第八章糖代谢 自养生物 分解代谢 糖代谢包括 异养生物 自养生物 合成代谢 异养生物 能量转换(能源) 糖代谢的生物学功能 物质转换(碳源) 可转化成多种中间产物,这些中间产物可进步转化成氨基酸、脂肪酸、核苷酸。 糖的磷酸衍生物可以构成多种重要的生物活性物质:NAD、FAD、DNA、RNA、AP。 分解代谢:酵解(共冋途径)、三羧酸循环(最后氧化途径)、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等。 合成代谢:糖异生、糖原合成、结构多糖合成以及光合作用 分解代谢和合成代谢,受神经、激素、别构物调节控制。 第一节糖酵解 glycolysis 酵解与发酵 1、酵解 glycolysis(在细胞质中进行) 酵解酶系统将G降解成丙酮酸,并生成AP的过程。它是动物、植物、微生物细胞中Glc分解产生能 量的共同代谢途径。 在好氧有机体中,丙酮酸进入线粒体,经三羧酸循环被彻底氧化成COz和H2O,产生的NADH经呼吸 链氧化而产生ATP和水,所以酵解是三羧酸循环和氧化磷酸化的前奏。 若供氧不足,NADH把丙酮酸还原成乳酸(乳酸发酵)。 2、发酵 fermentation 厌氧有机体(酵母和其它微生物)把酵解生的NADH上的氢,传递给丙酮酸,生成乳酸,则称乳酸发 酵。 若NAPH中的氢传递给丙酮酸脱羧生成的乙醛,生成乙醇,此过程是酒精发酵。 有些动物细胞即使在有O时,也会产生乳酸,如成熟的红细胞(不含线粒体)、视网膜。 酵解 三羧酸循环 葡萄糖 丙酮酸+NADH 厌氧乳酸发酵 酒精发酵
１ O2 葡萄糖 酵解 丙酮酸 + NADH 厌氧 三羧酸循环 乳酸发酵 酒精发酵 第八章 糖代谢 自养生物 分解代谢 糖代谢包括 异养生物 自养生物 合成代谢 异养生物 能量转换（能源） 糖代谢的生物学功能 物质转换（碳源） 可转化成多种中间产物，这些中间产物可进一步转化成氨基酸、脂肪酸、核苷酸。 糖的磷酸衍生物可以构成多种重要的生物活性物质：NAD、FAD、DNA、RNA、ATP。 分解代谢：酵解（共同途径）、三羧酸循环（最后氧化途径）、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等。 合成代谢：糖异生、糖原合成、结构多糖合成以及光合作用。 分解代谢和合成代谢，受神经、激素、别构物调节控制。 第一节 糖酵解 glycolysis 一、 酵解与发酵 1、 酵解 glycolysis （在细胞质中进行） 酵解酶系统将Glc 降解成丙酮酸，并生成 ATP 的过程。它是动物、植物、微生物细胞中 Glc 分解产生能 量的共同代谢途径。 在好氧有机体中，丙酮酸进入线粒体，经三羧酸循环被彻底氧化成 CO2和 H2O，产生的 NADH 经呼吸 链氧化而产生 ATP 和水，所以酵解是三羧酸循环和氧化磷酸化的前奏。 若供氧不足，NADH 把丙酮酸还原成乳酸（乳酸发酵）。 2、 发酵 fermentation 厌氧有机体（酵母和其它微生物）把酵解产生的 NADH上的氢，传递给丙酮酸，生成乳酸，则称乳酸发 酵。 若 NAPH中的氢传递给丙酮酸脱羧生成的乙醛，生成乙醇，此过程是酒精发酵。 有些动物细胞即使在有O2时，也会产生乳酸，如成熟的红细胞（不含线粒体）、视网膜
二、糖酵解过程(EMP) Embden- Meyerhof Pathway 1940 在细胞质中进行 1、反应步骤 P79图13-1酵解途径,三个不可逆步骤是调节位点 (1)、葡萄糖谫酸化形彩成G6P 反应式 此反应基本不可逆,调节位点。△G=-40 Kcalmol使Gk活化,并以G6P形式将Gl限制在细胞内。 催化此反应的激酶有,已糖激酶和葡萄糖激酶。 激酶:催化ATP分子的磷酸基(磷酰基)转移到底物上的酶称激酶,一般需要Mg2+或M2+作为辅因 子,底物诱导的裂缝关闭现象似乎是激酶的共同特征。 P80图132己糖激酶与底物结合时的构象变化 已糖溦:专性不强,可催化Gk、ru、Man(甘露糖)磷酸化。己糖激酶是酵解途径中第一个调节 酶,被产物G6P强烈地别构抑制。 葡萄糖溦对G有专一活性,存在于肝脏中,不被G6P抑制。Gk激酶是·个诱导酶,由胰岛素 促使合成, 肌肉细胞中已糖激酶对Gkc的Km为0 mmol,而肝中Gkc激酶对Gkc的Km为10mmoL,因此,平 时细胞内Gk浓度为5mmoL时,已糖激酶催化的酶促反应已经达最大速度,而肝中Gk激酶并不活跃。