三羧酸循環(huán) 檸檬酸循環(huán)

1、第23章 檸檬酸循環(huán),主要內(nèi)容,TCA準(zhǔn)備階段 TCA循環(huán)階段 TCA產(chǎn)能計(jì)算 TCA的調(diào)節(jié) TCA雙重作用,TCA背景知識(shí),1、為什么稱為檸檬酸循環(huán)、三羧酸循環(huán)（Tricarboxylic acid cycle, TCA） 、Krebs循環(huán)？ 在有氧的情況下，葡萄糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸氧化脫羧形成乙酰CoA。乙酰CoA經(jīng)一系列氧化、脫羧，最終生成C2O和H2O并產(chǎn)生能量的過(guò)程，稱為檸檬酸循環(huán)，亦稱為三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle), 簡(jiǎn)稱TCA循環(huán)。由于它是由H.A.Krebs（德國(guó)）正式提出的，所以又稱Krebs循環(huán)。,“It is convenient to u

2、se a brief term for the kind of scheme. Its essential feature is the periodic formation of a number of di- and tricarboxylic acids. As there is no term which would serve as a common denominator for all the various acids, it seemed reasonable to name the cycle,after one, or some, of its characteristi

3、c and specific acids. It was from such considerations that the term citric acid cycle was proposed in 1937.” （Hans A. Krebs, The citric acid cycle, Nobel Lecture, December 11, 1953）,Krebs, 1901-1981,Brief history of TCA,The first major investigation into the intermediary metabolism of oxidation was

4、that of Thunberg, who examined systematically the oxidizability of organic substances in isolated animal tissues. Between 1906 and 1920 he tested the oxidation of over 60 organic substances, chiefly in muscle tissue. He discovered the rapid oxidation of the salts of a number of acids, such as lactat

5、e(乳酸鹽), succinate(琥珀酸鹽), fumarate(延胡索酸鹽), malate(蘋果酸鹽), citrate(檸檬酸鹽), and glutamate(谷氨酸鹽).,In 1932, Krebs was studying the rates of oxidation of small organic acids by kidney and liver tissue. Only a few of substances were active in these experiments-notably succinate, fumarate, acetate, malate, an

6、d citrate.,An important development came from the laboratory of Szent-Gyorgyi of Szegedin 1935, who confirmed on pigeon breast muscle the rapid oxidation of the C4-dicarboxylic acids - succinic, fumaric, malic, and oxaloacetic acids - and arrived at the new conclusion that those dicarboxylic acids w

7、ere linked by an enzymatic pathway that was important for aerobic metabolism.,A decisive contribution to the field was made in March 1937 by Martius and Knoop, who discovered -ketoglutarate( - 酮戊二酸) as a product of citrate oxidation. Because it was already known that - ketoglutarate could be enzymat

8、ically oxidized to succinate, the pathway from citrate to oxaloacetate was seemed as:,In 1937, Krebs found that citrate could be formed in muscle suspensions if oxaloacetate and either pyruvate or acetate were added. Now, he get a cycle:,TCA背景知識(shí),2、細(xì)胞呼吸（cell respiration）要經(jīng)歷三個(gè)階段：糖酵解階段、檸檬酸循環(huán)階段、氧化磷酸化階段。

9、 3、糖酵解的產(chǎn)物丙酮酸進(jìn)入TCA之前有一準(zhǔn)備過(guò)程，即形成乙酰CoA。,TCA準(zhǔn)備階段,丙酮酸在丙酮酸脫氫酶系催化下氧化脫羧形成乙酰輔酶A。,丙酮酸脫氫酶系復(fù)合物含三種酶和五個(gè)輔助因子,E1: pyruvate dehydrogenase, thiamine pyrophosphate (TPP) E2: dihydrolipoyl transacetylase, lipoic acid, coenzyme A-SH E3: dihydrolipoyl dehydrogenase, NAD+, FAD,IRREVERSIBLE,TCA準(zhǔn)備階段,H+,丙酮酸脫氫酶系作用機(jī)理（1）,1. 丙酮酸與

