三羧酸循环TCA课件.ppt

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1、 第 四 节 三 羧 酸 循 环 （ TCA） 三 羧 酸 循 环 的 概 念 ： 1937年 德 国 生 物 学 家 Krebs （ 克 雷 布 斯 ，1953年 因 此 获 诺 贝 尔 奖 ） 阐 明 ： 乙 酰 CoA的 继 续分 解 是 一 个 环 式 反 应 体 系 ， 起 点 是 乙 酰 CoA与 草酰 乙 酸 结 合 为 具 有 三 个 羧 基 的 柠 檬 酸 ， 故 称 为 三羧 酸 循 环 （ tricarboxylic acid） ， 又 叫 TCA循 环 ，Krebs循 环 ， 由 于 该 循 环 的 第 一 个 产 物 是 柠 檬 酸 ，又 叫 柠 檬 酸 循 环 。

2、它 不 仅 是 糖 代 谢 的 主 要 途 径 ， 也 是 蛋 白 质 、脂 肪 分 解 代 谢 的 最 终 途 径 。 三 羧 酸 循 环 的 细 胞 定 位 ： 线 粒 体 内 一 、 丙 酮 酸 的 氧 化 脱 羧 丙 酮 酸 脱 氢 酶 系 是 一 个 多 酶 复 合 体 ， 组成 如 下 ： 调 控 酶 ： 丙 酮 酸 脱 氢 酶 PDH、 二 氢 硫 辛 酸 转乙 酰 基 酶 DLT、 二 氢 硫 辛 酸 脱 氢 酶 DLDH 辅 助 因 子 ： 硫 胺 素 焦 磷 酸 酯 TPP、 硫 辛 酸 、HSCoA、 NAD 、 Mg2 、 FAD。 丙 酮 酸 氧 化 脱 羧 的 调

3、控 ： 1、 当 细 胞 内 ATP、 乙 酰 CoA、 NADH含 量 同 时增 加 时 ， PDH磷 酸 化 作 用 加 强 ， 阻 碍 丙 酮 酸氧 化 脱 羧 。 反 之 则 反 。 2、 乙 酰 CoA和 NADH可 分 别 抑 制 DLT和 DLDH的活 性 ， 阻 止 氧 化 脱 羧 。 丙 酮 酸 的 氧 化 脱 羧 是 连 接 EMP和 TCA的 纽 带 ， 其 反 应 本 身 并 未 进 入 TCA， 但 是 是所 有 糖 进 入 TCA的 必 由 之 路 。 二 、 三 羧 酸 循 环 概 要 TCA循 环 一 轮 分 10步 完 成 。 来 自 丙 酮 酸脱 氢 脱 羧

4、 后 的 乙 酰 基 （ C2单 位 ） 由 CoA带 着进 入 TCA， 第 一 步 是 C2与 一 个 C4化 合 物 （ 草酰 乙 酸 ） 结 合 成 C6化 合 物 （ 柠 檬 酸 ） ， 然 后经 过 2次 脱 羧 （ 生 成 2个 CO2） 和 4次 脱 氢 （ 生成 3NADH 1FADH2） ， 还 产 生 1个 GTP（ 高能 化 合 物 ） ， 最 终 回 到 C4化 合 物 （ 草 酰 乙酸 ） ， 结 束 一 轮 循 环 。 1个 C 2单 位 被 分 解 为 2CO2。 TCA 简图 三 、 生 化 历 程 1、 乙 酰 CoA与 草 酰 乙 酸 及 H2O缩 合 生

