第三节糖的有氧氧化与三羧酸循环 有氧氧化的三个阶段G 2丙酮酸(同酵解) 2丙酮酸 2乙酰辅酶A 2乙酰辅酶A—TCA循环 在有氧时,丙酮酸可进入线粒体内氧化脱羧,生成乙酰辅酶A再 进入三羧酸循环: 丙酮酸氧化脱羧成乙酰辅酶A 丙酮酸脱氢酶系 CH COCOOH+ HSCOA+ NAD+ CH CO-SCOA+CO,+ NADH+H+ 三、TCA途径
第三节 糖的有氧氧化与三羧酸循环 一. 有氧氧化的三个阶段 G ---- 2丙酮酸 （同酵解） 2丙酮酸 2乙酰辅酶A 2 乙酰辅酶A TCA循环 在有氧时，丙酮酸可进入线粒体内氧化脱羧，生成乙酰辅酶A再 进入三羧酸循环: 二、丙酮酸氧化脱羧成乙酰辅酶A 丙酮酸脱氢酶系 CH3COCOOH + HSCOA + NAD+ CH3CO～SCOA +CO2+ NADH+H+ 三、 TCA途径：
( ricarboxylio aoid cyole)又称柠檬酸循环,简写为TA循环,因为它是由H,A, Krebs正 式提出的,所以又称Kreb循环 这一途径普遍存在动、植物及微生物细胞中,不仅是糖分解的主要途 径,也是脂肪、蛋白质分解代谢的最终途径,有重要的生理意义。为 此获1953年的诺贝尔奖 TCA循环共有8步,(P95,图139) 1.1、乙酰辅酹A与草酰乙酸缩合形成柠檬酸: TCA循环起始步骤,由柠檬酸合成酶(柠檬酸缩合酶)催化,乙酰辅酧A的 甲基移去质子形成负碳离子,亲核攻击草酰乙酸的酮基碳,缩合生成柠檬酰辅 酶A,再由髙能硫酯键水解推动总反应进行,生成柠檬酸。 0 CH3-C-SCoA HO COA CH2 -CO0" 0=C-CO0 H,*CoA 一H2C一CO0 H2C-CO0 Ho一C-CO0 CH2-C00- CH2-cO0 乙酰CoA 柠檬酸
这一途径普遍存在动、植物及微生物细胞中，不仅是糖分解的主要途 径，也是脂肪、蛋白质分解代谢的最终途径，有重要的生理意义。为 此获1953年的诺贝尔奖 三. TCA循环共有8步，（P95，图13-9） 1. 1、乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合形成柠檬酸： TCA循环起始步骤，由柠檬酸合成酶（柠檬酸缩合酶）催化，乙酰辅酶A的 甲基移去质子形成负碳离子，亲核攻击草酰乙酸的酮基碳，缩合生成柠檬酰辅 酶A，再由高能硫酯键水解推动总反应进行，生成柠檬酸
柠檬酸合成酶: 哺乳类动物中拧檬酸合成酶由2个490亚基组成。X射线晶体图谱友明此酸在催化反 应时与底物结合会产生很大的构象变化。先与草酰乙酸结合导致酶结枃重排成关闭型,创 造了与乙酰CoA的结合位点使两个底物按近通过调整键的极性使其缩合。合酶上的两个组 氦酸残基起着重要的作用。其中一个与草酰乙酸羰基氡原子作用使其易受攻击,另一个綢氮 酸残基促进乙酰ωoA的甲基碳上的质子离开,形成烯醇离予,就可以与草酰乙酸缩合成￠-0 键。形成的柠檬酰CoA使酶结构进一步变化,活性中心增加了一个天冬氨酸残基捕 获水分子以水解硫酯键。CoA和柠檬酸相继离开酶,酶恢复成开放型。此酶是一个 调控酶,可受ATP、NADH、琥珀酰CoA和长链脂酰CoA抑制。故此反应是可调控的限 速步骤。 草酰乙酸 1构象变化:开放型 关闭型 HSCOA、柠檬酸 2活性中心:His→草酰乙酸;His→乙酰CoA;Asp→→H20 3可调节酶:ATP、NADH、琥珀酰CoA和长链脂酰CoA可抑制此酶活性