进 食后,肝中Gl浓度增高,此时Gl激酶将Gk转化成G6P,进步转化成糖元,贮存于肝细胞中 (2)、G6P异构化为F6P 反应式 由于此反应的标准自由能变化很小,反应可逆,反应方向由底物与产物的含量水平控制。 此反应由磷酸Gc异构酶催化,将葡萄糖的羰基C由C1移至C,为C位磷酸化作准备,同时保证C 上有羰基存在,这对分子的β断裂,形成三碳物是必需的。 (3)、 P磷酸化,生成F1.6P 反应式 此反应在体内不可逆,调节位点,由磷酸果糖激酶催化。 磷酸果糖激酶既是酵解途径的限速酶,又是酵解途径的第二个调节酶
２ 二、 糖酵解过程（EMP） Embden-Meyerhof Pathway ，1940 在细胞质中进行 1、 反应步骤 P79 图 13-1 酵解途径，三个不可逆步骤是调节位点。 （1）、 葡萄糖磷酸化形成G-6-P 反应式 此反应基本不可逆，调节位点。△G0= -4.0Kcal/mol使 Glc 活化，并以 G-6-P 形式将 Glc 限制在细胞内。 催化此反应的激酶有，已糖激酶和葡萄糖激酶。 激酶：催化 ATP 分子的磷酸基（r-磷酰基）转移到底物上的酶称激酶，一般需要 Mg2+或 Mn2+作为辅因 子，底物诱导的裂缝关闭现象似乎是激酶的共同特征。 P 80 图 13-2 己糖激酶与底物结合时的构象变化 已糖激酶：专一性不强，可催化 Glc、Fru、Man（甘露糖）磷酸化。己糖激酶是酵解途径中第一个调节 酶，被产物G-6-P 强烈地别构抑制。 葡萄糖激酶：对 Glc 有专一活性，存在于肝脏中，不被 G-6-P 抑制。Glc 激酶是一个诱导酶，由胰岛素 促使合成， 肌肉细胞中已糖激酶对 Glc 的 Km为 0.1mmol/L，而肝中 Glc 激酶对 Glc 的 Km为 10mmol/L，因此，平 时细胞内Glc 浓度为 5mmol/L 时，已糖激酶催化的酶促反应已经达最大速度，而肝中Glc 激酶并不活跃。进 食后，肝中Glc 浓度增高，此时Glc 激酶将Glc 转化成G-6-P，进一步转化成糖元，贮存于肝细胞中。 （2）、 G-6-P 异构化为F-6-P 反应式： 由于此反应的标准自由能变化很小，反应可逆，反应方向由底物与产物的含量水平控制。 此反应由磷酸 Glc 异构酶催化，将葡萄糖的羰基 C由 C1移至 C2 ，为 C1位磷酸化作准备，同时保证C2 上有羰基存在，这对分子的β断裂，形成三碳物是必需的。 （3）、 F-6-P 磷酸化，生成F-1.6-P 反应式： 此反应在体内不可逆，调节位点，由磷酸果糖激酶催化。 磷酸果糖激酶既是酵解途径的限速酶，又是酵解途径的第二个调节酶
(4)、F-1.6P裂解成3磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮(DHAP) 反应式 该反应在热力学上不利,但是,由于具有非常大的△G负值的F-1.62P的形成及后续甘油醛3-磷醺氧化 的放能性质,促使反应正向进行。同时在生理环境中,3磷酸甘油醛不断转化成丙酽酸,驱动反应向右进行 该反应由醛缩酶催化,反应机理 P83 (5)、磷酸二羟丙酮(DHAP)异构化成3磷酸甘油醛 反应式:(注意碳原子编号的变化) 由磷酸丙糖异构酶催化。 已糖转化成3磷酸甘油醛后,C原子编号变化:F-16P的C-P、CP都变成了3·磷酸甘油醛的C3P 图解: 6)、3-磷酸甘油醯氧化成1.3—二磷酸甘油酸 反应式 由磷酸甘油醛脱氢酶催化 此反应既是氧化反应,又是磷酸化反应,氧化反应的能量驱动磷酸化反应的进行。 反应机理: P84图13-43-磷酸甘油醛脱氢酶的催化机理 碘乙酸可与酶的SH结合,抑制此酶湉活性,砷酸能与磷酸底物竞争,使氧化作用与磷酸化作用解偶连(生 成3-磷酸甘油酸) (7)、1.3二磷酸甘油酸转化成3磷酸甘油酸和ATP 反应式 由磷酸甘油酸激酶催化 这是酵解过程中的第一次底物水平磷酸化反应,也是酵解过程中第-次产生AP的反应。 一分子Glc产生二分子三碳糖,共产生2ATP。这样可抵消Gk在两次磷酸化时消耗的2AIP。 8)、3-磷酸甘油酸转化成2磷酸甘油酸 反应式 磷酸甘油酸变位酶催化,磷酰基从C3移至C
