Chapter 4 Tricarboxylic acid cycle

Chapter 4 Tricarboxylic acid cycle
Chapter 4 Tricarboxylic acid cycle

Chapter 4 T ricarboxylic acid cycle 三羧酸循环(糖代谢Ⅱ) ※也叫:Citric acid cycle or Krebs cycle

4.1 生物氧化/细胞呼吸作用(cellular respiration )

有机物在机体内氧化分解成2CO 和O H 2,并释放能量的过程。

2.分三阶段:乙酰CoA 的生成→乙酰CoA 的彻底氧化。(TCA cycle )→电子传递和氧化磷酸化。

3.特点:

a.是体温条件进行的一系列酶促反应,逐步氧化释放能量。

b.产生的能量绝大多数以化学能形式储存于一些特殊化合物中,主要是A TP 。 4.2 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA

※联系糖酵解和三羧酸循环的中心环节

1.反应部位:线粒体基质(真核细胞) 丙酮酸通过特异的运输蛋白(pyruvate carrier )进入线粒体。

2.氧化脱羧反应由丙酮酸脱氢酶复合体(丙酮酸脱氢酶系)催化。该复合体由三个酶和五个辅酶或辅基组成,是一个庞大的多亚基聚合体。

※丙酮酸脱氢酶复合体(pyruvate dehydrogenase complex ) E1:pyruvate dehydrogenase (丙酮酸脱氢酶);E2::dihydrolipoyl transacetylase (二氢硫辛酸乙酰转移酶);E3:dihydrolipoyl dehydrogenase (二氢硫辛酸脱氢酶) ※辅酶/辅基

TPP: thiamine pyrophosphate (焦磷酸硫胺素):acyl (酰基) carrier

FAD: flavin adenine dinucleotide (黄素腺嘌呤二核苷酸):electron carrier CoA: coenzyme A (辅酶A ):acyl (酰基) carrier

NAD+: nicotinamide adenine dinucleotide (尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸):electron carrier Lipoate (硫辛酸):both as an acyl carrier and an electron carrier

the flexible lipoamide arms covalently attached to E2

3.氧化脱羧反应经历5步反应:

丙酮酸脱氢酶复合体的反应机制精巧而又复杂。三种酶结构上的整合使得一系列复杂的反应得以迅速协调进行。(Substrate channeling )

4.3 三羧酸循环

4.3.1 概况

1.反应部位:真核细胞的线粒体和原核细胞的胞浆。

2.三羧酸循环是一个环式代谢途径。2C的乙酰基以乙酰CoA的形式加入循环,首先和草酰乙酸反应,经过8步反应(其中4步是氧化反应),释放2

CO和能量,最后再生一个草酰

2

乙酸。循环中的中间代谢物没有任何净增长。

4.3.2 TCA反应过程

柠檬酸合酶的诱导

契合:柠檬酸合酶先

结合草酰乙酸,然后

才能结合乙酰CoA,

避免乙酰CoA水解

的副反应。

Malonate(丙二酸)as an strong inhibitor.

琥珀酸脱氢酶是TCA中唯一在线粒体内膜中的酶,直接与呼吸链相连。

三羧酸循环小结:

TCA不但是生物氧化的重要途径,也是提供合成其他物质前体的重要途径。虽然氧气不直接参与TCA,但TCA只有在氧存在的条件下才能进行。中间代谢物没有净增长。调节取决于细胞对能量的需求以及对某些生物合成底物的需求。

4.3.3 能量计算

通过氧化磷酸化,1分子NADH产生2.5A TP,1分子FADH2产生1.5A TP。(见第5章)

1分子葡萄糖彻底氧化产生30~32A TP。

标准条件下,整个过程能量转化效率可达34%(实际可接近65%)。

4.3.4 三羧酸循环对生物合成前体的供应及其回补反应(Anaplerotic reactions )

1.中间代谢物可作为合成葡萄糖、氨基酸、核苷酸、脂肪酸、胆固醇、胆红素等物质的前体,用于合成途径的前提是必需通过回补反应来补充,这样才能维持TCA的正常进行。

2.四个常见的回补反应

4.4 三羧酸循环的调节

※丙酮酸脱氢酶复合体的调节:

1.丙酮酸脱氢酶复合体的别构抑制剂是一些反应产物和高能荷信号分子,如A TP、乙酰CoA、NADH、脂肪酸等;别构激活剂是一些低能荷信号分子,如AMP、CoA、NAD+、Ca2+等。(产物抑制和能量控制)

2.共价修饰(真核细胞的主要方式):丙酮酸脱氢酶复合体中有两个调节蛋白,一个是磷酸激酶,另一个是磷酸酶。磷酸化位点是E1中的Ser残基。

※三羧酸循环的调节:

1.三羧酸循环中三步不可逆的放能反应是其调节位点。

2.催化这三步反应的酶受到产物反馈抑制(如柠檬酸、琥珀酰CoA等),也受到高能荷物质抑制(如A TP、NADH等)。

3.催化这三步反应的酶受到低能荷物质(如ADP等)或能量需求信号(如Ca2+)激活。

4.由于三羧酸循环的中间物可作为前体用于生物合成,因此底物的浓度对于调节也是比较重要的。(如草酰乙酸)

4.5 丙酮酸代谢障碍与疾病

4.5.1 脚气病(Beriberi)

发病机理:V itB1缺乏导致丙酮酸无法进入TCA,使以葡萄糖为唯一能源来源的神经系统供能出现障碍。

4.5.2 汞中毒与亚砷酸盐(AsO2-)中毒

发病机理:两种化合物与丙酮酸脱氢酶E2中的二氢硫辛酸的两个-SH结合,导致酶失活,从而丙酮酸代谢出现障碍,出现类似脚气病的症状。

4.6 乙醛酸循环(Glyoxylate cycle)

1.乙醛酸循环是三羧酸循环的修改形式。在植物、一些无脊椎动物和一些微生物中存在,但不存在于脊椎动物中。

2.反应部位:乙醛酸循环体(glyoxysome)

3.生理意义:是乙酸或乙酸盐转化为糖的途径。如在种子发芽时,能将脂肪转化为糖。

※反应过程与TCA主要不同之

处:

1.两步不同的反应。

2. 结果是2个乙酰CoA进入循

环,释放出一个琥珀酸。

乙醛酸循环和TCA共有的酶属

于同工酶。

乙醛酸循环往往存在于发芽种

子中,使脂肪转化为糖,氧化获

得发芽所需的能量。

※种子发芽时,如何将脂肪转化为糖?

1. FA breakdown to acetyl-CoA or FA b-oxidation ( in glyoxysomes)

2. Glyoxysome cycle ( in glyoxysomes)

3. Citric acid cycle ( in mt )

4. Gluconeogenesis( in the cytosol)

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