5、成 柠 檬 酸 ， 放 出 HSCoA。 H2O 不 可 逆 2、 柠 檬 酸 脱 水 生 成 顺 乌 头 酸 +H2O 可 逆 3、 顺 乌 头 酸 与 H2O加 成 ， 生 成 异 柠 檬 酸 异 构 化 反 应 H2O 可 逆 通 过 23步 ， 将 柠 檬 酸 异 构 化 为异 柠 檬 酸 。 实 质 是 将 前 者 的 OH从 C2变 到 了 后 者 的 C3， 成 为 仲 醇 （ 由 叔 醇 变为 仲 醇 ） ， 更 易 氧 化 。 45、 异 柠 檬 酸 氧 化 脱 羧 生 成 酮 戊 二 酸 第 一 次 脱 氢 脱 羧 可 逆 消 耗 1NAD ， 生 成 1NADH H ，

6、1CO2 该 酶 是 别 构 酶 ， 激 活 剂 是 ADP， 抑制 剂 是 NADH、 ATP。 有 两 种 同 工 酶 ： 以 NAD 为 电 子 受 体 ， 存 在 于 线 粒 体中 ， 需 Mg2 。 以 NADP 为 电 子 受 体 ， 存 在 于 胞液 中 ， 需 Mn2 。 6、 酮 戊 二 酸 氧 化 脱 羧 生 成 琥 珀 酰 CoA 第 二 次 脱 氢 脱 羧 不 可 逆 消 耗 1NAD ， 生 成 1NADH H ， 1CO2 生 成 一 个 高 能 键 “ ” ， 此 步类 似 于 丙 酮 酸 的 氧 化 脱 羧 。 酮 戊 二 酸 脱 氢 酶 系 包 括 ： 酮 戊

7、 二 酸 脱 氢 酶 二 氢 硫 辛 酸 转 琥 珀 酰 基 酶 二 氢 硫 辛 酸 脱 氢 酶 7、 琥 珀 酸 的 生 成 底 物 磷 酸 化 生 成 1ATP 可 逆 是 TCA中 唯 一 直 接 产 生 ATP的 反 应 ， 属于 底 物 磷 酸 化 。 区 别 ： EMP： 高 能 磷 酸 基 团 直 接 转 移 给 ADP放 能 TCA： 琥 珀 酰 CoA中 的 高 能 键 硫 酯键 水 解 放 能 8、 琥 珀 酸 氧 化 生 成 延 胡 索 酸 第 三 次 脱 氢 （ FAD脱 氢 ） 可 逆 生 成 1FADH2 该 酶 结 合 在 线 粒 体 内 膜 上 ， 丙 二酸 是

8、 竞 争 性 抑 制 剂 9、 延 胡 索 酸 水 化 生 成 苹 果 酸 水 化 作 用 可 逆 消 耗 1H2O 10、 苹 果 酸 脱 氢 氧 化 生 成 草 酰 乙 酸 第 四 次 脱 氢 可 逆 消 耗 1NAD ， 生 成 1NADH H 总 反 应 式 ： 乙 酰 CoA 3NAD FAD GDP Pi 2H2O 2CO2 3NADH 3H FADH2 GTP HSCoA 四 、 化 学 量 计 算（ 一 ） 物 质 量 计 算 1mol乙 酰 CoA 2 molCO2+1molCoA（ 二 ） 能 量 计 算1、 计 算 1mol乙 酰 CoA彻 底 氧 化 分 解 产 生 的

9、 ATP的 数 目 1+3 3+1 2=12molATP2、 计 算 1molG彻 底 氧 化 分 解 产 生 的 ATP的 数 目 （ 原 核 生 物 ） G 丙 酮 酸 乙 酰 CoA CO 2+ H2O EMP TCA 第 一 阶 段 ： G 2mol丙 酮 酸 EMP阶 段 净 生 成 2molATP， 2mol（ NADH H ） 第 二 阶 段 ： 2mol丙 酮 酸 2mol乙 酰 CoA 净 生 成 2mol（ NADH H ） ， 2 molCO2 第 三 阶 段 ： 2mol乙 酰 CoA经 TCA彻 底 氧 化 分 解 净 生 成 2 1ATP， 2 3mol（ NADH