３ （4）、 F-1.6-P 裂解成3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮（DHAP） 反应式： 该反应在热力学上不利，但是，由于具有非常大的△G0负值的 F-1.6-2P 的形成及后续甘油醛-3-磷酸氧化 的放能性质，促使反应正向进行。同时在生理环境中，3-磷酸甘油醛不断转化成丙酮酸，驱动反应向右进行。 该反应由醛缩酶催化，反应机理 P 83 （5）、 磷酸二羟丙酮（DHAP）异构化成3-磷酸甘油醛 反应式：（注意碳原子编号的变化） 由磷酸丙糖异构酶催化。 已糖转化成3-磷酸甘油醛后，C 原子编号变化：F-1.6-P 的C1-P、C6-P 都变成了3-磷酸甘油醛的C3-P 图解： （6）、 3-磷酸甘油醛氧化成 1.3—二磷酸甘油酸 反应式： 由磷酸甘油醛脱氢酶催化。 此反应既是氧化反应，又是磷酸化反应，氧化反应的能量驱动磷酸化反应的进行。 反应机理： P84 图 13-4 3-磷酸甘油醛脱氢酶的催化机理 碘乙酸可与酶的-SH 结合，抑制此酶活性，砷酸能与磷酸底物竞争，使氧化作用与磷酸化作用解偶连（生 成 3-磷酸甘油酸） （7）、 1．3—二磷酸甘油酸转化成3—磷酸甘油酸和ATP 反应式： 由磷酸甘油酸激酶催化。 这是酵解过程中的第一次底物水平磷酸化反应，也是酵解过程中第一次产生ATP 的反应。 一分子 Glc 产生二分子三碳糖，共产生2ATP。这样可抵消Glc 在两次磷酸化时消耗的2ATP。 （8）、 3—磷酸甘油酸转化成2—磷酸甘油酸 反应式： 磷酸甘油酸变位酶催化，磷酰基从C3移至C2
(9) 磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸 反应式 烯醇化酶 —磷酸甘油酸中磷脂键是个低能键(Δ(-176Kj伵mo而磷醅矫醇式丙酮酸中的磷酰烯醇键是髙能 键(△G=62IKj/mol),因此,这步反应显著提高了磷酰基的转移势能。 (10)、磷酸烯醇式丙酮醚生成ATP和内酮酸。 反应式: 不可逆,调节位点。 由丙酮酸激酶催化,丙酮酸激酶是酵解途径的第三个调节酶, 这是酵解途径中的第二次底物水平磷酸化反应,磷酸烯醇式丙酮酸将磷酰基转移给ADP,生成AP和 丙酮酸 EMP总反应式: 1葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD→2丙酮酸-2AP+2NADH+2H←2H 2、糖酵解的量变化 P87图13-5糖酵解途径中AIP的生成 无氧情况下:净产生2ATP(2分子NADH将2分子丙酮酸还原成乳酸)。 有氧条件下:NADH可通过呼吸链间接地被氧化,生成更多的ATP 1分子NADH→3ATP 1分子FAD→2ATP 因此,净产生8AIP(酵解2ATP,2分子NADH进入呼吸氧化,共生成6ATP)。 但在肌肉系统组织和神经系统组织:一个G酵解,净产生6ATP(2+2*2) ★甘油磷酸穿梭: 2分子NADH进入线粒体,经甘油磷酸穿梭系统,胞质中磷酸二羟丙酮被还原成3-磷酸甘油,进入线 粒体重新氧化成磷酸二羟内酮,但在线粒体中的3磷酸甘油脱氢酶的辅基是FAD,因此只产生4分子AIP。 ①:胞液中磷酸甘油脱氢酶。 ②:线粒体磷酸甘油脱氢酶。 《罗纪盛》P259P260。 ★苹果酸穿梭机制 胞液中的NADH可经苹果酸脱氢酶催化,使草酰乙酸还原成苹果酸,再通过苹果酸2酮戊二酸载休 转运,进入线粒体内,由线粒体内的苹果酸脱氢酶催化,生成NADH和草酰乙酸。 而草酰乙酸经天冬氨酸转氨酶佣用,消耗ⅷ而形成Aφp。Asp经线粒体上的载体转运回胞液。在胞液 中,A经胞液中的Asp转氨酶作用,再产生草酰乙酸
４ （9）、 2—磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸 反应式： 烯醇化酶 2—磷酸甘油酸中磷脂键是一个低能键（△G= -17.6Kj /mol）而磷酸烯醇式丙酮酸中的磷酰烯醇键是高能 键（△G= -62.1Kj /mol），因此，这一步反应显著提高了磷酰基的转移势能。 （10）、 磷酸烯醇式丙酮酸生成ATP 和丙酮酸。 反应式： 不可逆，调节位点。 