1、丙酮酸氧化脱羧与三羧酸循环,The pyruvate oxidization and Citric Acid Cycle,在有氧条件下，丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoA，后者可进入三羧酸循环彻底氧化。,一、丙酮酸氧化脱羧,The oxidative decarboxylation of pyruvate in mitochondria: the overall chemical transformation, involving five cofactors and three enzymes.,一、丙酮酸氧化脱羧,E1 丙酮酸脱氢酶(pyruvate dehydrogenase PDH)。催化丙
2、酮酸的脱羧及脱氢，形成二碳单位乙酰基。具有辅基TPP。E2 二氢硫辛酸转乙酰基酶(dihydrolipoyl transacetylase TA)。催化二碳单位乙酰基的转移。具有辅基硫辛酸。E3 二氢硫辛酸脱氢酶(dihydrolipoyl dehydrogenase DLD)。催化还原型硫辛酸氧化型。具有辅基FAD。,催化此过程的是丙酮酸脱氢酶复合体，它由3种酶有机地组合在一起：,一、丙酮酸氧化脱羧,整个过程涉及到的6个辅因子：TPP(焦磷酸硫胺素)、SSL(硫辛酸)、FAD、NAD+、CoA、Mg2+等。,丙酮酸脱氢酶复合体呈圆球形，每个复合体含有：6个PDH、24个TA、6个DLD其中T
3、A为复合物的核心，它的一条硫辛酸臂可以旋转。,一、丙酮酸氧化脱羧,一、丙酮酸氧化脱羧,一、丙酮酸氧化脱羧,三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle)，又叫做TCA循环，是由于该循环的第一个产物是柠檬酸，它含有三个羧基，故此得名。,二、三羧酸循环,该循环的提出的主要贡献者是英国生化学家Krebs，所以又称Krebs循环。,该循环还叫做柠檬酸循环。,1. 化学反应过程,a. 乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸,二、三羧酸循环,1. 化学反应过程,a. 乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸,这步反应由 C4 C6 。,二、三羧酸循环,1. 化学反应过程,Citrate synthase
4、. Citrate is shown in green and CoA pink,a. 乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸,反应的能量由乙酰CoA的高能硫酯键提供，所以使反应不可逆。此为醇醛缩合反应，先缩合成柠檬酰CoA，然后水解。,这步反应由 C4 C6 。,二、三羧酸循环,1. 化学反应过程,2. 柠檬酸异构化成异柠檬酸,二、三羧酸循环,1. 化学反应过程,Iron-sulfur (red), cysteines (yellow) and isocitreate (white),3. 异柠檬酸氧化脱羧,二、三羧酸循环,1. 化学反应过程,这阶段放出了1分子CO2，由 C6 C5 ；产生1分子
5、NADH,3. 异柠檬酸氧化脱羧,二、三羧酸循环,1. 化学反应过程,NADP+(gold); Ca2+(red),a-酮戊二酸脱氢酶复合体与丙酮酸脱氢酶复合体非常相似，也包含三种酶、五六种辅因子。,4. a-酮戊二酸氧化脱羧,二、三羧酸循环,1. 化学反应过程,4. a-酮戊二酸氧化脱羧,二、三羧酸循环,1. 化学反应过程,这阶段又放出了1分子CO2，由 C5 C4 ；又产生1分子NADH；形成1个高能硫酯键。,这阶段合成了1分子高能磷酸化合物GTP,5. 由琥珀酰CoA生成高能磷酸键,二、三羧酸循环,1. 化学反应过程,GDP + Pi GTP,这阶段合成了1分子高能磷酸化合物GTP,5.
