生物化学糖代谢2课件-TCAcycle.ppt

1、第四节第四节 TCA循环循环n一一 丙酮酸的氧化脱羧丙酮酸的氧化脱羧n二二 羧酸循环的化学途径羧酸循环的化学途径n三三 回补反应回补反应n四四 TCA循环循环（Tricarboxylic Acid Cycle or Citric Acid Cycle or Krebs Cycle）的生理意义的生理意义n五五 三羧酸循环的调节三羧酸循环的调节一一 丙酮酸的氧化脱羧丙酮酸的氧化脱羧n丙酮酸（糖酵解产生）在有氧条件下，进入线粒丙酮酸（糖酵解产生）在有氧条件下，进入线粒体内膜。在丙酮酸脱氢酶系作用下，氧化脱羧生体内膜。在丙酮酸脱氢酶系作用下，氧化脱羧生成乙酰成乙酰CoA。n方程式如下：方程式如下：丙酮

2、酸丙酮酸 乙酰乙酰CoA丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系1 丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体连接糖酵解与连接糖酵解与TCA循环的桥梁循环的桥梁1 丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系多多酶复合体（酶复合体（3酶酶5辅助因子）辅助因子）（1）酶：）酶：丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶E1，二硫辛酰乙酰基转移二硫辛酰乙酰基转移酶酶E2，二硫辛酰脱氢酶二硫辛酰脱氢酶E3（2）辅助因子：）辅助因子：TPP，CoASH，FAD，NAD，氧，氧化型化型6，8二硫辛酸二硫辛酸电子显微镜下的丙酮酸脱氢酶系电子显微镜下的丙酮酸脱氢酶系2 化学历程化学历程3 丙酮酸脱氢酶系的调控丙酮酸脱氢酶系的调控（1）别构调控）别构调控 产物

3、产物NADH和乙酰和乙酰CoA与底物与底物NAD、CoA竞争竞争性抑制该酶系的活性部位。性抑制该酶系的活性部位。（2）共价修饰调节）共价修饰调节 丙酮酸脱氢酶的磷酸化（激酶）和去磷酸化丙酮酸脱氢酶的磷酸化（激酶）和去磷酸化（磷酸酶）是使丙酮酸脱氢酶系失活和激活的重（磷酸酶）是使丙酮酸脱氢酶系失活和激活的重要方式。要方式。活性活性无活性无活性二二 三羧酸循环的化学途径三羧酸循环的化学途径n 三羧酸循环首先从乙酰三羧酸循环首先从乙酰CoA与草酰乙酸与草酰乙酸缩合成缩合成柠檬酸柠檬酸开始，经多步反应回到草酰开始，经多步反应回到草酰乙酸，消耗乙酰乙酸，消耗乙酰CoA产生产生CO2、NADH、FADH2

4、和和ATP。此循环定义在。此循环定义在线粒体内膜线粒体内膜上，全部酶也在此内膜上，分上，全部酶也在此内膜上，分8步反应。步反应。三羧酸循环的途径三羧酸循环的途径柠檬柠檬酸酸异柠檬酸异柠檬酸-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酰琥珀酰CoA琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸乙酰乙酰CoA（一）（一）TCA循环的具体过程循环的具体过程n步骤步骤1 草酰乙酸草酰乙酸+乙酰乙酰CoA合成柠檬酸合成柠檬酸1 强放热反应，不可逆，强放热反应，不可逆，第一个限速步骤第一个限速步骤2 催化的酶为催化的酶为柠檬酸（缩）合酶柠檬酸（缩）合酶3 柠檬酸属于调控酶，活性受柠檬酸属于调控酶，活性受ATP、NAD