由丙酮酸激酶催化，丙酮酸激酶是酵解途径的第三个调节酶， 这是酵解途径中的第二次底物水平磷酸化反应，磷酸烯醇式丙酮酸将磷酰基转移给 ADP，生成 ATP 和 丙酮酸 EMP 总反应式： 1 葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+ → 2 丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O 2、 糖酵解的能量变化 P87 图 13-5 糖酵解途径中 ATP 的生成 无氧情况下：净产生2ATP（2 分子NADH将2 分子丙酮酸还原成乳酸）。 有氧条件下：NADH 可通过呼吸链间接地被氧化，生成更多的ATP。 1 分子 NADH→3ATP 1 分子 FAD →2ATP 因此，净产生 8ATP（酵解2ATP，2 分子NADH进入呼吸氧化，共生成 6ATP）。 但在肌肉系统组织和神经系统组织：一个Glc 酵解，净产生6ATP（２+２*２）。 ★甘油磷酸穿梭： 2 分子NADH 进入线粒体，经甘油磷酸穿梭系统，胞质中磷酸二羟丙酮被还原成3—磷酸甘油，进入线 粒体重新氧化成磷酸二羟丙酮，但在线粒体中的 3—磷酸甘油脱氢酶的辅基是 FAD，因此只产生 4分子 ATP。 ①：胞液中磷酸甘油脱氢酶。 ②：线粒体磷酸甘油脱氢酶。 《罗纪盛》P 259 P 260。 ★苹果酸穿梭机制： 胞液中的NADH可经苹果酸脱氢酶催化，使草酰乙酸还原成苹果酸，再通过苹果酸—2—酮戊二酸载休 转运，进入线粒体内，由线粒体内的苹果酸脱氢酶催化，生成NADH和草酰乙酸。 而草酰乙酸经天冬氨酸转氨酶作用，消耗 Glu 而形成 Asp。Asp 经线粒体上的载体转运回胞液。在胞液 中，Asp 经胞液中的Asp 转氨酶作用，再产生草酰乙酸
经苹果酸穿梭,胞液中NADH进入呼吸链氧化,产生3个ATP。 图 苹果酸脱氢酶(胞液) a一酮戊二酸转位酶 苹果酸脱氢酶(线粒体基质) 谷一草转氨酶 Glu-A转位酶 谷一草转氨酶 草酰乙酸: 苹果酸: a一酮戊二酸: 3、糖酵解中酶的反应类型 P88表13-1糖酵解反应 氧化还原酶(1种):3—磷酸甘油醛脱氢酶 转移酶(4种):己糖激酶、磷酸果糖激酶、磷酸甘油酸激酶、丙酮酸激酶 裂合酶(1种):醛缩酶 异构酶(4种):磷酸(异枃酶、磷酸丙糖异构酶、磷酸甘油酸变位酶、烯醇化酶 三、糖酵解的调节 参阅P120糖酵解的调节 糖酵解过程有三步不可逆反应,分别由三个调节酶(别构酶)催化,调节主要就发生在三个部位。 1、已糖激酶调节 别构抑制剂(负效应调节物):G6-P和AIP 别构激活剂(正效应调节物):ADP 2、磷酸果糖激酶调节(关键限速步骤) 抑制剂:ATP、柠檬酸、脂肪酸和H 激活剂:AMP、F-26-2P ATP:细胞内含有丰富的ATP时,此酶几乎无活性 柠檬酸:高含量的柠檬酸是碳骨架过剩的信号. H:可防止肌肉中形成过量乳酸而使血液酸中毒
５ 经苹果酸穿梭，胞液中NADH进入呼吸链氧化，产生3 个ATP。 图 苹果酸脱氢酶（胞液） α—酮戊二酸转位酶 苹果酸脱氢酶（线粒体基质） 谷—草转氨酶 Glu—Asp 转位酶 谷—草转氨酶 草酰乙酸： 苹果酸： α—酮戊二酸： 3、 糖酵解中酶的反应类型 P88 表 13-1 糖酵解反应 氧化还原酶（1 种）：3—磷酸甘油醛脱氢酶 转移酶（4 种）：己糖激酶、磷酸果糖激酶、磷酸甘油酸激酶、丙酮酸激酶 裂合酶（1 种）：醛缩酶 异构酶（4 种）：磷酸 Glc 异构酶、磷酸丙糖异构酶、磷酸甘油酸变位酶、烯醇化酶 三、 糖酵解的调节 参阅 P120 糖酵解的调节 糖酵解过程有三步不可逆反应，分别由三个调节酶（别构酶）催化，调节主要就发生在三个部位。 1、 已糖激酶调节 别构抑制剂（负效应调节物）：G—6—P和ATP 别构激活剂（正效应调节物）：ADP 2、 磷酸果糖激酶调节（关键限速步骤） 抑制剂：ATP、柠檬酸、脂肪酸和H+ 激活剂：AMP、F—2.6—2P ATP：细胞内含有丰富的ATP 时，此酶几乎无活性。 柠檬酸：高含量的柠檬酸是碳骨架过剩的信号。 H+：可防止肌肉中形成过量乳酸而使血液酸中毒