10、 H ） ， 2 1 molFADH2， 2 2 molCO2 由 于 氧 化 磷 酸 化 ， 1mol（ NADH H ） 可 生 成 3molATP, 1 molFADH2可 生 成 2molATP。 因 此 ： 第 一 阶 段 ： 净 生 成 8molATP 第 二 阶 段 ： 净 生 成 6molATP， 2 molCO2 第 三 阶 段 ： 净 生 成 24molATP， 4 molCO2 共 净 生 成 38molATP， 6molCO2 真 核 生 物 中 ， 共 净 生 成 36molATP， 6molCO2 TCA的 运 转 必 须 通 过 O2条 件 下 才 能 运 转 ，

11、实 际 上 O2并 不 直 接 参 加 TCA， 那 么 O2在 何 处 参加 反 应 呢 ？ TCA除 了 产 生 1个 GTP外 ， 另 外 的 能 量均 潜 在 3NADH和 1FADH2中 ， 为 了 TCA的 运转 ， NAD 和 FAD必 须 再 生 。 NAD 和 FAD的 再 生 则 是 通 过 DADH和 FADH2进 入 电 子 传递 链 ， 将 H交 给 O2， 释 放 潜 能 生 成 ATP而 实现 。 所 以 ， TCA的 运 转 必 须 有 O2。 五 、 生 物 学 意 义 1、 TCA循 环 是 生 物 体 获 能 的 主 要 途 径 ， 远 比 无 氧 分 解

12、 产生 的 能 量 多 。 2、 TCA是 生 物 体 各 有 机 物 质 代 谢 的 枢 纽 。 糖 、 脂 肪 、 氨基 酸 的 彻 底 分 解 都 需 通 过 TCA途 径 ， 而 TCA中 的 许 多 中 间产 物 如 草 酰 乙 酸 、 酮 戊 二 酸 、 琥 珀 酰 CoA等 又 是 合 成糖 、 氨 基 酸 等 的 原 料 。 3、 TCA是 发 酵 产 物 重 新 氧 化 进 入 有 氧 分 解 的 途 径 。 4、 TCA的 某 些 中 间 产 物 还 是 体 内 积 累 成 分 ， 如 柠 檬 酸 、苹 果 酸 是 柑 桔 、 苹 果 等 果 实 的 重 要 成 分 ， 在

13、 储 藏 期 ， 酸 作为 呼 吸 基 质 被 消 耗 。 果 实 的 糖 /酸 比 是 衡 量 果 实 品 质 的 一项 指 标 。 六 、 三 羧 酸 循 环 的 调 控 三 个 调 控 位 点 ： 柠 檬 酸 合 成 酶 、 异 柠 檬 酸 脱氢 酶 、 酮 戊 二 酸 脱 氢 酶 所 催 化 的 三 个 反 应 。 1、 NAD /NADH的 比 值 高 ： TCA循 环 生 成 的 产 物 不 能 满 足 细 胞 自 身的 需 要 ， 三 种 酶 被 激 活 ， 酶 发 挥 催 化 功 能 ， 速 度加 快 。 低 ： 大 量 的 NADH抑 制 酶 的 活 性 ， 使 TCA循 环

14、减 速 。 2、 ATP， 琥 珀 酰 CoA抑 制 柠 檬 酸 合 成 酶 、 酮 戊二 酸 脱 氢 酶 的 活 性 ， 使 TCA循 环 减 速 。 异 柠 檬 脱 氢 酶 受 ATP抑 制 ， 被 ADP激 活 。 3、 丙 酮 酸 脱 氢 酶 系 的 调 节 见 前 细 胞 中 ATP浓 度 越 高 时 ， TCA速 度 下 降 ； NAD /NADH的 比 值 越 高 时 ， TCA速度 越 快 。 七 、 三 羧 酸 循 环 的 回 补 效 应 产 生 草 酰 乙 酸 的 途 径 主 要 有 ： 1、 丙 酮 酸 羧 化 酶 催 化 丙 酮 酸 羧 化 生 成 草 酰 乙 酸 位