5、H、琥、琥珀酰珀酰CoA、酯酰、酯酰CoA等抑制，是等抑制，是柠檬酸循环中的柠檬酸循环中的限速酶限速酶乙酰乙酰CoA草酰乙酸草酰乙酸柠檬柠檬酸酸柠檬酸合酶柠檬酸合酶n步骤步骤2 柠檬酸异构化形成异柠檬酸柠檬酸异构化形成异柠檬酸1 该反应可逆，中间物为顺乌头酸该反应可逆，中间物为顺乌头酸2 催化的酶为催化的酶为顺乌头酸酶顺乌头酸酶3 氟乙酸可取代柠檬酸与顺乌头酸酶结合，抑制该步反应氟乙酸可取代柠檬酸与顺乌头酸酶结合，抑制该步反应柠檬柠檬酸酸顺乌头酸顺乌头酸异柠檬酸异柠檬酸顺乌头酸酶顺乌头酸酶顺乌头酸酶顺乌头酸酶n步骤步骤3 异柠檬酸氧化生成异柠檬酸氧化生成-酮戊二酸酮戊二酸1 放热反应，放热反应

6、，第二个限速步骤第二个限速步骤2 氧化还原反应之一，受氢体为氧化还原反应之一，受氢体为NAD或或NADP3 催化的酶为催化的酶为异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶4 异柠檬酸脱氢酶是一种异柠檬酸脱氢酶是一种变构调节酶变构调节酶。活性受。活性受ADP、NAD+激活，受激活，受ATP、NADH抑制抑制-酮戊二酸酮戊二酸异柠檬酸异柠檬酸 异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶步骤步骤3 异柠檬酸氧化生成异柠檬酸氧化生成-酮戊二酸酮戊二酸5 异柠檬酸包括两种，异柠檬酸包括两种，NAD为辅酶和为辅酶和NADP为辅酶。前者为辅酶。前者存在于线粒体中，后者存在于线粒体中，也存在于细胞溶存在于线粒体中，后者存在于线粒体中，也

7、存在于细胞溶胶中。胶中。6 细菌中的细菌中的异柠檬酸脱氢酶受磷酸化异柠檬酸脱氢酶受磷酸化的控制。在酶活性部的控制。在酶活性部位的位的Ser若被磷酸化，直接抑制了酶与异柠檬酸底物的结若被磷酸化，直接抑制了酶与异柠檬酸底物的结合。异柠檬酸脱氢酶激酶使之磷酸化，而异柠檬酸脱氢酶合。异柠檬酸脱氢酶激酶使之磷酸化，而异柠檬酸脱氢酶磷酸酶使之脱磷酸化。磷酸酶使之脱磷酸化。7 实际上在许多实际上在许多植物和有些细菌体植物和有些细菌体内，异柠檬酸的转变有内，异柠檬酸的转变有两条途径两条途径。当需要能量时，进行氧化形成。当需要能量时，进行氧化形成-酮戊二酸；酮戊二酸；当当能量储备充足时，能量储备充足时，异柠檬酸

8、裂解为琥珀酸和乙醛酸异柠檬酸裂解为琥珀酸和乙醛酸，此时，此时的酶称为的酶称为异柠檬酸裂解酶异柠檬酸裂解酶。n步骤步骤4 -酮戊二酸生成琥珀酰酮戊二酸生成琥珀酰CoA1 氧化还原反应之二，受氢体为氧化还原反应之二，受氢体为NAD2 催化的酶为催化的酶为-酮戊二酸脱氢酶系，酮戊二酸脱氢酶系，此酶系与丙酮酸脱氢此酶系与丙酮酸脱氢酶系非常类似，酶系非常类似，受能荷控制，但无共价修饰调节受能荷控制，但无共价修饰调节3 第三个调控步骤，第三个调控步骤，产生能量用于推动反应向氧化方向进产生能量用于推动反应向氧化方向进行，大部分能量保存于高能硫酯键行，大部分能量保存于高能硫酯键-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酰琥珀酰C

