《柠檬酸循环》PPT课件

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1、LW-1柠檬酸循环柠檬酸循环Citric Acid Cycle (TCA) 乙酰乙酰-CoA的生成的生成 柠檬酸循环反应柠檬酸循环反应 柠檬酸循环的调节柠檬酸循环的调节 乙醛酸循环乙醛酸循环- 有氧代谢的枢纽有氧代谢的枢纽 - 分解、合成两用途径分解、合成两用途径 线粒体基质中发生的、将乙酰线粒体基质中发生的、将乙酰-CoA的的2C最终氧化生成最终氧化生成CO2的一系列反应的一系列反应NP in Phys/Med 1953 for his discovery of the citric acid cycle 116-1 细胞呼吸的三个主要阶段细胞呼吸的三个主要阶段乙酰乙酰-CoA生成生成 -

2、胞胞液液/线粒体线粒体乙酰乙酰-CoA氧化氧化(柠檬酸循环柠檬酸循环) - 线粒体基质线粒体基质(真核类真核类) - 胞液胞液(原核类原核类)电子传递电子传递 & 氧化磷酸化氧化磷酸化 - 线线粒体内膜粒体内膜(真核类真核类) - 质质膜膜(原核类原核类)2 酵解产生的丙酮酸首先要酵解产生的丙酮酸首先要被转运进线粒体内，然后被转运进线粒体内，然后才能被其脱氢酶系氧化脱才能被其脱氢酶系氧化脱羧而转换成羧而转换成乙酰乙酰-CoA(but not for those produced by FA or AA) qh9-3a 真核生物的柠檬酸循环真核生物的柠檬酸循环 酶系分布在线粒体基质酶系分布在线粒

3、体基质316-21. 乙酰乙酰-CoA的生成的生成总总反应反应 = 丙酮酸在线粒体内的丙酮酸在线粒体内的 不可逆氧化脱羧不可逆氧化脱羧丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体(PDH)416-4- 硫辛酰基硫辛酰基的氧化态的氧化态-还原态还原态 互变可用作互变可用作H或酰基载体或酰基载体- 砷酸盐砷酸盐有毒：与之共价结合有毒：与之共价结合 而阻断还原态而阻断还原态-氧化态互变氧化态互变 丙丙酮酸脱氢酶复合体酮酸脱氢酶复合体 (PDH = 3 enzymes + 5 cofactors) E1: 丙丙酮酸脱氢酶酮酸脱氢酶 硫硫胺素焦磷酸胺素焦磷酸(TPP) E2: 二二氢硫辛酰转乙酰基酶氢硫辛酰转乙

4、酰基酶 硫硫辛酸辛酸, 辅辅酶酶A (CoA) E3: 二二氢硫辛酰脱氢酶氢硫辛酰脱氢酶 FAD, NAD+硫辛酸与硫辛酸与E2-Lys共价结合共价结合5 硫胺素焦磷酸是维生素硫胺素焦磷酸是维生素B1衍生物衍生物乙酰乳酸乙酰乳酸丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛 -裂解裂解 -缩合缩合噻唑环噻唑环嘧啶环嘧啶环易失去而形成高反易失去而形成高反应活性的负碳离子应活性的负碳离子(cf. Fig. 10-9)复习复习6巯基乙胺巯基乙胺(酰化酰化/去酰化部位去酰化部位) 泛酸泛酸 (B3)3-P-ADP酯酯 CoA是泛酸衍生物是泛酸衍生物 CoA酰化形成的硫酯键为酰化形成的硫酯键为高能键高能键，在亲核攻击下要，在亲核

5、攻击下要比氧酯更容易将酰基转移比氧酯更容易将酰基转移磷磷酸酸泛泛酰酰巯巯基基乙乙胺胺通常用作通常用作酰基载体酰基载体参与反应参与反应(活化酰基活化酰基)(pantos = everywhere)* Deficiencies are only for severe malnutrition(cf. Fig. 11-4)复习复习716-5 PDH结构结构 (牛肾细胞牛肾细胞)60 E2 = 20 trimers- 各酶拷贝数及复合体各酶拷贝数及复合体 大小随物种不同而异大小随物种不同而异E. coli:24 E124 E212 E3自学自学816-6 PDH作用机制作用机制乙酰基乙酰基转酯生成转酯