15、于 动 物 肝 脏 和 肾 脏 的 线 粒 体 中 OCCOOH CH3COCOOH+CO2+ATP+H2O CH2COOH +ADP+Pi Mg2+,生 物 素 2、 磷 酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 羧 化 酶 催 化 PEP生 成 草 酰 乙 酸 植 物 、 细 菌 等 ， PEP羧 化 酶 催 化 CH2CCOOH + H2O+ CO2O=CCOOH +Pi | OP CH2COOH 3、 磷 酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 羧 激 酶 催 化 PEP生 成 草 酰 乙 酸 心 脏 、 骨 骼 肌 中 ， PEP羧 激 酶 催 化 PEP+CO2+GDPO=CCOOH +GTP CH2COO

16、H 4、 由 苹 果 酸 酶 、 苹 果 酸 脱 氢 酶 催 化 使丙 酮 酸 生 成 草 酰 乙 酸 原 核 、 真 核 中 广 泛 存 在 的 苹 果 酸 酶 催 化 CH3COCOOH+CO2+NADPH+H+ HOCHCOOH +NADP+ CH2COOH 再 由 苹 果 酸 脱 氢 酶 催 化 ：HOCHCOOH +NAD + O=CCOOH CH2COOH + NADH+H+ CH2COOH 5、 酮 戊 二 酸 和 Asp 经 转 氨 作 用 生 成 Glu和 草 酰 乙 酸 第 五 节 磷 酸 戊 糖 途 径 （ HMP PPP） 磷 酸 戊 糖 途 径 的 概 念 ： 是 G

17、分 解 的 另 一 条 途 径 : 在 6PG上 直 接 氧 化 ， 再 分 解 产 生 5P核 糖 。 磷 酸 戊 糖 途 径 PPP： Pentose Phosphate Pathway 己 糖 磷 酸 途 径 HMP： Hexose Monophosphate Pathway 磷 酸 己 糖 支 路 HMS： Hexose Monophosphate Shunt G直 接 氧 化 途 径 DOPG： Direct Oxidation Pathway of Glucose HMP的 阐 明 起 始 于 1931年 Warburg对 6PG脱 氢 酶 的研 究 ， 后 人 在 此 基 础 上

18、 加 以 完 善 。 实 验 证 明 ：（ 1） 在 组 织 中 加 入 EMP抑 制 剂 碘 乙 酸 或 碘 乙 酰 胺（ ICH2COOH或 ICH2CONH2） 后 ， 它 抑 制 3PG脱 氢 酶 的 活性 （ 3PG 1， 3DPG） ， 但 有 些 微 生 物 仍 能 将 G CO2 H2O， 说 明 另 有 途 径 。（ 2） 用 同 位 素 14C标 记 C1和 C6 ， 如 果 是 EMP、 TCA， 那 么 生成 的 14C1O2和 14C6O2 分 子 数 应 相 等 ， 但 实 验 表 明 14C1 更 容 易氧 化 为 CO2， 说 明 另 有 途 径 。 说 明 G

19、分 解 的 主 要 途 径 是 EMP和 TCA， 但 并 非 唯 一 途 径 ，HMP也 是 G分 解 的 途 径 ， 只 是 在 6PG上 直 接 氧 化 。 细 胞 定 位 ： 胞 液 一 、 磷 酸 戊 糖 途 径 概 要 以 6PG为 起 始 物 ， 经 过 两 个 阶 段 共 8步 反 应 ， 最 后 重 新 生 成 6PG的 过 程 。 HMP概 要 特 点 ： G直 接 脱 氢 或 脱 羧 ， 不 经 过 三碳 糖 阶 段 。 HMP属 于 有 氧 分 解 还 是 无 氧 分 解 ？ O2不 参 加 HMP， 但 认 为 HMP是 需氧 的 代 谢 途 径 ， 因 为 可 以