9、oA-酮戊二酸脱氢酶系酮戊二酸脱氢酶系n步骤步骤5 琥珀酰琥珀酰CoA转化成琥珀酸产生一个高能磷转化成琥珀酸产生一个高能磷酸键酸键1 琥珀酰琥珀酰CoA的高能硫酯键断裂与的高能硫酯键断裂与GDP的磷酸化的磷酸化偶联，在偶联，在哺乳动物中生成哺乳动物中生成GTP，在植物和微生物，在植物和微生物中生成中生成ATP，是，是TCA循环中唯一的循环中唯一的底物磷酸化底物磷酸化2 催化的酶为催化的酶为琥珀酰合成酶。琥珀酰合成酶。琥珀酰琥珀酰CoA琥珀酸琥珀酸琥珀酰合成酶琥珀酰合成酶H2On步骤步骤6 琥珀酸生成延胡索酸琥珀酸生成延胡索酸1 氧化还原反应之三，可逆，受氢体为氧化还原反应之三，可逆，受氢体为F

10、AD2 催化的酶为催化的酶为琥珀酸脱氢酶，琥珀酸脱氢酶，琥珀酸脱氢酶是琥珀酸脱氢酶是TCA循环中唯一嵌入线粒体内膜的酶循环中唯一嵌入线粒体内膜的酶琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶n步骤步骤7 延胡索酸水合形成延胡索酸水合形成L-苹果酸苹果酸1 催化的酶是延胡索酸酶催化的酶是延胡索酸酶2 延胡索酸具有延胡索酸具有严格的立体专一性严格的立体专一性延胡索酸延胡索酸L-苹果酸苹果酸延胡索酸酶延胡索酸酶n步骤步骤8 L-苹果酸重新生成草酰乙酸苹果酸重新生成草酰乙酸1 催化的酶是催化的酶是苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶2 氧化还原反应之四，受氢体为氧化还原反应之四，受氢体为NAD3 尽管该反

11、应从自由能看应逆向进行，但由于乙酰尽管该反应从自由能看应逆向进行，但由于乙酰CoA和和草酰乙酸是强放热反应，因此反应向草酰乙酸方向进行草酰乙酸是强放热反应，因此反应向草酰乙酸方向进行L-苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶三羧酸循环的途径三羧酸循环的途径柠檬柠檬酸酸异柠檬酸异柠檬酸-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酰琥珀酰CoA琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸乙酰乙酰CoA（二）（二）TCA循环的化学计量循环的化学计量*化学计量的基础知识化学计量的基础知识n1 通过通过TCA循环产生的循环产生的NADH和和FADH2全部进入到线粒体内全部进入到线粒体内的电子传递链中

12、，将所携带的的电子传递链中，将所携带的H传递给传递给O2，而本身重新生成，而本身重新生成NAD和和FADn2 每分子每分子NADH+H通过电子传递链产生通过电子传递链产生2.5个个ATP，每分子，每分子FADH2通过电子传递链产生通过电子传递链产生1.5个个ATPn3 TCA循环中包括了循环中包括了4次氧化还原反应，其中次氧化还原反应，其中1次以次以FAD作为作为氢受体，氢受体，3次以次以NAD作为受体作为受体n4 TCA循环中包括了一次底物磷酸化，产物通常为循环中包括了一次底物磷酸化，产物通常为GTPn5 计算计算G有氧氧化过程需要将糖酵解、丙酮酸脱氢、有氧氧化过程需要将糖酵解、丙酮酸脱氢、

13、TCA循循环产生的环产生的NADH+H、FADH2、ATP一并计算，其中一并计算，其中糖酵解产糖酵解产生的生的NADH和和TCA循环中的循环中的NADH产生能量不同。产生能量不同。1 ATP的计算方式的计算方式n在有氧条件下，一分子在有氧条件下，一分子G经过糖酵解和三羧经过糖酵解和三羧酸循环彻底氧化（包括底物磷酸化和氧化酸循环彻底氧化（包括底物磷酸化和氧化磷酸化），总共可以产生磷酸化），总共可以产生30或或32分子分子ATP,其中以三羧酸循环产生的其中以三羧酸循环产生的ATP最多。最多。n各阶段产生的各阶段产生的ATP的量列表如下的量列表如下 1 ATP的计算方式的计算方式一分子一分子葡萄糖葡