6、生成 乙酰乙酰-CoA和完全和完全 还原态硫辛酰基还原态硫辛酰基-为下一轮反应再生出氧化态硫为下一轮反应再生出氧化态硫辛酰基，并将底物的辛酰基，并将底物的2e传递给传递给NAD+羟乙基羟乙基氧化为氧化为乙酰基乙酰基，由半还原态，由半还原态硫辛酰基携带，为活化态乙酰基硫酯硫辛酰基携带，为活化态乙酰基硫酯(氧化能驱动高能乙酰硫酯的形成氧化能驱动高能乙酰硫酯的形成)丙酮酸脱羧生成丙酮酸脱羧生成羟乙基羟乙基-TPP(限速限速)substrate channeling(cf. Fig. 11-1)9 TPPs role in pyruvate decarboxylationTPP负碳离子负碳离子对对丙酮

7、酸的羰基丙酮酸的羰基C发动亲核攻击发动亲核攻击(羰基加成羰基加成)脱羧化形成的负脱羧化形成的负离子可经由噻唑离子可经由噻唑环共振稳定环共振稳定质子化形成的质子化形成的羟羟乙基乙基TPP经由碱经由碱催化而断裂释出催化而断裂释出乙醛，随即经酸乙醛，随即经酸催化返回催化返回TPP去质子化成去质子化成TPP负碳离子负碳离子B:(cf. p304 &Fig. 10-10)复习复习10小结：乙酰小结：乙酰-CoA生成生成LW-2- 在在丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体的催化下，糖酵解产生的丙酮酸的催化下，糖酵解产生的丙酮酸 被转化成乙酰被转化成乙酰-CoA，是为柠檬酸循环的起始底物，是为柠檬酸循环的起

8、始底物- PDH复合体由复合体由三种酶三种酶的多份拷贝组成：的多份拷贝组成：丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶E1 (+TPP)，二氢硫辛酰转乙酰基酶二氢硫辛酰转乙酰基酶E2 (+硫辛酸和硫辛酸和CoA)， 以及以及二氢硫辛酰脱氢酶二氢硫辛酰脱氢酶E3 (+FAD和和NAD+)- E1先催化丙酮酸先催化丙酮酸脱羧脱羧生成羟乙基生成羟乙基-TPP，然后将羟乙基，然后将羟乙基 氧化氧化成乙酰基，移除的成乙酰基，移除的e将结合在将结合在E2上的硫辛酰上的硫辛酰-S-S- 还原还原，并将乙酰基在两个，并将乙酰基在两个-SH之一上之一上酯化酯化成硫酯成硫酯- E2催化乙酰基催化乙酰基转酯转酯给给CoA而生成乙酰而

9、生成乙酰-CoA- E3催化硫辛酰氧化态二硫桥的催化硫辛酰氧化态二硫桥的再生再生，e则依次传递给则依次传递给 FAD和和NAD+114C缩缩合合6C2C氧氧化脱羧化脱羧5C氧氧化脱羧化脱羧4C= 八步酶促反应八步酶促反应- 四步四步氧化反应氧化反应将能量高效将能量高效 储存在储存在NADH和和FADH2中中底底物水平磷酸化物水平磷酸化P30-112. 柠檬酸循环柠檬酸循环异构异构(脱水脱水-水合水合)脱氢脱氢水合水合脱氢脱氢再生再生草酰乙酸草酰乙酸在该酶系反应中在该酶系反应中 底物底物(被消耗被消耗) 辅助因子辅助因子(可再生可再生)12P30-12反应反应 乙酰乙酰-CoA与草酰乙酸缩合成柠

10、檬酸与草酰乙酸缩合成柠檬酸- 柠檬酸合酶柠檬酸合酶- 乙酰基乙酰基甲基甲基C与草酰与草酰 乙酸乙酸C2羰基羰基缩合缩合- 生成酶结合中间物生成酶结合中间物 柠檬酰柠檬酰-CoA反应机制反应机制 (cf. p309)其高能硫酯键水解使其高能硫酯键水解使反应不可逆反应不可逆Pro-C*1316-9The mechanism for citrate synthase reactionEssentially a Claisen condensation, involving a thioester (acetyl-CoA) & a ketone (oxaloacetate)H2OCoA自学自学(cf.