3、丙酮酸激酶调节 抑制剂:乙酰CoA、长链脂肪酸、Aa、ATP 激活剂:F-16P、 四、丙酮酸的去路 1、进入三羧酸循环 2、乳酸的生成 在厌氧酵解时(乳酸菌、剧烈运动的肌肉),丙酮酸接受了3磷酸甘油醛脱氢酶生成的NADH上的氢 在乳酸脱氢酶催化下,生成乳酸。 总反应:Glc+2ADP+2Pi→2乳酸+2ATP+2HO 动物体内的乳酸循环Cori循环: 肌肉收缩,糖酵解产生乳酸。乳酸透过细胞膜进入血液,在肝脏中异生为Gk,解除乳酸积累引起的中 毒 Coi循环是一个耗能过程:2分子乳酸生成1分子Gc,消耗6个AIP。 3、乙醇的生成 酵母或其它微生物中,经糖酵解产生的丙酮酸,可以经丙酮酸脱羧酶催化,脱羧生成乙醛,在醇脱氢酶 催化下,乙醛被NADH还原成乙醇。 总反应:Gk+2p+2ADP+2H→2乙醇+2CO2+2ATP+2H20 在厌氧条件下能产生乙醇的微生物,如果有氧存在时,则会通过乙醛的氧化生成乙酸,制醋。 4、丙酮酸进行糖异生 五、其它单糖进入糖酵解途径 除葡萄糖外,其它单糖也可进行酵解 P91图13-6各种单糖进入糖酵解的途径 1.糖原降解产物G-1-P 2.D一果糖有两个途径 3.D—半乳糖 4.D一甘露糖
６ 3、 丙酮酸激酶调节 抑制剂：乙酰 CoA、长链脂肪酸、Ala、ATP 激活剂：F-1.6-P、 四、 丙酮酸的去路 1、 进入三羧酸循环 2、 乳酸的生成 在厌氧酵解时（乳酸菌、剧烈运动的肌肉），丙酮酸接受了3—磷酸甘油醛脱氢酶生成的 NADH 上的氢， 在乳酸脱氢酶催化下，生成乳酸。 总反应： Glc + 2ADP + 2Pi → 2 乳酸 + 2ATP + 2H2O 动物体内的乳酸循环 Cori 循环： 图 肌肉收缩，糖酵解产生乳酸。乳酸透过细胞膜进入血液，在肝脏中异生为 Glc，解除乳酸积累引起的中 毒。 Cori 循环是一个耗能过程：2 分子乳酸生成1 分子Glc，消耗 6个 ATP。 3、 乙醇的生成 酵母或其它微生物中，经糖酵解产生的丙酮酸，可以经丙酮酸脱羧酶催化，脱羧生成乙醛，在醇脱氢酶 催化下，乙醛被NADH 还原成乙醇。 总反应：Glc+2pi+2ADP+2H+→2 乙醇+2CO2+2ATP+2H20 在厌氧条件下能产生乙醇的微生物，如果有氧存在时，则会通过乙醛的氧化生成乙酸，制醋。 4、 丙酮酸进行糖异生 五、 其它单糖进入糖酵解途径 除葡萄糖外，其它单糖也可进行酵解 P 91 图 13-6 各种单糖进入糖酵解的途径 1．糖原降解产物G—1—P 2．D—果糖 有两个途径 3．D—半乳糖 4．D—甘露糖
第二节三羧酸循环 葡萄糖的有氧氧化包括四个阶段。 ①糖酵解产生丙酮酸(2丙酮酸、2ATP、2 NADH) ②丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA ③三羧酸循环(CO、HO、ATP、NADH) ④呼吸链氧化磷酸化(NADH--ATP) 三羧酸循:乙酰CαA经·系列的氧化、脱羧,最终生成αO、HO、并释放能量的过程,又称柠檬酸 循环、 Krebs循环。 原核生物:①④阶段在胞质中 真核生物:①在胞质中,②④在线粒体中 丙酮酸脱羧生成乙酰CoA 1、反应式 丙酮酸脱氢酶复合体 CH3 COCOOH+ CoA-SH+NAD CH3CO-S-CoA+ NADH+H+CO 此反应在真核细胞的线粒体基质中进行,这是连接糖酵解与TCA的中心环节。 2、丙酮酸脱氢酶系 丙酮酸脱氢酶系是一个十分庞大的多酶体系,位于线粒体膜上,电镜下可见。 E coli丙酮酸脱氢酶复合体 分子量:45×1直径45nm,比核糖体稍大。 酶 辅酶 每个复合物亚基数 丙酮酸脱羧酶(E1) TPP 二氢硫辛酸转乙酰酶(E 硫辛酸 24 二氢硫辛酸脱氢酶(E3) FAD、NAD 此外,还需要C0A、Mg2作为辅因子 这些肽链以非共价键结合在一起,在碱性条件下,复合体可以解离成相应的亚单位,在中性时又可以重 组为复合体。所有丙酮酸氧化脱羧的中间物均紧密结合在复合体上,活性中间物可以从一个酶活性位置转到 另一个酶活性位置,因此,多酶复合体有利于高效催化反应及调节酶在反应中的活性。 3、反应步骤 P93反应过程 (1)丙酮酸脱羧形城成羟乙基TPP 7