20、肯 定 的 是 ：HMP是 需 氧 生 物 的 某 些 组 织 、 器 官 中 较旺 盛 的 代 谢 途 径 ， 而 且 与 EMP、 TCA相联 系 。 二 、 生 化 历 程（ 一 ） 不 可 逆 的 氧 化 阶 段 （ 1-3） 1、 6PG 6P葡 萄 糖 酸 内 酯 可 逆 2、 6P葡 萄 糖 酸 内 酯 水 解 生 成 6P葡 萄 糖 酸 不 可 逆 3、 6P葡 萄 糖 酸 脱 氢 脱 羧 生 成 5P 核 酮 糖 （ 5PRu） 不 可 逆 13步 （ 二 ） 可 逆 的 非 氧 化 阶 段 （ 48） 戊 糖 互 变 4、 5P 核 酮 糖 （ 5PRu） 异 构 化 为

21、5P核 糖 （ 5PR） 官 能 团 异 构 5、 5P 核 酮 糖 （ 5PRu） 异 构 化 为 5P木 酮 糖 （ 5PXu） 差 向 异 构 45步 6-8步 ， 基 团 移 位 反 应 通 过 转 酮 酶 和 转 醛 酶 的 催 化 作 用 ， 将 一 酮 糖 分子 的 酮 醇 基 转 移 给 另 一 醛 糖 分 子 上 ， 形 成 新 的 醛 糖和 酮 糖 。 转 酮 酶 专 门 催 化 乙 酮 醇 基 转 移 转 醛 酶 专 门 催 化 二 羟 丙 酮 基 转 移 通 过 C5、 C4、 C7、 C3、 C6只 见 的 基 团 转 移 反应 ， 实 现 了 糖 分 子 之 间 的

22、 转 变 ， 最 终 生 成 6PF HMP的 两 个 关 键 酶转 酮 酶 或 转羟 乙 醛 基 酶 转 醛 酶 或 转 二羟 丙 酮 基 酶 6、 5PR 5PXu 3PG（ 3P甘 油 醛 ） 7PS（ 7P景 天 庚 酮 糖 ）将 5PXu的 乙 酮 醇 基 转 移 给 5PR。 7、 3PG 7PS 4PE（ 4P赤 藓 糖 ） 6PF 将 7PS-的 二 羟 丙 酮 基 转 移 给 3PG。 磷 酸 戊 糖 途 径 的 非 氧 化 阶 段 之 二（ 基 团 转 移 ）+ 2 4-磷 酸 赤 藓 糖 + 2 5-磷 酸 核 糖2 3-磷 酸 甘 油 醛 转 酮 酶 转 醛 酶 2 6

23、-磷 酸 果 糖+ 7-磷 酸 景 天 庚 酮 糖2 H 2 5-磷 酸 木 酮 糖 67步 8、 5PXu 4PE 3PG 6PF 将 5PXu的 乙 酮 醇 基 转 移 给 4PE。 基 团 转 移 （ 续 前 ）+2 4-磷 酸 赤 藓 糖 +23-磷 酸 甘 油 醛2 6-磷 酸 果 糖转 酮 酶2 5-磷 酸 木 酮 糖 然 后 ： 3PG DHAP 3PG+DHAP 1， 6FDP 2磷 酸 果 糖 酯 酶 磷 酸 己 糖 异 构 酶1， 6FDP 6PF H2O Pi 6PG H2O Pi1,6-二 磷 酸 果 糖23-磷 酸 甘 油 醛 6-磷 酸 果 糖醛 缩 酶 二 磷 酸

24、 果 糖 酯 酶磷 酸 戊 糖 途 径 的 非 氧 化 阶 段 之 三 （ 3-磷 酸 甘 油 醛 异 构 、 缩 合 与 水 解 ）异构酶 总 反 应 式 为 ：A式 ： 6 6PG 12NADP 6H2O 4 6PF 2 3PG 6CO2 12（ NADPH H ） 然 后 ： 2 3PG 1， 6DPG H2O 6PF Pi 6PF 6PG 因 此 得 到 B式 ：6PG 12NADP 7H2O 6CO2 12（ NADPH H ） Pi 所 以 ， HMP要 循 环 一 轮 ， 必 须 有 6个 6PG同 时 进 入 循 环 ， 但 最 终 只 有 1个 6PG被 彻 底 分解 为 6