11、 Fig. 11-6)14P30-13- 乌乌头酸酶头酸酶 (乌乌头酸水合酶头酸水合酶)- 反反应应 = 脱脱水水+水合水合- 净净效应效应 = H与与OH互换互换 (for a new carbonyl group: 3rd 2nd alcohol)反应反应 柠檬酸经由顺柠檬酸经由顺-乌头酸异构化成异柠檬酸乌头酸异构化成异柠檬酸less than 10% at pH 7.4 & 25 因因异柠檬酸被快速消耗而异柠檬酸被快速消耗而使该反应能使该反应能正向进行正向进行Pro-C*1516-10iron-sulfur center in aconitase Role = both in bindi

12、ng of substrate at active site & in catalytic addition or removal of H2O* *prochiral Cbut aconitase can identify its two different carboxymetheyl groupshelpful for putting citrate in active site自学自学(cf. p311 for KDHsreaction & Fig. 11-7)16P30-14反应反应 异柠檬酸氧化脱羧成异柠檬酸氧化脱羧成 -酮戊二酸酮戊二酸- 异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶- 1st次

13、次脱氢脱氢(NADH)- 1st次次(氧化氧化)脱羧脱羧反应机制反应机制 (cf. p311, as for 6-P-葡糖酸葡糖酸-D)草酰琥珀酸草酰琥珀酸为不稳定酮酸，容易脱羧为不稳定酮酸，容易脱羧有助于稳定脱羧后短有助于稳定脱羧后短暂形成的暂形成的烯醇烯醇中间物中间物氧化氧化脱羧脱羧重排重排NADP依赖性酶依赖性酶主要分布于胞液主要分布于胞液17P30-15- -酮酮戊二酸脱氢酶戊二酸脱氢酶 (KDH, PDH in Fig. 11-1)- 2nd次次脱氢脱氢(NADH)- 2nd次次(氧化氧化)脱羧脱羧- -酮戊二酸酮戊二酸氧化的能量部分被储存于琥珀酰氧化的能量部分被储存于琥珀酰-CoA

14、的的硫酯键硫酯键中中反应反应 -酮戊二酸氧化脱羧成琥珀酰酮戊二酸氧化脱羧成琥珀酰-CoA(KDH)18P30-16- 琥珀酰琥珀酰-CoA合成酶合成酶 (琥琥珀酸硫激酶珀酸硫激酶)- 硫酯键硫酯键的断裂被用于驱动的断裂被用于驱动GTP (animal) 或或ATP中中磷酸酐键的形成磷酸酐键的形成= 以以NTP形式保存能量的形式保存能量的底物水平磷酸化底物水平磷酸化反应反应 琥珀酰琥珀酰-CoA转化成琥珀酸转化成琥珀酸尽管其尽管其 -磷酰基很容磷酰基很容易转移给易转移给ADP以形成以形成ATP，但其主要功能，但其主要功能还是还是用作蛋白质合成用作蛋白质合成中的磷酰基供体中的磷酰基供体1916-1

15、2琥珀酰琥珀酰-CoA合成酶合成酶反应机制反应机制A phosphoryl group replaces CoA in succinyl-CoA bound to enzyme, forming a high-energy acyl phosphateSuccinyl phosphate donates its phosphoryl group to enzymes His246, forming a high-energy phosphohistidyl enzymeThe phosphoryl group is transferred from His246 to GDP/ADP, for

16、ming GTP/ATP.琥珀酰琥珀酰-P-E磷酰磷酰-His-E自学自学 磷酸解磷酸解(cf. Fig. 11-8)20P30-17a- 琥珀酸琥珀酸脱氢酶脱氢酶- 该循环中该循环中惟一惟一(共价共价)结合在线粒体结合在线粒体 内膜或质膜上的酶，具有内膜或质膜上的酶，具有3个个Fe-S 中心簇和中心簇和1个个共价结合共价结合的的FAD- 3rd次脱氢次脱氢(FADH2)反应反应 琥珀酸氧化成延胡索酸琥珀酸氧化成延胡索酸强强烈烈抑抑制制丙二酸丙二酸(with stronger oxidant FAD)21p612b反应反应 延胡索酸水合生成延胡索酸水合生成L-苹果酸苹果酸- 延胡索酸延胡索酸(

17、水合水合)酶酶- 反式反式双键水合双键水合 = 反式反式添加添加OH和和H+马来酸马来酸(顺丁烯二酸顺丁烯二酸)负碳离子负碳离子转化态转化态该酶具有高度立体特异性该酶具有高度立体特异性22Two possible mechanisms for the fumarase reaction18O exchange experiment proved this is the true storyprotonation of double bond to form an intermediate carbonium ion- 正碳离子机制正碳离子机制- 负碳离子机制负碳离子机制attacked by