７ 第二节 三羧酸循环 葡萄糖的有氧氧化包括四个阶段。 ①糖酵解产生丙酮酸（2 丙酮酸、 2ATP、2NADH） ②丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA ③三羧酸循环（CO2、H2O、ATP、NADH） ④呼吸链氧化磷酸化（NADH-----ATP） 三羧酸循环：乙酰 CoA 经一系列的氧化、脱羧，最终生成 CO2、H2O、并释放能量的过程，又称柠檬酸 循环、Krebs 循环。 原核生物：①~④阶段在胞质中 真核生物：①在胞质中，②~④在线粒体中 一、 丙酮酸脱羧生成乙酰 CoA 1、 反应式： 此反应在真核细胞的线粒体基质中进行，这是连接糖酵解与TCA的中心环节。 2、 丙酮酸脱氢酶系 丙酮酸脱氢酶系是一个十分庞大的多酶体系，位于线粒体膜上，电镜下可见。 E.coli丙酮酸脱氢酶复合体： 分子量：4.5×106，直径45nm，比核糖体稍大。 酶 辅酶 每个复合物亚基数 丙酮酸脱羧酶（E1） TPP 24 二氢硫辛酸转乙酰酶（E2） 硫辛酸 24 二氢硫辛酸脱氢酶（E3） FAD、NAD+ 12 此外，还需要 CoA、Mg2+作为辅因子 这些肽链以非共价键结合在一起，在碱性条件下，复合体可以解离成相应的亚单位，在中性时又可以重 组为复合体。所有丙酮酸氧化脱羧的中间物均紧密结合在复合体上，活性中间物可以从一个酶活性位置转到 另一个酶活性位置，因此，多酶复合体有利于高效催化反应及调节酶在反应中的活性。 3、 反应步骤 P 93 反应过程 （1）丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP CH3COCOOH + CoA-SH + NAD+ 丙酮酸脱氢酶复合体 CH3CO-S-CoA + NADH + H+ + CO2
(2)二氢硫辛酸乙酰转移酶(E)使羟乙基氧化成乙酰基 (3)E2将乙酰基转给CoA,生成乙酰CoA (4)B3氧化E上的还原型二氢硫辛酸 (5)B3还原NAD生成NADH 4、丙酮酸脱氢酶系的活性调节 从丙酮酸到乙酰CoA是代谢途径的分支点,此反应体系受到严密的调节控制,此酶系受两种机制调节 (1)可逆磷酸化的共价调节 丙酮酸脱氢酶激酶(EA)(可被AP激活) 丙酮酸脱氢酶磷酸酶(EB) 磷酸化的丙酮酸脱氢酶(无活性) 去磷酸化的丙酮酸脱氢酶(有活性) (2)别构调节 ATP、CoA、NADH是别构抑制剂 ATP抑制E1 CoA抑制E2 NADH抑制E3 5、能量 1分子丙酮酸生成1分子乙酰CoA,产生1分子NADH(3ATP) 二、三羧酸循环(TCA)的过程 TCA循环:每轮循不有2个C原子以乙酰CoA形式进入,有2个C原子完全氧化成CO2放出,分别发 生4次氧化脱氢,共释放12ATP。 反应步骤 P95图13-9概述三羧酸循环 (1)、乙酰CoA+草酰乙酸一柠檬酸 反应式 柠檬酸合酶,TCA中第一个调节酶:受AT、NADH、琥珀酰CoA、和长链脂肮酰CoA的抑制;受乙 酰CoA、草酸乙酸激活。 柠檬酸合酶上的两个Hs残基起重要作用 一个与草酰乙酸羰基氧原子作用,使其易受攻击;另一个促进乙酰CoA的甲基碳上的质子离开,形成烯 醇离子,就可与草酰乙酸缩合成CC键,生成柠檬酰CoA,后者使酶构象变化,使活性中心增加一个Aφ 残基,捕获水分子,以水解硫酯键,然后CoA和柠檬酸相继离开酶
８ （2）二氢硫辛酸乙酰转移酶（E2）使羟乙基氧化成乙酰基 （3）E2将乙酰基转给 CoA，生成乙酰-CoA （4）E3氧化E2上的还原型二氢硫辛酸 （5）E3还原NAD+生成NADH 4、 丙酮酸脱氢酶系的活性调节 从丙酮酸到乙酰 CoA是代谢途径的分支点，此反应体系受到严密的调节控制，此酶系受两种机制调节。 （1）可逆磷酸化的共价调节 丙酮酸脱氢酶激酶（EA）（可被 ATP 激活） 丙酮酸脱氢酶磷酸酶（EB） 磷酸化的丙酮酸脱氢酶（无活性） 去磷酸化的丙酮酸脱氢酶（有活性） （2）别构调节 ATP、CoA、NADH 是别构抑制剂 ATP 抑制E1 CoA 抑制E2 NADH 抑制E3 5、 能量 1 分子丙酮酸生成1 分子乙酰CoA，产生1 分子NADH（3ATP）。 二、 三羧酸循环（TCA）的过程 TCA 循环：每轮循环有2 个C 原子以乙酰 CoA形式进入，有 2个C 原子完全氧化成 CO2放出，分别发 生 4 次氧化脱氢，共释放12ATP。 1、 反应步骤 P95 图 13-9 概述三羧酸循环 （1）、 乙酰 CoA+草酰乙酸→柠檬酸 反应式： 柠檬酸合酶，TCA 中第一个调节酶：受 ATP、NADH、琥珀酰 CoA、和长链脂肪酰 CoA的抑制；受乙 酰 CoA、草酸乙酸激活。 柠檬酸合酶上的两个His 残基起重要作用： 一个与草酰乙酸羰基氧原子作用，使其易受攻击；另一个促进乙酰CoA 的甲基碳上的质子离开，形成烯 醇离子，就可与草酰乙酸缩合成 C-C 键，生成柠檬酰 CoA，后者使酶构象变化，使活性中心增加一个 Asp 残基，捕获水分子，以水解硫酯键，然后CoA 和柠檬酸相继离开酶
