ch4三羧酸循环

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Lipoamide FAD
氧化脱羧反应过程经过5步反应：
丙酮酸脱氢酶复合体的作用
丙酮酸脱氢酶复合体的反应机制精巧而又复杂。 三种酶结构上的整合使得一系列复杂的反应得 以迅速协调进行。（Substrate channeling） 任何引起丙酮酸脱氢酶功能异常的因素都会导 致疾病。（4.5） 类似的复合体还包括TCA中的α-酮戊二酸脱氢 酶（α-ketoglutarate dehydrogenase），以及发 现于一些原核细胞中的分支链 α-酮酸脱氢酶 （branched-chain α-ketoacid dehydrogenase） 和3-羟基丁酮脱氢酶（acetoin dehydrogenase）。 这些复合体是分子量介于4~10 million daltons 的庞大的多亚基聚合体。具有共同进化起源。
The prochiral nature of citrate （前手性）
The prochiral nature of citrate（前手性）
③
The first oxidation step
④
The second oxidation step
⑤
?
The substrate-level phosphorylation
丙酮酸脱氢酶复合体的共价修饰—可逆磷酸化
inactive form
E1-Ser-Pi
phsphatase
—
pytuvate
kinase
+
Insulin,Ca2+
+
E1-Ser
active form
ATP/ADP,乙酰 CoA/CoA,NADH/ NAD+比值高
三羧酸循环的调节： ①三羧酸循环中三步不可逆的放能反应是其调节 位点。 ②催化这三步反应的酶受到产物反馈抑制（如柠 檬酸、琥珀酰CoA等），也受到高能荷物质抑 制（如ATP、NADH等）。 ③催化这三步反应的酶受到低能荷物质（如ADP 等）或能量需求信号（如Ca2+）激活。 ④由于三羧酸循环的中间物可作为前体用于生物 合成，因此底物的浓度对于调节也是比较重要 的。（如草酰乙酸）
both as an acyl carrier and an electron carrier
硫辛酸结构
丙酮酸脱氢酶复合体排列示意图
E2
E3
E2 (dihydrolipoyl transacetylase): consisting the core, 24 subunits; E1 (pyruvate dehydrogenase): bound to the E2 core, 24 subunits; E3 (dihydrolipoyl dehydrogenase): bound to the E2 core, 12 subunits. (a protein kinase and Protein kinase and phosphoprotein phosphatase, not shown here, are also part of the complex)
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生物氧化特点： 1.是体温条件进行的一系列酶促反应，逐步 氧化释放能量。 2.产生的能量绝大多数以化学能形式储存于 一些特殊化合物中，主要是ATP。
4.2 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA（acetyl-CoA） —联系糖酵解和三羧酸循环的中心环节
反应部位：线粒体基质（真核细胞） 丙酮酸通 过特异的运输蛋白（pyruvate carrier）进入线粒 体。 氧化脱羧反应由丙酮酸脱氢酶复合体（丙酮酸 脱氢酶系）催化。该复合体由三个酶和五个辅酶 或辅基组成，是一个庞大的多亚基聚合体。
丙酮酸脱氢酶复合体 （pyruvate dehydrogenase complex）
Enzymes E1: pyruvate dehydrogenase 丙酮酸脱氢酶 E2: dihydrolipoyl transacetylase 二氢硫辛酸乙酰转移酶 E3: dihydrolipoyl dehydrogenase 二氢硫辛酸脱氢酶
——有机物在机体内氧化分解成CO2和H2O， 并释放能量的过程。亦称细胞呼吸作用 （cellular respiration）。
生物氧化可分三个阶段： Stage1：乙酰CoA的生成。 Stage2：乙酰CoA的彻底氧化。（TCA cycle） Stage3：电子传递和氧化磷酸化。
糖、脂肪、氨基酸 生物氧化的三个阶段
Pyruvate dehydrogenase complex of mammals
Enzyme Pyruvate dehydrogenase Number of Chains 20 or 30 Prosthetic Group TPP
Dihydrolipoyl transacetylase Dihydrolipoyl dehydrogenase
红色代表别构抑制， 绿色代表别构激活。
三羧酸循环小结：
TCA不但是生物氧化的重要途径，也是提供合 成其他物质前体的重要途径。 三羧酸循环是一个环式代谢途径。经过一轮循 环，共8步反应，释放2CO2，生成3NADH、 1FADH2和1GTP（或ATP）。 The function of the citric acid cycle is the harvesting of high energy electrons from carbon fuel.