18、H2O or OH to give a carbanion, followed by protonation复习复习23P30-18- 苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶- 虽然虽然平衡大大有利于逆行，但由于草酰乙酸持续被平衡大大有利于逆行，但由于草酰乙酸持续被高度放能的高度放能的 柠檬酸合酶反应柠檬酸合酶反应所移除，所移除，该该反应在完整细胞中仍为正向进行反应在完整细胞中仍为正向进行- 4th次次脱氢脱氢(NADH)反应反应 L-苹果酸氧化成草酰乙酸苹果酸氧化成草酰乙酸OAA 106M2416-13 柠檬酸循环结算柠檬酸循环结算总总反应：反应：Acetyl CoA + 3 NAD+ + FAD + G

19、DP + Pi + 2 H2O 2 CO2 + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + CoA相当于相当于25t16-1葡萄糖有氧氧化全程中的辅酶还原及葡萄糖有氧氧化全程中的辅酶还原及ATP生成总结算生成总结算(cf. Tab. 11-2)26The plane of symmetry of succinate means that the 2 halves of the molecule are chemically equivalent; thus, carbon atoms from acetyl CoA are uniformly distributed in th

20、e 4-C intermediates leading to oxaloacetate. Carbon atoms from acetyl CoA that enter in one turn of the cycle are thus lost as CO2 only in the 2nd and subsequent turns.柠柠檬檬酸酸循循环环 每轮循环中释出的并非该轮反应每轮循环中释出的并非该轮反应 开始时以乙酰基形式进入的开始时以乙酰基形式进入的2C自学自学(cf. p315)2720-5 (3rd)通过通过TCA循环后循环后总会有总会有2C以以CO2的形式脱下，的形式脱下，不能

21、不能净产生草酰乙酸净产生草酰乙酸无论其来源如何，无论其来源如何，乙酰乙酰-CoA都不能都不能在动物体内在动物体内用作为用作为糖异生的前体糖异生的前体2816-15 回补反应可以补充回补反应可以补充 柠檬酸循环中间物柠檬酸循环中间物- 各中间物被合成途径各中间物被合成途径 抽调用作前体的速率抽调用作前体的速率 一般与回补速率处于一般与回补速率处于 动态平衡动态平衡- 脊椎类肝、肾的主要脊椎类肝、肾的主要 回补反应为回补反应为丙酮酸羧丙酮酸羧 化化(乙酰乙酰-CoA可别构可别构 激活该酶激活该酶TCA加速加速)Anaplerotic Reactions(cf. p317)(cf. Fig. 11-

22、10)2916-16 丙酮酸羧化酶作用机制丙酮酸羧化酶作用机制(辅基生物素辅基生物素=1C载体载体)- 1st阶段阶段() 碳酸氢盐在活性碳酸氢盐在活性 位点位点1被活化为被活化为 CO2并用于使生并用于使生 物素羧化物素羧化- 2nd阶段阶段() CO2在活性位点在活性位点2 被重新释出并与被重新释出并与 丙酮酸缩合成草丙酮酸缩合成草 酰乙酸酰乙酸Avidin可与之结合可与之结合而阻断其吸收而阻断其吸收复习复习30LW-3小结：柠檬酸循环小结：柠檬酸循环- 该循环是一种几乎存在于所有物种的该循环是一种几乎存在于所有物种的中心异化途径中心异化途径， 其其酶系酶系在真核和原核类分别位于线粒体和胞

23、液中；在真核和原核类分别位于线粒体和胞液中； 糖、脂及蛋白降解而得的各种化合物都能通过该途径糖、脂及蛋白降解而得的各种化合物都能通过该途径 最终氧化成最终氧化成CO2 - 循环由循环由八步连续反应八步连续反应组成：从组成：从乙酰乙酰-CoA与与草酰乙酸草酰乙酸 缩合成缩合成柠檬酸柠檬酸开始，逐步将其转化回草酰乙酸，期间开始，逐步将其转化回草酰乙酸，期间 经由两步氧化脱羧释出经由两步氧化脱羧释出 2CO2；乙酰基氧化释放出的；乙酰基氧化释放出的 能量分别储存于能量分别储存于 3 NADH、1 FADH2和和 1 GTP/ATP- 该循环为该循环为异化异化/同化两用同化两用途径：任何可以转化成循环

24、中途径：任何可以转化成循环中 4C/5C中间物的化合物都能经由该循环被氧化，而各中间物的化合物都能经由该循环被氧化，而各 中间物亦可用作多种生物合成的反应前体；由中间物亦可用作多种生物合成的反应前体；由丙酮酸丙酮酸 羧化酶羧化酶等催化的等催化的填补反应填补反应可以补充被调用的中间物可以补充被调用的中间物3116-18 通过对通过对丙酮酸脱氢酶复丙酮酸脱氢酶复 合体的合体的别构抑制别构抑制和和激活激活 以调控进入循环的以调控进入循环的 乙酰乙酰-CoA流量流量 循环酶系的循环酶系的产物抑制产物抑制， 主要为三步高放能反应：主要为三步高放能反应： - 柠檬酸合酶柠檬酸合酶 - 异柠檬酸脱氢酶异柠檬