10、TPP結(jié)合并 脫羧形成羥乙基TPP。 2. 羥乙基TPP氧化轉(zhuǎn)變成 乙?；瑫r(shí)轉(zhuǎn)移到E2的 輔基硫辛酰胺上。 3. 在E2上的乙?；贓2 催化下轉(zhuǎn)移到CoASH 上形成游離的乙酰CoA. 從而形成了一個(gè)高能硫 酯鍵。,The mechanistic details of the first three steps of the pyruvate dehydrogenase complex reaction,TCA準(zhǔn)備階段,TCA準(zhǔn)備階段,丙酮酸脫氫酶系作用機(jī)理（2）,4. 還原型的E2將二個(gè)SH基H 轉(zhuǎn)移到E3的輔酶FAD上形 成還原型FADH,5. E3上的還原型的FADH將 H交給NAD

11、+形成NADH， E3輔基又形成氧化型的 FAD,TCA準(zhǔn)備階段,丙酮酸脫氫酶系反應(yīng)圖解,E1,E3,TCA準(zhǔn)備階段,砷化物對(duì)硫辛酰胺的毒害作用 有機(jī)砷化物和亞砷酸能與丙酮酸脫氫酶系中的E2輔基硫辛酰胺共價(jià)結(jié)合，使還原型的硫辛酰胺形成失去催化能力的砷化物。這類砷化物同樣表現(xiàn)在對(duì)酮戌二酸脫氫酶系的抑制上。,TCA概貌,2C,6C檸檬酸,6C異檸檬酸,5C 酮戌二酸,4C琥珀酰CoA,4C琥珀酸,4C延胡索酸,4C蘋果酸,4C草酰乙酸,1、草酰乙酸與乙酰輔酶A形成檸檬酸 催化此反應(yīng)的酶為檸檬酸合酶； 反應(yīng)的中間產(chǎn)物為檸檬酰輔酶A； 檸檬酸合酶屬于調(diào)控酶，其活性受ATP、NADH、琥珀酰CoA、酯酰

12、CoA等的抑制；另一種抑制劑是丙酮酰CoA。 它是TCA循環(huán)的限速酶，由氟乙酸形成的氟乙酰CoA可被該酶催化形成氟檸檬酸，從而抑制下一步的順烏頭酸酶催化的反應(yīng)。此稱為致死性合成反應(yīng)。,TCA循環(huán)階段,S-CoA intermediate,哺乳動(dòng)物體內(nèi)檸檬酸合成酶以二聚體形式存在。 與草酰乙酸的結(jié)合使酶發(fā)生有利于和乙酰CoA結(jié)合的形變。,TCA循環(huán)階段,檸檬酸合成酶的單聚體形式，綠色原子為檸檬酸，粉色原子為CoA,TCA循環(huán)階段,草酰乙酸與乙酰輔酶A形成檸檬酸，反應(yīng)的中間產(chǎn)物為檸檬酰輔酶A。,、檸檬酸異構(gòu)形成異檸檬酸 催化此反應(yīng)的酶為烏頭酸酶； 反應(yīng)的中間產(chǎn)物為順烏頭酸； 反應(yīng)為先脫水后水化；

13、由于反應(yīng)生成的異檸檬酸在下一步反應(yīng)中迅速被氧化而使反應(yīng)向生成異檸檬酸的方向進(jìn)行。,TCA循環(huán)階段,順烏頭酸酶催化檸檬酸異構(gòu)化為檸檬酸，反應(yīng)分兩步進(jìn)行，經(jīng)歷一個(gè)順烏頭酸中間體。 反應(yīng)具有嚴(yán)格的空間特異性。,TCA循環(huán)階段,順烏頭酸酶活性位點(diǎn)的鐵硫聚簇。,TCA循環(huán)階段,氟乙酸到氟檸檬酸的轉(zhuǎn)化,TCA循環(huán)階段,、異檸檬酸氧化生成酮戌二酸 催化此反應(yīng)的酶為異檸檬酸脫氫酶； 反應(yīng)為TCA二次氧化脫羧中的第一個(gè)反應(yīng)； 反應(yīng)中間產(chǎn)物為不穩(wěn)定的草酰琥珀酸； 既有以NAD+為輔酶的異檸檬酸脫氫酶，也有以NADP+為輔酶的異檸檬酸脫氫酶。 異檸檬酸脫氫酶是變構(gòu)調(diào)節(jié)酶，其活性受ADP和NAD+的變構(gòu)激活，受ATP