TCA cycle
4.3.2 TCA 反应过程
①
②
Fluoroacetate, which has been used as a rat poison, is a potent inhibitor of the cycle, although it dose not inhibit directly any of the enzymes of the cycle. The mechanism of inhibition is that fluoroacetate can be converted to fluorocitrate, which is a potent inhibitor of aconitase.（氟乙酸毒性机理）
Tricarboxylic acid cycle(TCA cycle) Citric acid cycle Krebs cycle
4.1 生物氧化 4.2 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA 4.3 三羧酸循环 4.4 三羧酸循环的调节 4.5 丙酮酸代谢障碍与疾病 4.6 乙醛酸循环
4.1 生物氧化
丙酮酸脱氢酶复合体的调节： ①丙酮酸脱氢酶复合体的别构抑制剂是一些反应 产物和高能荷信号分子，如ATP、乙酰CoA、 NADH、脂肪酸等；别构激活剂是一些低能荷 信号分子，如AMP、CoA、NAD+、Ca2+等。 （产物抑制和能量控制） ②共价修饰（真核细胞的主要方式） 丙酮酸脱氢酶复合体中有两个调节蛋白，一个 是磷酸激酶，另一个是磷酸酶。磷酸化位点是 E1中的Ser残基。
A model of the E. coli pyruvate dehydrognase complex showing the three kinds of enzymes and the flexible lipoamide arms covalently attached to E2
Electron micrograph of pyruvate dehydrogenase complexes from E. coli
Dissociable proton Reactive carbon atom
TPP as an acyl carrier
H
H＋＋e-
H
H＋＋e-
半醌型
FAD：electron carrier
CoA as an acyl carrier
:HH＋＋2eH＋
NAD+：electron carrier
⑦
A stereospecific enzyme
Fumarase Deficiency The condition is characterized by severe neurological impairment, encephalomyopathy, and dystonia developing soon after birth.
TCA is a source of biosynthetic precursors.
四个常见的回补反应
TCA与进化: 现代一些厌氧细菌缺乏α－酮戊 二酸脱氢酶，它们通过不完整的TCA获得生物 合成的前体。这种不完整的TCA可能是TCA早 期进化的一个阶段。
Incomplete TCA
4.4 三羧酸循环的调节(Regulation of TCA cycle)
4.3 三羧酸循环（TCA cycle） 4.3.1 概况 三羧酸循环的反应部位：真核细胞的线粒体和 原核细胞的胞浆。 三羧酸循环是一个环式代谢途径。2C的乙酰 基以乙酰CoA的形式加入循环，首先和草酰乙 酸反应，经过8步反应（其中4步是氧化反应）， 释放2CO2和能量，最后再生一个草酰乙酸。 循环中的中间代谢物没有任何净增长。
Coenzymes/prosthetic group TPP: thiamine pyrophosphate （焦磷酸硫胺素） FAD: flavin adenine dinucleotide （黄素腺嘌呤二核苷酸） CoA: coenzyme A（辅酶A） NAD+: nicotinamide adenine dinucleotide （尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸） Lipoate（硫辛酸）
虽然氧气不直接参与TCA，但TCA只有在氧存 在的条件下才能进行！
三羧酸循环小结：
TCA的中间代谢物没有净增长。草酰乙酸起类 似催化剂的作用。 三羧酸循环的调节取决于细胞对能量的需求以 及对某些生物合成底物的需求。
?
cytosol mt
4.3.4 三羧酸循环对生物合成前体的供应及其 回补反应 (Anaplerotic reactions )
TCA的中间代谢物可作为合成葡萄糖、氨基 酸、核苷酸、脂肪酸、胆固醇、胆红素等物质 的前体。
当TCA中间代谢物被移走后，就要通过回补 反应来合成补充，才能维持TCA的正常进行。
⑧
The fourth oxidation step
4.3.3 能量计算 通过氧化磷酸化，1分子NADH产生2.5ATP， 1分子FADH2产生1.5ATP。（见第5章） 1分子葡萄糖彻底氧化产生30~32ATP。 标准条件下，整个过程能量转化效率可达 34％（实际可接近65％）。
Energy in citric acid cycle
琥 珀 酸
草 酰 乙 酸
⑥
The third oxidation step
Malonate as an strong inhibitor
Malonate（丙二酸）is an strong inhibitor of succinate dehydrogenase.
Succinate dehydrogenase, the only enzyme in TCA cycle bound to the inner membrane of mitochondria, is directly associated with the electron-transport chain, the link between the TCA and ATP formation.（琥珀酸脱氢酶 是TCA中唯一在线粒体内膜中的酶，直接与 呼吸链相连。）
Chapter 4 Tricarboxylic acid cycle
三羧酸循环 （糖代谢Ⅱ）
三羧酸循环不仅是糖、脂肪、氨基酸等 化合物生物氧化的共同通路，同时也为各种 生物合成提供前体，成为各代谢途径连接的 枢纽。 TCA cycle is the hub of intermediary metabolism serving both the catabolic and anabolic process, thus it is an amphibolic pathway.