氧生物的某些组织、器官中较 旺盛的代谢途径,而且与EMP、TCA相 联系。
第四节
三羧酸循环(TCA)
三羧酸循环的概念: 1937 年德国生物学家 Krebs (克雷布斯, 1953年因此获诺贝尔奖)阐明:乙酰CoA的继续 分解是一个环式反应体系,起点是乙酰CoA与草 酰乙酸结合为具有三个羧基的柠檬酸,故称为三 羧酸循环(tricarboxylic acid),又叫TCA循环, Krebs 循环,由于该循环的第一个产物是柠檬酸, 又叫柠檬酸循环。 它不仅是糖代谢的主要途径,也是蛋白质、 脂肪分解代谢的最终途径。 三羧酸循环的细胞定位:线粒体内
二、三羧酸循环概要
TCA循环一轮分10步完成。来自丙酮酸 脱氢脱羧后的乙酰基(C2单位)由CoA带着 进入TCA,第一步是C2与一个C4化合物(草 酰乙酸)结合成C6化合物(柠檬酸),然后 经过2次脱羧(生成2个CO2)和4次脱氢(生 成3NADH+1FADH2),还产生1个GTP(高 能化合物),最终回到C4化合物(草酰乙 酸),结束一轮循环。
第四次脱氢 可逆
消耗1NAD+,生成1NADH+H+
总反应式:
乙酰CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O
2CO2+3NADH+3H++FADH2+GTP
+HS—CoA
四、化学量计算
(一)物质量计算 1mol乙酰CoA (二)能量计算 1、计算1mol乙酰CoA彻底氧化分解产生的ATP的数目 1+3×3+1×2=12molATP 2 molCO2+1molCoA
低:大量的 NADH 抑制酶的活性,使 TCA 循环 减速。
2、ATP,琥珀酰CoA抑制柠檬酸合成酶、α —酮戊 二酸脱氢酶的活性,使TCA循环减速。 异柠檬脱氢酶受ATP抑制,被ADP激活。 3、丙酮酸脱氢酶系的调节见前
细胞中 ATP 浓度越高时, TCA 速度下降;
NAD+/NADH的比值越高时,TCA速 度越快。
EMP:高能磷酸基团直接转移给ADP放能 TCA:琥珀酰CoA中的高能键 键水解放能 硫酯
8、琥珀酸氧化生成延胡索酸
第三次脱氢(FAD脱氢) 可逆
生成1FADH2
该酶结合在线粒体内膜上,丙二 酸是竞争性抑制剂
9、延胡索酸水化生成苹果酸
水化作用 可逆 消耗1H2O
10、苹果酸脱氢氧化生成草酰乙酸
2、计算 1molG 彻底氧化分解产生的 ATP 的数目(原核生物)
G
EMP
丙酮酸
乙酰CoA
TCA
CO2+ H2O
第一阶段:G
2mol丙酮酸 EMP阶段
净生成2molATP,2mol(NADH+H+) 第二阶段:2mol丙酮酸 2mol乙酰CoA
净生成2mol(NADH+H+),2 molCO2 第三阶段:2mol乙酰CoA经TCA彻底氧化分解 净 生 成 2 × 1 ATP,2×3mol(NADH+H+),2×1 molFADH2,2×2 molCO2
原核、真核中广泛存在的苹果酸酶催化
CH3COCOOH+CO2+NADPH+H+
HO—CHCOOH CH2COOH
+NADP+
再由苹果酸脱氢酶催化:
HO—CHCOOH +NAD+ O=CCOOH
CH2COOH
+ NADH+H+ CH2COOH
5、α —酮戊二酸和Asp 经转氨作用
生成Glu和草酰乙酸
TCA 的运转必须通过 O2 条件下才能运转, 实际上O2并不直接参加TCA,那么O2在何处参 加反应呢?
TCA除了产生1个GTP外,另外的能量 均潜在3NADH和1FADH2中,为了TCA的运 转,NAD+和FAD必须再生。NAD+和FAD 的再生则是通过DADH和FADH2进入电子传 递链,将H交给O2,释放潜能生成ATP而实 现。所以,TCA的运转必须有O2。
4、TCA的某些中间产物还是体内积累成分,如柠檬酸、 苹果酸是柑桔、苹果等果实的重要成分,在储藏期,酸作 为呼吸基质被消耗。果实的糖/酸比是衡量果实品质的一 项指标。
六、三羧酸循环的调控
三个调控位点:柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱 氢酶、α —酮戊二酸脱氢酶所催化的三个反应。 1、NAD+/NADH的比值 高: TCA 循环生成的产物不能满足细胞自身 的需要,三种酶被激活,酶发挥催化功能,速度 加快。
第二次脱氢脱羧
不可逆
消耗1NAD+,生成1NADH+H+,1CO2
生成一个高能键“ ~ ”,此步 类似于丙酮酸的氧化脱羧。 α —酮戊二酸脱氢酶系包括:
α —酮戊二酸脱氢酶 二氢硫辛酸转琥珀酰基酶 二氢硫辛酸脱氢酶
7、琥珀酸的生成
底物磷酸化 生成1ATP 可逆
是 TCA 中唯一直接产生 ATP 的反应,属 于底物磷酸化。 区别:
1个C2单位被分解为2CO2。
TCA 简 图
三、生化历程
1、乙酰CoA与草酰乙酸及H2O缩合生 成柠檬酸,放出HS—CoA。 —H2O 不可逆
2、柠檬酸脱水生成顺乌头酸
+H2O 可逆
3、顺乌头酸与H2O加成,生成异柠檬酸
异构化反应
—H2O
Biblioteka Baidu可逆
通过2——3步,将柠檬酸异构化为 异柠檬酸。实质是将前者的—OH从C2 变到了后者的C3,成为仲醇(由叔醇变 为仲醇),更易氧化。
二、生化历程
(一)不可逆的氧化阶段(1-----3)
1、6—P—G
6—P葡萄糖酸内酯
可逆
2、6—P葡萄糖酸内酯水解生成6—P葡萄糖酸
不可逆
3、6—P葡萄糖酸脱氢脱羧
生成5—P 核酮糖(5—P—Ru) 不可逆
1——3步
(二)可逆的非氧化阶段 (4——8) 戊糖互变 4、5—P 核酮糖(5—P—Ru)异构化为 5—P核糖(5—P—R) 官能团异构
五、生物学意义
1、TCA循环是生物体获能的主要途径,远比无氧分解产 生的能量多。
2、TCA是生物体各有机物质代谢的枢纽。糖、脂肪、氨 基酸的彻底分解都需通过TCA途径,而TCA中的许多中间 产物如草酰乙酸、 α— 酮戊二酸、琥珀酰 CoA 等又是合成 糖、氨基酸等的原料。
3、TCA是发酵产物重新氧化进入有氧分解的途径。
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