生物化学第11章柠檬酸循环.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 十 一 章,柠 檬 酸 循 环,柠檬酸,(TCA),循环过程中关键的化合物是柠檬酸，因为柠檬酸有三个羧基，所以又称三羧酸循环（,tricarboxylic acid cycle,，,TCA,）。,柠檬酸循环在细胞的线粒体中进行。柠檬酸循环不仅是糖的有氧分解代谢途径，也是脂肪酸和氨基酸的分解代谢途径，柠檬酸循环的中间物还是许多物质生物合成的前体。,在无氧的条件下，葡萄糖经糖酵解反应获取能量，产生的丙酮酸被还原为乳酸(或酒精)：,C,6,H,12,O,6,2 H,3,C-CHOH-COO,+2H,G,o,-196 kJ/mol,但是，在有氧的条件下，葡萄糖则完全氧化成,CO,2,和,H,2,O，,并产生细胞活性所需的大量的能量：,C,6,H,12,O,6,+6O,2,6CO,2,+6H,2,O,G,o,-2867 kJ/mol,这表明在糖的无氧分解产物中还蕴藏着极为丰富的能量，乳酸分子中还含有葡萄糖分子93%的可供利用的能量。,在有氧的条件下，最终被氧化成,CO,2,和,H,2,O。,这样的代谢过程称为呼吸(,respiration),或细胞呼吸。,因为这一过程消耗氧，释放出,CO,2,。,细胞呼吸可分为三个不同的阶段:,第一阶段,是葡萄糖经糖酵解转变成丙酮酸，丙酮酸再被氧化成,乙酰,CoA,；,对于细胞呼吸的其他有机燃料分子脂肪酸以及氨基酸，经相应的代谢途径亦可转变成乙酰,CoA。,第二阶段,是指有机燃料分子氧化产生的,乙酰,CoA,进入一个称为,柠檬酸循环,的代谢途径，被酶促转变成,CO,2,，,同时产生还原性的电子载体,NADH,和,FADH,2,。,第三阶段,是指前两个阶段产生的,还原性的,NADH,和,FADH,2,被氧化,，重新形成氧化型的辅酶。,第一节 丙 酮 酸 氧 化,在有氧的条件下，糖酵解产生的丙酮酸或乳酸氧化产生的丙酮酸或者某些氨基酸分解产生的丙酮酸经特殊的载体蛋白转运到线粒体内，首先经氧化脱羧反应转变成乙酰,CoA,。,E1:,丙酮酸脱氢酶,E2:,二硫辛酸转乙酰基酶,E3:,二氢硫辛酸转乙酰基酶,丙酮酸脱氢酶系,多酶体系，位于线粒体膜上。,E.coli,的丙酮酸脱氢酶系,分子量：,4.5106,，直径,45nm,，比核糖体稍大,。,酶 辅酶 亚基数,丙酮酸脱氢酶（,E1,）,TPP 24,二氢硫辛酰转乙酰酶（,E2,）硫辛酸,24,二氢硫辛酰脱氢酶（,E3,）,FAD 12,此外，还需要辅酶,A(CoA),、,NAD,+,、,Mg,2+,作为辅因子，辅酶,A,是重要的酰基载体。,E1,使丙酮酸脱羧生成羟乙酰,TPP,E2,从,TPP,上接受含负碳离子的羟乙酸交给,CoA,生成乙酰,CoA,E3,辅基,FAD,从二氢硫辛酸上接受氢，然后转交给,NAD+,生成,NADH,第二节 柠 檬 酸 循 环,柠檬酸循环(,citric acid cycle),是乙酰基二碳单位进一步氧化降解产生,CO2,和还原型辅酶的代谢途径。由于该反应顺序是,乙酰,CoA,与,草酰乙酸,缩合成,柠檬酸,开始的，且草酰乙酸经多步反应之后重新生成，构成了一个循环反应途径，因此，该循环反应称为柠檬酸循环。,一.柠檬酸循环的研究历史,柠檬酸循环处在物质代谢的中心位置，该途径的发现在生物化学发展史上占据着重要的位置。,德国科学家,Hans Krebs,在阐明柠檬酸循环中作出特殊贡献，,1953,年获得诺贝尔医学奖，柠檬酸循环又称,Krebs,循环。,柠檬酸,(,三羧酸,),循环概貌,由丙酮酸形成的乙酰,CoA,或者是其它代谢途径（如脂肪酸或氨基酸的分解代谢途径）产生的乙酰,CoA,可以通过柠檬酸循环氧化，柠檬酸循环,涉及八步酶促反应。,二、柠檬酸循环的反应过程,（一）柠檬酸的生成,柠檬酸合酶(,citrate synthase),催化乙酰,CoA,与草酰乙酸的缩合，生成柠檬酸.,这是柠檬酸循环的起始反应。