键。形成的柠檬酰CoA使酶结构进一步变化，活性中心增加了一个天冬氨酸残基捕 获水分子以水解硫酯键。CoA和柠檬酸相继离开酶，酶恢复成开放型。此酶是一个 调控酶，可受ATP、NADH、琥珀酰CoA和长链脂酰CoA抑制。故此反应是可调控的限 速步骤。 柠檬酸合成酶： 草酰乙酸 1.构象变化： 开放型 关闭型 HSCOA、柠檬酸 2.活性中心： His 草酰乙酸；His 乙酰COA； Asp H2O 3.可调节酶： ATP、NADH、琥珀酰CoA和长链脂酰CoA可抑制此酶活性
2.柠檬酸异构化生成异柠檬酸。 柠檬酸由顺乌头酸酸( monicas9)催化脱水,然后又加水,从而改变分子内OH-和+的 位置,生成异柠橼酸,催化这两步反应的是同一酶,由于其中间产物为顺乌头酸,故此得名。其 标准自由能变化ΔQ°相应的为+8:千焦耳/摩尔,-2.1千焦耳/尔,由于异柠檬酸不断 消失,推动反应进行 CooH CH2--CooH H,O CH--COOH HO FIC OH C—cooH_ HC--cooh cH2·cOOH CH2COOH H,O CH,→·CoOH 柠檬酸 顺鸟头酸 异拧檬酸
3.异柠檬酸氧化脱羧生成a-酮戊二酸。 这是三羧酸循环中第一次氧化作用,被异柠檬酸脱氬酶所催化。反应的中间物是草齜琥 珀酸,它是一个不稳定的β嗣酸,当与酶结合则聪羧形成∝戊二酸。 COOH NADP+ NADPH+H+ Co--CO0H OH CH2 HC—c00H °cH2coOH CH,-COOH CH2--CO0H 异柠檬酸 草酰琥珀酸 a-酎戊二酸 线粒体内含有二种异柠檬酸脱氢酶,一种是以NAD+为电子受体,另一种是以NADP+ 为受体。前者仅在线粒体内,后者也在细胞质中存在。需NAD异柠檬酸飈氢酶被Mg2+ Mn2+活化,它是一个别构酶,正调控物是ADP,ADP可增加酶和底物的亲和力。当缺乏 ADP时就失去活性。NAD、Mg2+和ADP有协同作用。NADH和A①P可以抑制酶活性 总之,细胞在具有高能状态时即 ATP/ADP,NADH/NAD+比值高时酶活性被抑制。在低能 状态时被激活。异柠檬酸脱氢酶是TCA循环中第二个调节酶
状态时被激活。异柠檬酸脱氢酶是TCA循环中第二个调节酶
4。α-酮戊二酸氧化脱羧成为琥珀酰CoA: 第二次氧化反应且伴有脱羧,由α-酮戊二酸脱氢酶系催化 -酮戊二酸脱氢酶怵系与丙酮酸脱氢酶体系相似,由三个酶即a酮戊二酸脱氢酶玑,琥 珀酰转移酶E2和二氢碗辛酰脱氢酶F3组成。也需要PP,硫辛酸,CA,FAD和NAD, Mg6种辅助因子。琥珀酴转移酶处于核心位置,其氧化脱羧杋制也类似。其巧和珝z与 丙酮酸脱氢酶中相应的脱羧及酰基转移酶不同,但二氢硫辛酰脱氢酶是相同的。此酶也是一 个调节酶,受其产物NAD迁琥珀酰(oA和0a2+抑制,细胞高能荷时,ΔP2,P也可反愦 抑制酶的活性,但是的活性不受磷酸化作用的共价修饰调节。 Coo COO→ C.FI2 GH2+oA8HNAD+→CH+NA卫丑+豆++CO2 c—O Coo SCoA a画戊二酸 琥珆酰CoA
4。α-酮戊二酸氧化脱羧成为琥珀酰CoA： 第二次氧化反应且伴有脱羧，由α-酮戊二酸脱氢酶系催化
5.琥珀酰COA转化成琥珀酸并产生GTP 这是TCA中唯一底物水平磷酸化直接产生高能磷酸键的步骤 CO SCOA GDP+Pi GTP CHz-COOH H CHz--COOH CHzcooH MSCoA 琥珀酰辅酶A 琥珀酸 琥珀酰O痉A硫酯键水解的ΔG∞=-3.6千焦耳/摩尔,它是一个高能硫酯键,因此它可 以在琥珀酰(oΔ合成酶( Succinyl- OA synthetase)的催化下,使二磷酸鸟苷(GDP)磷酸化 成三弹酸鸟苷(IP)。GTIP可以用于蛋白质合成,也可以在一磷酸核苷激酶( nucleoside diphosphokinase)的催化下将磷酰基转给ADP生成ATP。 GTP + ADP GDP + ATP