25、CO2 12（ NADPH H ） Pi。 磷 酸 戊 糖 途 径 的 非 氧 化 分 子 重 排 阶 H2OPi 6 5-磷 酸 核 酮 糖2 5-磷 酸 核 糖2 5-磷 酸 木 酮 糖2 3-磷 酸 甘 油 醛 2 7-磷 酸 景 天 庚 酮 糖2 4-磷 酸 赤 藓 丁 糖2 6-磷 酸 果 糖 2 5-磷 酸 木 酮 糖2 3-磷 酸 甘 油 醛2 6-磷 酸 果 糖 1， 6-二 磷 酸 果 糖1 6-磷 酸 果 糖转 醛 酶异 构 酶转 酮 酶 转 酮 酶 醛 缩 酶 阶段之一阶段之二阶段 之三 三 、 化 学 量 计 算 1、 链 式 反 应 ：3 6PG 6NADP 3H2O

26、 2 6PF 3PG 3CO2 6（ NADPH H ） 2、 循 环 途 径 为 ：6 6PG 12NADP 6H2O 4 6PF 2 3PG 6CO 2 12（ NADPH H ） 四 、 生 物 学 意 义 1、 HMP产 生 大 量 的 NADPH， 为 细 胞 的 各 种 物 质 合成 反 应 提 供 主 要 的 还 原 力 （ 主 要 目 的 不 是 供 能 ） 。NADPH作 为 供 氢 体 ， 为 细 胞 中 脂 肪 酸 、 固 醇 、 四 氢叶 酸 FH4等 的 合 成 ， 硝 酸 盐 、 亚 硝 酸 盐 的 还 原 ， NH3的 同 化 等 所 必 需 。 2、 HMP的

27、中 间 产 物 是 许 多 化 合 物 的 合 成 原 料 （ 碳源 ） 。 3、 HMP与 光 合 作 用 密 切 相 关 ， 把 分 解 与 合 成 代 谢联 系 在 一 起 。 4、 HMP与 糖 的 有 氧 分 解 、 无 氧 分 解 密 切 相 关 。 五 、 HMP的 调 控 HMP与 细 胞 合 成 代 谢 相 关 。 NADPH和 5PR以 及 ATP的 需 要 量 是 决 定 6PG去 向 （ 是HMP还 是 EMP） 的 主 要 因 素 ， 从 而 调 节 HMP的 速率 ， 当 然 也 同 时 调 节 了 EMP速 率 。 就 HMP而 言 ， 关 键 的 调 控 位 是

28、 ： 6PG脱 氢 酶 催 化 的 不 可 逆 反 应 。 NADP浓 度 高 ， 6PG脱 氢 酶 活 性 强 ，速 率 快 。 6PG的 去 向 取 决 于 四 个 方 面 ： 1、 需 要 5PRNADPH： 6PG EMP 6PF和 3PG 逆 HMP84步 5PR 2、 需 要 5PR NADPH： 6PG HMP14步 5PR NADPH 3、 需 要 NADPH 5PR， 不 放 能 ， 仅 需 还 原力 ： 6 6PG HMP全 过 程 5 6PG 6CO2 12（ NADPH H ） 4、 需 要 NADPH 5PR， 提 取 还 原 力 和 能 量 ： 6PG HMP链 式 18步 6PF3PG EMP 丙 酮 酸 不 仅 提 供 NADPH， 而 且 放 能 。 5、 需 要 ATPNADPH： 6PG EMP TCA， 不 进 行 HMP。 生 物 工 程 教 研 室 赵 玉 宏Thanks!