25、酸脱氢酶 - -酮戊二酸脱氢酶复合体酮戊二酸脱氢酶复合体(cf. p320 & Fig. 11-12)3. 柠檬酸循环的调节柠檬酸循环的调节提供最适提供最适ATP & NADH32= 植物和细菌中的柠檬酸循环支路植物和细菌中的柠檬酸循环支路净净转化：转化：2 乙乙酰酰-CoA + NAD+琥琥珀酸珀酸 + 2 CoA + NADH + H+(4C)1st个个乙酰乙酰-CoA2nd个个乙酰乙酰-CoA苹果酸苹果酸合酶合酶异柠檬酸异柠檬酸裂合酶裂合酶乙醛酸乙醛酸脊椎动物缺乏脊椎动物缺乏- 乙酸盐乙酸盐在植物、某些在植物、某些 低等无脊椎动物和微低等无脊椎动物和微 生物中既可用作富能生物中既可用作富

26、能 燃料，亦可用作糖类燃料，亦可用作糖类 合成所必需的合成所必需的PEP源源(cf. Fig. 11-11)4. 乙醛酸循环乙醛酸循环33 乙醛酸循环与柠檬酸乙醛酸循环与柠檬酸 循环之间的相关联系循环之间的相关联系- 通过绕行柠檬酸循环中通过绕行柠檬酸循环中 两步脱羧反应，乙醛酸两步脱羧反应，乙醛酸 循环可由循环可由 2 乙酰乙酰-CoA 净得净得 1 琥珀酸琥珀酸/草酰乙酸草酰乙酸- 经由经由琥珀酸琥珀酸在这两个在这两个 循环间的中介，植物循环间的中介，植物 即可将脂肪氧化产物即可将脂肪氧化产物 转化为糖类转化为糖类(involving 4 metabolic pathways)16-22g

27、erminating cucumber seed34LW-4小结：乙醛酸循环小结：乙醛酸循环- 乙醛酸循环活跃发生在植物的萌发种子和某些乙醛酸循环活跃发生在植物的萌发种子和某些 微生物中，后者能以乙酸盐作为其惟一碳源；微生物中，后者能以乙酸盐作为其惟一碳源； 该循环在植物中位于该循环在植物中位于乙醛酸循环体乙醛酸循环体内，涉及到内，涉及到 柠檬酸循环中的几种酶以及两种特殊的酶：柠檬酸循环中的几种酶以及两种特殊的酶： 异柠檬酸裂合酶异柠檬酸裂合酶和和苹果酸合酶苹果酸合酶- 通过绕行柠檬酸通过绕行柠檬酸循环中的两步脱羧反应，该循环循环中的两步脱羧反应，该循环 使得从乙酰使得从乙酰-CoA净合成净合

28、成琥珀酸、草酰乙酸等成为琥珀酸、草酰乙酸等成为 可能，并进而经由糖异生合成可能，并进而经由糖异生合成Glc- 由于缺乏乙醛酸循环中的关键酶，脊椎动物不能由于缺乏乙醛酸循环中的关键酶，脊椎动物不能 以乙酸盐或能转化成乙酰以乙酸盐或能转化成乙酰-CoA的的FA合成合成Glc35复习题复习题 (p120127)一、选择一、选择 4, 7, 11, 13, 16, 21, 30, 38, 40, 49, 58二、名词解释二、名词解释 1114三、判断三、判断 1, 46, 19, 22, 26, 31, 37, 38四、问答四、问答 2, 68, 16, 19, 25, 28, 29, 32, 361.总结柠檬酸循环在机体代谢中的作用和地位总结柠檬酸循环在机体代谢中的作用和地位2.虽然所有生物都能利用虽然所有生物都能利用3C和和4C前体分子进行生物前体分子进行生物合成，但哺乳动物却不能像细菌那样利用合成，但哺乳动物却不能像细菌那样利用2C的乙酸的乙酸(盐盐)生长，试解释之。生长，试解释之。3.虽然氧并不以底物或产物的形式参与柠檬酸循环，虽然氧并不以底物或产物的形式参与柠檬酸循环，4. 为什么为什么O2的低水平会导致该循环减速进行？的低水平会导致该循环减速进行？作作业业36