氟乙酰CoA可与草酰乙酸生成氟柠檬酸,制下一步反应的酶,据此,可以合成杀虫剂、灭鼠药。 图 氟乙酸本身无毒,氟柠檬酸是乌头酸酶专的抑制剂,氟柠檬酸结喆合到乌头酸酶的活性部位上,并封闭 之,使需氧能量代谢受毒害。它存在于某些有毒植物叶子中,是已知最能致死的简单分子之一。LDυ为 0.2mgKg体重,它比强烈的神经毒物二异丙基氟磷酸的LDs小一个数量级。 (2)、柠檬酸异柠檬酸 反应式 这是一个不对称反应,由顺鸟头酸酶催化 Pl01图13-12顺乌头酸酶与柠檬酸的不对称结合 顺鸟头酸酶只能以两种旋光异构方式中的_种与柠檬酸结合,结果,它催化的第一步脱水反应中的氢全 来自草酰乙酸部分,第二步的水合反应中的OH也只加在草酰乙酸部分。这种酶与底物以特殊方式结合(只 选择两种顺反异构或旋光异构中的_种结合方式)进行的反应称为不对称反应。结果,T℃A第轮循环释放 的CO全来自草酰乙酸部分,乙酰CoA羰基碳在第_轮循环中释放,甲基碳在第三轮循环中释放50%σ,以 后每循环一轮释放余下的50 柠檬酸上的羟基是个叔醇,无法进步被氧化。因此,柠檬酸需转变成异柠檬酸,将不能被氧化的叔醇, 转化成可以被氧化的仲醇。 ∞0%柠檬酸、4%顺乌头酸、6%异柠檬酸组成平衡混合物,但柠檬酸的形成及异柠檬酸的氧化都是放能 反应,促使反应正向进行。 3)、异柠檬氧化脱羰生成α酮戊二酸和NDH 反应式 这是三羧酸循环中第一次氧化脱羧反应,异柠檬酸脱氢酶,TCA中第二个调节酶: Mg2+(Mm2)、NAD和ADP可活化此酶,NADH和ATP可抑制此酶活性。 细胞在髙能状态: ATP/AD、 NADHINAD比值高时,酶活性被抑制。 线粒体内有二种异柠檬酸脱氢酶,一种以NAD为电子受体,另·种以NADP为受体。前者只在线粒体 中,后者在线粒体和胞质中都有 (4)、a靦成一酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA和NADH 反应式 α-酮戊二酸脱氢酶系,TA循环中的第三个调节酶:受NADH、琥珀酰CoA、Ca2+、ATP、GIP抑制 α-酮戊二酸脱氢酶系为多酶复合体,与丙酮酸脱氢酶系相似(先脱羧,后脱氢) 琥珀酰CoA生成琥群珀酸和GIP 反应式
９ 氟乙酰 CoA 可与草酰乙酸生成氟柠檬酸，抑制下一步反应的酶，据此，可以合成杀虫剂、灭鼠药。 图 氟乙酸本身无毒，氟柠檬酸是乌头酸酶专一的抑制剂，氟柠檬酸结合到乌头酸酶的活性部位上，并封闭 之，使需氧能量代谢受毒害。它存在于某些有毒植物叶子中，是已知最能致死的简单分子之一。LD50 为 0.2mg/Kg 体重，它比强烈的神经毒物二异丙基氟磷酸的LD50小一个数量级。 （2）、 柠檬酸→异柠檬酸 反应式： 这是一个不对称反应，由顺鸟头酸酶催化 P 101 图 13—12 顺乌头酸酶与柠檬酸的不对称结合 顺乌头酸酶只能以两种旋光异构方式中的一种与柠檬酸结合，结果，它催化的第一步脱水反应中的氢全 来自草酰乙酸部分，第二步的水合反应中的 OH 也只加在草酰乙酸部分。这种酶与底物以特殊方式结合（只 选择两种顺反异构或旋光异构中的一种结合方式）进行的反应称为不对称反应。结果，TCA 第一轮循环释放 的 CO2全来自草酰乙酸部分，乙酰 CoA 羰基碳在第二轮循环中释放，甲基碳在第三轮循环中释放 50%，以 后每循环一轮释放余下的50%。 柠檬酸上的羟基是个叔醇，无法进一步被氧化。因此，柠檬酸需转变成异柠檬酸，将不能被氧化的叔醇， 转化成可以被氧化的仲醇。 90%柠檬酸、4%顺乌头酸、6%异柠檬酸组成平衡混合物，但柠檬酸的形成及异柠檬酸的氧化都是放能 反应，促使反应正向进行。 （3）、 异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸和 NADH 反应式： 这是三羧酸循环中第一次氧化脱羧反应，异柠檬酸脱氢酶，TCA 中第二个调节酶： Mg 2+（Mn 2+ ）、NAD+和ADP 可活化此酶，NADH和ATP 可抑制此酶活性。 细胞在高能状态：ATP/ADP、NADH/NAD+比值高时，酶活性被抑制。 线粒体内有二种异柠檬酸脱氢酶，一种以 NAD+为电子受体，另一种以 NADP+为受体。前者只在线粒体 中，后者在线粒体和胞质中都有。 （4）、 α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰 CoA 和NADH 反应式： α-酮戊二酸脱氢酶系，TCA 循环中的第三个调节酶：受 NADH、琥珀酰 CoA、Ca2+、ATP、GTP 抑制 α-酮戊二酸脱氢酶系为多酶复合体，与丙酮酸脱氢酶系相似（先脱羧，后脱氢） （5）、 琥珀酰 CoA 生成琥珀酸和GTP 反应式：