6、 由琥珀酰CoA生成高能磷酸键,二、三羧酸循环,1. 化学反应过程,这阶段需要经历三步反应 脱氢、加水、脱氢,6. 琥珀酸氧化使草酰乙酸再生,这一阶段的反应为C4的变化；产生1分子FADH2、1分子NADH。,二、三羧酸循环,1. 化学反应过程,这阶段需要经历三步反应 脱氢、加水、脱氢,6. 琥珀酸氧化使草酰乙酸再生,这一阶段的反应为C4的变化；产生1分子FADH2、1分子NADH。,二、三羧酸循环,1. 化学反应过程,这阶段需要经历三步反应 脱氢、加水、脱氢,6. 琥珀酸氧化使草酰乙酸再生,这一阶段的反应为C4的变化；产生1分子FADH2、1分子NADH。,二、三羧酸循环,1. 化学反应过程
7、,这阶段需要经历三步反应 脱氢、加水、脱氢,6. 琥珀酸氧化使草酰乙酸再生,二、三羧酸循环,1. 化学反应过程,The active site of malate dehydrogenase. Malate is shown in red; NAD+ blue.,6. 琥珀酸氧化使草酰乙酸再生,二、三羧酸循环,1. 化学反应过程,2. TCA循环的总反应,二、三羧酸循环,2. TCA循环的总反应,二、三羧酸循环,每经历一次TCA循环 有2个碳原子通过乙酰CoA进入循环，以后有2个碳原子通过脱羧反应离开循环。 有4对氢原子通过脱氢反应离开循环，其中3对由NADH携带，1对由FADH2携带。 产生
8、1分子高能磷酸化合物GTP，通过它可生成1分子ATP。 消耗2分子水，分别用于合成柠檬酸（水解柠檬酰CoA）和延胡索酸的加水。,二、三羧酸循环,2. TCA循环的总反应,由TCA循环产生的NADH和FADH2必须经呼吸链将电子交给O2，才能回复成氧化态，再去接受TCA循环脱下的氢。,产物NADH和FADH2的去路:, TCA循环需要在有氧的条件下进行。否则NADH和FADH2携带的H无法交给氧，即呼吸链氧化磷酸化无法进行，NAD+及FAD不能被再生，使TCA循环中的脱氢反应因缺乏氢的受体而无法进行。,二、三羧酸循环,2. TCA循环的总反应,乙酰CoA通过TCA循环脱下的氢由NADH及FADH
9、2经呼吸链传递给O2，由此而形成大量ATP。,由乙酰CoA氧化产生的ATP中，只有1/12来自底物水平的磷酸化，其余都是由氧化磷酸化间接产生。,3.能量的化学计量,二、三羧酸循环,3.能量的化学计量,二、三羧酸循环,葡萄糖彻底氧化经由的途径：EMP途径、丙酮酸氧化脱羧、TCA循环、呼吸链氧化磷酸化。,对于原核生物：,3.能量的化学计量,二、三羧酸循环,对于原核生物：,由于在EMP途径中生成的NADH在线粒体外，其磷氧比为2，所以1分子葡萄糖彻底氧化只能合成 36 ATP。,对于真核生物（高等植物、真菌、动物的肌细胞）:,3.能量的化学计量,二、三羧酸循环,1. 定位：线粒体,A 柠檬酸合酶:该
10、酶有负变构剂ATP，它使酶与底物的亲和力下降，从而Km值增大。B 异柠檬脱氢酶:该酶有正变构剂ADP，它使酶与底物的亲和力增加。此外，NAD+、底物异柠檬酸使酶活升高；NADH、ATP使酶活下降。C -酮二酸脱氢酶: ATP、NADH及产物琥珀酰CoA抑制酶的活性。,2. 不可逆反应与调节：,4. 注意点,二、三羧酸循环,1. 为生物体提供能量，是体内主要产生ATP的途径；,2. 循环中的中间物为生物合成提供原料； 如草酰乙酸、a-酮戊二酸可转变为氨基酸，琥珀酰CoA可用于合成叶绿素及血红素分子中的卟啉。,3. 糖类、蛋白质、脂类、核酸等代谢的枢纽。,5. TCA循环的生物学意义,二、三羧酸循
11、环,三、TCA的回补反应,三羧酸循环的一个重要作用是它的中间物可以为生物合成提供原料，但这些中间物必须得到补充，以保证TCA循环运转。尤其是起始物草酰乙酸，缺乏它乙酰CoA就不能进入循环。,生物体中存在着及时补充草酰乙酸的反应，称为回补反应。,1.回补反应含义：,1. 丙酮酸羧化,2. 回补反应的途径：,丙酮酸羧化酶需要生物素作为其辅酶。,这是动物中最重要的回补反应，在线粒体中进行。,三、TCA的回补反应,2. PEP羧化酶（细胞质）,2. 回补反应的途径：,三、TCA的回补反应,3. 苹果酸酶（细胞质）,2. 回补反应的途径：,三、TCA的回补反应,4. PEP羧激酶（液泡）,2. 回补反应的途径：,三、TCA的回补反应,The phosphoenolpyruvate carboxykinase reaction,