14、萄糖生成生成2分分子子3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛（第一（第一和第二和第二阶段）阶段）糖酵解过程糖酵解过程 一一3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛降解为降解为丙酮酸丙酮酸（第三（第三阶段）阶段）糖酵解过程糖酵解过程 二二丙酮酸脱羧形成乙酰丙酮酸脱羧形成乙酰CoA三羧酸循环的途径三羧酸循环的途径柠檬柠檬酸酸异柠檬酸异柠檬酸-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酰琥珀酰CoA琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸乙酰乙酰CoA葡萄糖有氧氧化过程中葡萄糖有氧氧化过程中ATP的合成的合成*说明说明n对于对于原核生物和真核生物原核生物和真核生物来说，来说，1分子分子G通通过糖酵解、三羧酸循环过程产生的过糖酵解、三羧

15、酸循环过程产生的ATP是是不同的，原因在于不同的，原因在于糖酵解过程中糖酵解过程中3-磷酸甘磷酸甘油醛脱氢酶脱下的油醛脱氢酶脱下的2分子分子NADH和和H，这这2分分子子NADH和和H是在胞质中是在胞质中，并非线粒体内部，并非线粒体内部的的NADH和和H ，不能通过线粒体膜进入线，不能通过线粒体膜进入线粒体，因此和粒体，因此和TCA循环产生的循环产生的NADH和和H是是不同的。不同的。*说明说明n原核生物中不存在细胞器，因此每个原核生物中不存在细胞器，因此每个NADH和和H直接进入电子传递链通过氧化磷酸化产生直接进入电子传递链通过氧化磷酸化产生2.5个个ATP；而对于真核生物来说，胞质中的；而

16、对于真核生物来说，胞质中的NADH和和H不能随意从胞质进入线粒体，其进入过程需要不能随意从胞质进入线粒体，其进入过程需要通过两个跨膜转运系统来完成通过两个跨膜转运系统来完成n1 苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭（天冬氨酸穿梭（NAD）n2 磷酸甘油穿梭（磷酸甘油穿梭（FAD）2从从G开始，有氧氧化中水分子的产生与消耗开始，有氧氧化中水分子的产生与消耗 3 从从G开始，有氧氧化过程中开始，有氧氧化过程中CO2的产生的产生 （三）三羧酸循环的特点（三）三羧酸循环的特点n1 从草酰乙酸和乙酰从草酰乙酸和乙酰CoA开始，到草酰乙酸结束。每循环开始，到草酰乙酸结束。每循环一周消耗一个乙酰一周消耗一个乙酰CoA

17、，进行，进行2次脱羧，次脱羧，4次脱氢，次脱氢，1次底次底物磷酸化物磷酸化，能量和，能量和CO2主要在三羧酸循环中产生。主要在三羧酸循环中产生。n2 三羧酸循环必须在三羧酸循环必须在有氧条件有氧条件下进行，若无氧，脱下的下进行，若无氧，脱下的H无无法进入呼吸链彻底氧化。法进入呼吸链彻底氧化。n3 TCA循环不可逆，循环不可逆，1、3、4不可逆，而且没有发现可以绕不可逆，而且没有发现可以绕过这三步反应的酶。过这三步反应的酶。n4 在在3、4、8步反应，生成步反应，生成NADH，在，在6步中生成步中生成FADH2，在第在第5步进行一次底物水平磷酸化。步进行一次底物水平磷酸化。三三 回补反应回补反应

18、n1.丙酮酸羧化支路丙酮酸羧化支路n2.乙醛酸途径乙醛酸途径n3.其他途径其他途径 当柠檬酸循环的中间物因用于其他物质合成时，当柠檬酸循环的中间物因用于其他物质合成时，尤其当蛋白质合成旺盛时，其中间物的浓度会减少，尤其当蛋白质合成旺盛时，其中间物的浓度会减少，从而导致该循环的终端产物草酰乙酸不能重复生成影从而导致该循环的终端产物草酰乙酸不能重复生成影响响TCA循环正常进行。在这种情况下，为确保循环正常进行。在这种情况下，为确保TCA循环，必须有相应补充中间物的途径，即循环，必须有相应补充中间物的途径，即回补途径回补途径1. 丙酮酸羧化支路丙酮酸羧化支路羧激酶羧激酶心脏和肌肉中心脏和肌肉中肝脏肝