14、和NADH的變構(gòu)抑制。,TCA循環(huán)階段,-脫羧反應(yīng),TCA循環(huán)階段,4、酮戌二酸氧化脫羧生成琥珀酰CoA 催化此反應(yīng)的酶為酮戌二酸脫氫酶復(fù)合體，該酶由酮戌二酸脫氫酶E1、二氫硫辛酰轉(zhuǎn)琥珀酰酶E2和二氫硫辛酰脫氫酶E3及六種輔助因子TPP、硫辛酸、CoA、NAD+、FAD、Mg2+組成； 反應(yīng)為TCA二次氧化脫羧中的第二個(gè)反應(yīng)； 反應(yīng)釋放的能量主要存于琥珀酰CoA的高能硫酯鍵中；,TCA循環(huán)階段,4、酮戌二酸氧化脫羧生成琥珀酰CoA 酮戌二酸脫氫酶是變構(gòu)調(diào)節(jié)酶，其活性受產(chǎn)物琥珀酰CoA、NADH和高能ATP的變構(gòu)抑制。 與丙酮酸脫氫酶復(fù)合體中E1不同的是該酶不受磷酸化與去磷酸化的共價(jià)修飾調(diào)節(jié)作用

15、；,TCA循環(huán)階段,5、琥珀酰CoA轉(zhuǎn)化為琥珀酸并釋放高能磷酸鍵 催化此反應(yīng)的酶為琥珀酰CoA合成酶或稱琥珀酰硫激酶； 該反應(yīng)為TCA是唯一直接產(chǎn)生高能磷酸鍵的步驟，也是一步底物水平磷酸化產(chǎn)生能量的步驟； 反應(yīng)生產(chǎn)的GTP在蛋白質(zhì)的生物合成中起磷?；w及激活信號(hào)蛋白的作用，也可以與ADP磷酸化生成ATP相偶聯(lián)產(chǎn)生能量。,TCA循環(huán)階段,琥珀酰CoA合成酶反應(yīng)機(jī)制,TCA循環(huán)階段,6、琥珀酸脫氫生成延胡索酸 催化此反應(yīng)的酶為琥珀脫氫酶；它以FAD為輔基； 該酶具有嚴(yán)格的立體專一性，即只生成反式延胡索酸； 與琥珀酸結(jié)構(gòu)類似的化合物如丙二酸、戌二酸等是該酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。,TCA循環(huán)階段,TCA循

16、環(huán)階段,琥珀酸脫氫酶的鐵硫聚簇,FAD和琥珀酸脫氫酶的共價(jià)結(jié)合,7、延胡索酸水合成L-蘋果酸 催化此反應(yīng)的酶為延胡索酸酶； 該酶具有嚴(yán)格的立體專一性，即只生成L-蘋果酸；,TCA循環(huán)階段,TCA循環(huán)階段,延胡羧酸酶的兩種可能的反應(yīng)機(jī)制,8、L-蘋果酸脫氫生成草酰乙酸 催化此反應(yīng)的酶為蘋果酸脫氫酶； 該酶的輔基為NAD+； 由于草酰乙酸與乙酰CoA合成檸檬酸的反應(yīng)是高度放能反應(yīng)，因此通過(guò)草酰乙酸的不斷消耗來(lái)驅(qū)使該反應(yīng)不斷向生成草酰乙酸方向進(jìn)行。,TCA循環(huán)階段,TCA循環(huán)階段,以NAD+作為輔酶的脫氫酶的空間特異性比較,TCA循環(huán)階段,蘋果酸脫氫酶的結(jié)構(gòu),TCA循環(huán)階段,TCA Cycle,乙酰