5. 琥珀酰COA转化成琥珀酸并产生GTP； 这是TCA中唯一底物水平磷酸化直接产生高能磷酸键的步骤。 GTP + ADP GDP + ATP
6.6、琥珀酸脱氢生成延胡索酸: 第三步氧化还原反应,由琥珀酸脱氢酶催化,氢受体:酶的辅基FAD CoO- COo- +hAD+ + FADH? coo Coo 7、延胡索酸水化成苹果酸: 延胡索酸酶具有立体异构特异性,OH只加在延胡索酸一侧,形成L-苹果 酸 COC- 耳2O C H五C-H coo Coo- 延胡紫酸 工一苹果酸
6. 6. 6、 琥珀酸脱氢生成延胡索酸： 第三步氧化还原反应，由琥珀酸脱氢酶催化，氢受体：酶的辅基FAD 7、延胡索酸水化成苹果酸： 延胡索酸酶具有立体异构特异性，OH只加在延胡索酸一侧，形成L-苹果 酸
8.苹果酸脱氢生成草酰乙酸: TCA中第4次氧化还原反应,由-苹果酸脱氢酶催化,NA是辅酶。 COO HO丑 +NAD+ t HCH cH + NADH+I+ 工苹果酸 草酰乙酸 在标准热力学条件下,平衡有利于逆反应。但在生理情况下,反应产物草 酰乙酸不断因合成柠檬酸而移去,使其在细胞内浓度极低(小于10-6 mO1/L),而使反应向右进行。 注:有氧氧化第3阶段即TCA循环的关键酶是:柠檬酸合成醯、异柠檬 酸脱氢醢、α-酮戊二酸脱氢酶系 有氧氧化第2阶段的关键酶:丙酮酸脱氢酶系 有氧氧化第1阶段的关键酶:即糖酵解的三个关键酶
8. 苹果酸脱氢生成草酰乙酸： TCA中第4次氧化还原反应，由L-苹果酸脱氢酶催化，NAD+是辅酶。 在标准热力学条件下，平衡有利于逆反应。但在生理情况下，反应产物草 酰乙酸不断因合成柠檬酸而移去，使其在细胞内浓度极低（小于1 0 - 6 mol/L）,而使反应向右进行。 注：有氧氧化第3阶段即TCA循环的关键酶是：柠檬酸合成酶、异柠檬 酸脱氢酶、 α-酮戊二酸脱氢酶系 有氧氧化第2阶段的关键酶： 丙酮酸脱氢酶系 有氧氧化第1阶段的关键酶：即糖酵解的三个关键酶
四、TCA中ATP生成与生物学意义: (1)供能:共产生12ATP乙酰CA进入TCA,每一次循环有: 4次脱氢反应「3NADH 3*3=9ATP 1 FADH2 2*1=2ATP 底物水平磷酸化→1GTP 1 ATP (琥珀酰CA合成酶催化的反应) 1乙酰辅酶A体外燃烧209.1千卡,7.3*12=84.6千卡, 有效利能率:84.6/209.1*100%=42% (见P100图13-10) (2)提供碳骨架:例草酰乙酸+NH2 Asp(见P101图13-11) (3)有氧氧化 G酵解:2ATP+2NADH肌细胞等:2*2ATP (可净生成36或38ATP) (穿梭)肝细胞等:2*3ATP 2丙酮酸—→2乙酰辅酶A:2NADH→2*3ATP 2乙酰辅酶A TCA循环:12*2=24ATP
四、 TCA中ATP生成与生物学意义： （1）供能： 共产生12 ATP 乙酰CO A进入TCA ，每一次循环有： 4次脱氢反应 3 NADH 3*3 = 9 ATP 1 FADH2 2*1 = 2 ATP 底物水平磷酸化 1GTP 1 ATP 体外燃烧 有效利能率：84.6 / 209.1 *100 % = 42 % （见P 100 图13-10） 1乙酰辅酶A 209.1千卡， 7.3*12 = 84.6 千卡， （2）提供碳骨架：例 草酰乙酸 + NH2 Asp （见P101 图13-11） （3） 有氧氧化 （可净生成36或38 ATP） （琥珀酰CO A合成酶催化的反应） 2丙酮酸 2乙酰辅酶A ：2 NADH 2* 3 ATP G酵解：2 ATP + 2 NADH 肌细胞等：2*2 ATP （穿梭） 肝细胞等：2*3 ATP 2乙酰辅酶A TCA循环：12*2 = 24 ATP