19、脏2. 乙醛酸循环乙醛酸循环 The Glyoxylate CycleA variant of TCA for plants and bacteria 植物（植物（plants）、藻类（）、藻类（algae）和某些细菌）和某些细菌（bacteria）通过乙醛酸循环途径可以利用乙）通过乙醛酸循环途径可以利用乙酸作为唯一碳源和能源酸作为唯一碳源和能源 动物组织没有乙醛酸循环动物组织没有乙醛酸循环，不能将脂肪酸转，不能将脂肪酸转变为糖类变为糖类 异柠檬酸裂解酶异柠檬酸裂解酶（Isocitrate lyase）和）和苹果酸苹果酸合酶合酶（malate synthase）是乙醛酸循环特有）是乙醛酸循环特

20、有的两种酶的两种酶琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸乙醛酸乙醛酸异柠檬酸异柠檬酸柠檬酸柠檬酸草酰乙酸草酰乙酸苹果酸合酶苹果酸合酶异柠檬酸裂解酶异柠檬酸裂解酶乙醛酸循环乙醛酸循环 Glyoxylate Cycle II 异柠檬酸裂解酶（异柠檬酸裂解酶（Isocitrate lyase） 催化异柠催化异柠檬酸裂解产生乙醛酸（檬酸裂解产生乙醛酸（glyoxylate）和琥珀酸）和琥珀酸（succinate） 苹果酸合酶（苹果酸合酶（Malate synthase）催化乙醛酸和催化乙醛酸和乙酰乙酰-CoA 结合生成苹果酸结合生成苹果酸 乙醛酸循环体（乙醛酸循环体（Glyoxysomes）借用线粒

21、体借用线粒体（mitochondria）中的三步反应：）中的三步反应：succinate to oxaloacetate The glyoxylate cycle helps plants grow in the dark! 3. 其他途径其他途径n某些氨基酸通过转氨基作用生成草酰乙酸某些氨基酸通过转氨基作用生成草酰乙酸或或 -酮戊二酸等酮戊二酸等n如：天冬氨酸如：天冬氨酸-酮戊二酸（谷草转氨酶、酮戊二酸（谷草转氨酶、磷酸吡哆醛）草酰乙酸谷氨酸磷酸吡哆醛）草酰乙酸谷氨酸四四 TCA循环的生理意义循环的生理意义n1 糖类代谢、脂类代谢以及氨基酸代谢的糖类代谢、脂类代谢以及氨基酸代谢的共同途径，即

22、燃料物质氧化分解的共同途径，即燃料物质氧化分解的共同途共同途径径n2 为各种生物分子的合成为各种生物分子的合成提供原料提供原料n3 通过通过TCA循环释放出循环释放出ATP以及以及NADH+H，而而NADH+H进入电子传递链将进入电子传递链将H传递给氧，传递给氧，同时释放出大量同时释放出大量ATP的过程的过程nAmino acids 氨基酸氨基酸nFatty acids 脂肪酸脂肪酸nGlucose 葡萄糖葡萄糖nGlycolysis 糖酵解糖酵解nPyruvate 丙酮酸丙酮酸nAcety1-CoA 乙酰乙酰CoAnCitrate 柠檬酸柠檬酸nOxaloacetate 草酰乙酸草酰乙酸nR

23、espiratory 呼吸链呼吸链1 糖类代谢、脂类代谢以及氨基酸代谢的共同糖类代谢、脂类代谢以及氨基酸代谢的共同途径，即燃料物质氧化分解的共同途径途径，即燃料物质氧化分解的共同途径2 TCA循环为生物合成提供原料循环为生物合成提供原料-酮戊二酸酮戊二酸柠檬柠檬酸酸谷氨谷氨酸酸嘌呤嘌呤脂肪脂肪酸酸琥珀酰琥珀酰CoA卟啉卟啉苹果苹果酸酸草酰乙酸草酰乙酸丙酮丙酮酸酸乙酰乙酰CoA磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸葡萄葡萄糖糖天冬酰氨天冬酰氨天冬氨酸天冬氨酸嘧啶嘧啶各种氨基酸各种氨基酸TCATCA循环的净结果是：循环的净结果是：乙酰乙酰CoA(carried by CoA)被被氧化氧化生成生成2CO2