17、草酰成檸檬，檸檬易成-酮 琥酰琥酸延胡索，蘋果落在草叢中。,1、總反應(yīng) 離開循環(huán)的二分子CO2的碳并非來(lái)自進(jìn)入循環(huán)的乙酰輔酶A，而分別來(lái)自異檸檬酸脫羧和-酮戌二酸脫羧反應(yīng)； 每循環(huán)一次共產(chǎn)生一個(gè)GTP、消耗二個(gè)水分子； 每一次循環(huán)有4次氧化反應(yīng)，共產(chǎn)生3分子NADH和1分子FADH2； 每次循環(huán)產(chǎn)生的能量：1（GTP）+32.5(NADH)+1 1.5(FADH2)=10 ATP 若從丙酮酸算起則產(chǎn)生：10 + 2.5 (NADH)=12.5 ATP 若從葡萄糖算起則產(chǎn)生：12.5 2 + 2+2(NADH) 2.5=32ATP,TCA能量計(jì)算,Acetyl CoA + 3 NAD+ + FA

18、D + GDP + Pi + 2 H2O,2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + 2 H + + CoA,TCA中C的歸宿,TCA中C的歸宿,TCA的調(diào)控可看成來(lái)自二方面：TCA循環(huán)本身所具有的內(nèi)部相互制約系統(tǒng)的調(diào)控和ADP、ATP、Ca2+對(duì)循環(huán)的調(diào)控。 1、調(diào)控丙酮酸脫氫酶復(fù)合體,TCA的調(diào)控,TCA的調(diào)控是通過(guò)循環(huán)的別構(gòu)效應(yīng)劑和共價(jià)修飾實(shí)現(xiàn)的。 1、調(diào)控丙酮酸脫氫酶復(fù)合體,TCA的調(diào)控,丙酮酸脫氫酶復(fù)合體的調(diào)控 1.1. 產(chǎn)物調(diào)控 即由NADH和乙酰CoA控制。這二種物質(zhì)是和酶的作用底物NAD+和CoA競(jìng)爭(zhēng)酶活性部位。乙酰CoA抑制E2、NADH抑制E3。 1.2.

19、 磷酸化和去磷酸化的調(diào)控 E2上結(jié)合有二種酶：激酶和磷酸化酶。激酶使丙酮酸脫氫酶組分磷酸化而失活，磷酸酶則脫去丙酮酸脫氫酶上的磷酸基團(tuán)而活化。Ca2+可使磷酸酶活化從而激活丙酮酸脫氫酶。,TCA的調(diào)控,2、調(diào)控TCA循環(huán)的三個(gè)限速反應(yīng) 3、ATP、ADP和Ca2+ 對(duì)TCA的調(diào)控,TCA的調(diào)控,TCA的中間產(chǎn)物為許多生成合成提供前體物質(zhì)。,TCA的雙重作用,OXALOACETATE REPLENISHED BY PYRUVATE CARBOXYLASE,丙酮酸羧化酶催化由丙酮酸羧化生成草酰乙酸的反應(yīng)是哺乳動(dòng)物中最主要的回補(bǔ)反應(yīng)（anaplerotic reaction）。 許多植物和某些微生物

20、是通過(guò)磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（phosphoenolpyruvate carboxylase）催化的反應(yīng)向檸檬酸循環(huán)提供草酰乙酸的。,TCA的雙重作用,Substrate Channeling through Multienzyme Complexes May Occur in the Citric Acid Cycle,Although the enzymes of the citric acid cycle are usually described as soluble components of the mitochondrial matrix (except for succinat

21、e dehydrogenase, which is membrane-bound), growing evidence suggests that within the mitochondrion these enzymes exist as multienzyme complexes.,Deeper Look-,in cells, multienzyme complexes ensure efficient passage of the product of one enzyme reaction to the next enzyme in the pathway. Such complexes are called metabolons （代謝區(qū)室）.,questio