琥珀酰CoA合成酶(琥珀酸硫激酶) 这是TCA中唯一的底物水平磷酸化反应,直接生成GTP 在高等植物和细菌中,硫酯键水解释放出的自由能,可直接合成AIPε 在哺乳动物中,先合成GTP,然后在核苷二磷酸激酶的作用下,GT转化成AIP。 (6)、琥珀酸脱氢生成延胡索酸(反丁烯二酸)和FADH 反应式 琥珀酸脱氢酶是TCA循环中唯嵌入线粒体内膜的酶。 丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂,可阻断三羧酸循环。 (7)、延胡索酸水化生成L苹果酸 反应式 延胡索酸酶具有立体异构特性,OH只加入延胡索酸双键的侧,因此只形成L-型苹果酸。 (8)、L-苹果酸脱氢生成草酰乙酸和NDH 反应式 L-苹果酸脱氢酶 平衡有利于逆反应,但生理条件下,反应产物草酰乙酸不断合成柠檬酸,其在细胞中浓度极低,少于 10-moML,使反应向右进行。 2、TCA循环小结 (1)、三羧酸循示意图(标出C编号的变化 P95图13-9 总反应式 丙酮酸+4NAD+FAD+GDP→4NADH+FADH2+GIP+3CO2+H2O 乙酰CoA+3NAD++FAD+GDP→3NADH+FADH+GTP+2CO2+HO (3)、一次底物水平的磷酸化、二次脱羧反应三个调节位点四次脱氢版应。 3NADH、FADH进入呼吸链 (4)、三羧酸循环碳骨架的不对称反应 同位素标记表明,乙酰CoA上的两个C原子在第轮TCA上并没有被氧化。 被标记的羰基碳在第二轮TCA中脱去。 在第三轮TA中,两次脱羧,可除去最初甲基碳的50%,以后每循环一次,脱去余下甲基碳的50% ◆问题:标记 Glucose的第二位碳原子,跟踪EMP、TCA途径,C2的去向
１０ 琥珀酰 CoA 合成酶（琥珀酸硫激酶） 这是 TCA中唯一的底物水平磷酸化反应，直接生成GTP。 在高等植物和细菌中，硫酯键水解释放出的自由能，可直接合成ATP。 在哺乳动物中，先合成GTP，然后在核苷二磷酸激酶的作用下，GTP 转化成ATP。 （6）、 琥珀酸脱氢生成延胡索酸（反丁烯二酸）和FADH 反应式： 琥珀酸脱氢酶是TCA循环中唯一嵌入线粒体内膜的酶。 丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂，可阻断三羧酸循环。 （7）、 延胡索酸水化生成L-苹果酸 反应式： 延胡索酸酶具有立体异构特性，OH只加入延胡索酸双键的一侧，因此只形成L-型苹果酸。 （8）、 L-苹果酸脱氢生成草酰乙酸和NADH 反应式： L-苹果酸脱氢酶 平衡有利于逆反应，但生理条件下，反应产物草酰乙酸不断合成柠檬酸，其在细胞中浓度极低，少于 10-6mol/L，使反应向右进行。 2、 TCA 循环小结 （1）、 三羧酸循环示意图（标出 C 编号的变化） P95 图 13-9 （2）、 总反应式： 丙酮酸 + 4NAD+ + FAD + GDP → 4NADH + FADH2 + GTP + 3CO2 + H2O 乙酰 CoA + 3NAD+ + FAD + GDP → 3NADH + FADH2 + GTP + 2CO2 + H2O （3）、 一次底物水平的磷酸化、二次脱羧反应，三个调节位点，四次脱氢反应。 3NADH、FADH2进入呼吸链 （4）、 三羧酸循环中碳骨架的不对称反应 同位素标记表明，乙酰CoA 上的两个 C原子在第一轮 TCA上并没有被氧化。 被标记的羰基碳在第二轮TCA中脱去。 在第三轮 TCA 中，两次脱羧，可除去最初甲基碳的50%，以后每循环一次，脱去余下甲基碳的50% ◆ 问题：标记Glucose的第二位碳原子，跟踪EMP、TCA途径，C2的去向