24、，同，同时合成时合成1ATP，3NADH和和1FADH2。n3 通过通过TCA循环释放出循环释放出ATP以及以及NADH+H，而，而NADH+H进入电子传递链将进入电子传递链将H传递给氧，同时释传递给氧，同时释放出大量放出大量ATP的过程的过程异柠檬酸异柠檬酸-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酰琥珀酰CoA琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸柠檬柠檬酸酸五五 三羧酸循环的调节三羧酸循环的调节Regulation of the TCA CycleAgain, 3 reactions are the key sites 1 柠檬酸合酶（柠檬酸合酶（Citrate synthase - AT

25、P, NADH and succinyl-CoA inhibit） 第一步反应不可逆，这里有一个水解高能硫酯键的第一步反应不可逆，这里有一个水解高能硫酯键的放能反应。柠檬酸合酶受底物（乙酰放能反应。柠檬酸合酶受底物（乙酰CoA，草酰乙，草酰乙酸）控制，也受酸）控制，也受NAD/NADH比例影响，同时受琥比例影响，同时受琥珀酰珀酰CoA竞争抑制。竞争抑制。五五 三羧酸循环的调节三羧酸循环的调节Regulation of the TCA CycleAgain, 3 reactions are the key sites 2 异柠檬酸脱氢酶（异柠檬酸脱氢酶（Isocitrate dehydrogen

26、ase - ATP inhibits, ADP and NAD+ activate）* 第三步在生理条件下不可逆，向第三步在生理条件下不可逆，向酮戊二酸方向进行，异酮戊二酸方向进行，异柠檬酸脱氢酶是一个变构酶，也是三羧酸循环的限速酶。柠檬酸脱氢酶是一个变构酶，也是三羧酸循环的限速酶。受受ADP、NAD激活，受激活，受ATP、NADH抑制。抑制。（1）当）当ATP含量增加，异柠檬酸酶受抑制，三羧酸循环速率含量增加，异柠檬酸酶受抑制，三羧酸循环速率下降，柠檬酸积累到一定程度，将运出线粒体，进入胞质下降，柠檬酸积累到一定程度，将运出线粒体，进入胞质抑制糖酵解中的两个关键酶抑制糖酵解中的两个关键酶磷酸

27、果糖激酶磷酸果糖激酶和和丙酮酸激酶丙酮酸激酶活性。活性。（2）柠檬酸在柠檬酸裂解酶作用下，可裂解成乙酰）柠檬酸在柠檬酸裂解酶作用下，可裂解成乙酰CoA和草和草酰乙酸，乙酰酰乙酸，乙酰CoA同时激活丙酮酸羧化酶使丙酮酸羧化进同时激活丙酮酸羧化酶使丙酮酸羧化进入糖异生，而乙酰入糖异生，而乙酰CoA又可参与脂肪酸的合成。又可参与脂肪酸的合成。五五 三羧酸循环的调节三羧酸循环的调节Regulation of the TCA CycleAgain, 3 reactions are the key sites 3 -酮戊二酸脱氢酶复合体（酮戊二酸脱氢酶复合体（-Ketoglutarate dehydrogenase - NADH and succinyl-CoA inhibit, AMP activates） Also note pyruvate dehydrogenase: ATP, NADH, acetyl-CoA inhibit, NAD+, CoA activate . 该多酶复合体受该多酶复合体受NADH、琥珀酰、琥珀酰CoA抑制，同样，抑制，同样，在高能状态下在高能状态下NAD/NADH的比率对此反应也有调的比率对此反应也有调节作用。节作用。