同位素标记实验表明，乙酰基上的甲基碳与草酰乙酸的羰基碳结合。柠檬酸合酶催化的反应遵循有序顺序反应机制。由于乙酰,CoA,是一种高能化合物，当硫酯键被水解时，可释放出大量的能量(,G,o,=-32.5 kJ/mol)，,因而在细胞内能推动反应向柠檬酸生成的方向进行。柠檬酸合酶催化的反应是不可逆的，受到多种效应物的调节。,柠檬酸合酶反应的机制,（二）异柠檬酸的形成,柠檬酸在顺乌头酸酶,(aconitase),的催化下，异构化转变成异柠檬酸,(isocitrate),。顺乌头酸,(cis-aconitate),是这一转变反应的中间物。该步反应是可逆的，,Go,6.3 kJ/mol,，反应有利于柠檬酸。因此，在平衡时，异柠檬酸大约只占,10%,。,顺乌头酸酶,顺乌头酸酶,柠檬酸是一种前手性分子，然而顺乌头酸酶却能对,柠檬酸两端的两个相同的基团(-,CH2-COO,),具有选择性。,如反应式所指出的，脱水和加水反应只涉及到柠檬酸的下半部分(即来自草酰乙酸碳原子上的基团)。对这种选择的,解释是：,根据酶作用的立体专一性，酶分子活性中心是不对称的，有三个不同的结合位，这三个不同的结合位只有在与底物分子的三个不同的取代基互补配对时，该酶才能进行催化。,柠檬酸的中心碳连接有四个取代基，其中两个是相同的,(-,CH2-COO,)。,但是这两个相同的基团在空间取向上是不同的，也就是说在空间上是可以区别的。,顺乌头酸酶的这种作用特性就解释了为什么后续的脱羧反应只发生在与乙酰基参入部位相对的碳位上，而不发生在乙酰基参入部位这一端。,当柠檬酸与顺乌头酸酶的活性中心结合时，酶活性中心的微环境能区别在空间取向上不同的两个相同的基团，使得两个相同的基团中只有一个被酶作用，而另一个则不能被酶催化,。,（三）异柠檬酸的氧化脱羧,异柠檬酸脱氢酶催化异柠檬酸氧化脱羧转变成,-,酮戊二酸。,这是柠檬酸循环的第一步脱羧反应。在该反应中伴随,NAD,还原产生,NADH。,注意，这里脱去的,CO,2,来自原初的草酰乙酸部分,，,而不是乙酰,CoA,的乙酰基部分。,在该酶的催化反应中，异柠檬酸的二级醇羟基氧化，转变成草酰琥珀酸(,oxalosuccinate)，,接着,-,位羧基发生脱羧反应，生成,-,酮戊二酸。,Mn,2,在反应中起着使新形成的羰基极化的作用,。,这一反应的,G,o,是-20.9,kJ/mol，,能有效地推动顺乌头酸酶催化异柠檬酸的生成反应。,草酰琥珀酸是异柠檬酸脱氢酶催化反应的中间物，它只是瞬间存在。但是酶活性部位的残基,(Tyr160,和,Lys230),如发生突变，则使该酶的活性降低,(,即产生动力学“瓶颈”,),，造成反应中间物的积累而证实它的存在。,在哺乳动物组织中也存在依赖于,NADP,的异柠檬酸脱氢酶。,异柠檬酸脱氢酶的反应机制。,Mn,2+,使草酰琥珀酸中间物上的羰基极化,（四）,-,酮戊二酸氧化脱羧产生琥珀酰,CoA,-,酮戊二酸在,-,酮戊二酸脱氢酶复合物,的催化下，氧化脱羧，产生琥珀酰,CoA，,同时释放出,CO,2,和,NADH。,这里，释放出,CO,2,同样来自原初的草酰乙酸部分而不是来自乙酰,CoA,的乙酰基。,如果说，顺乌头酸酶对柠檬酸的两个相同的基团没有选择性，,-,酮戊二酸脱羧反应释放出,CO,2,应有一半含有放射性标记，但是，实际结果没有。这证实了顺乌头酸酶具有选择性。,-,酮戊二酸脱氢酶复合物催化的反应在化学上与丙酮酸脱氢酶复合物相似。这个酶复合物也是由三种酶组成：,-,酮戊二酸脱氢酶(,E1)、,二氢硫辛酰转琥珀酰基酶(,E2),二氢硫辛酰脱氢酶(,E3)。,E1,和,E2,作用的底物不同，,这里,E3,与丙酮酸脱氢酶复合物的,E3,相同。,-,酮戊二酸脱氢酶复合物催化的是一个高度放能的反应,(Go,-33 kJ/mol),，反应产生的琥珀酰,CoA,象乙酰,CoA,一样，含有一个高能硫酯键。,（五）琥珀酰,CoA,氧化转变成为琥珀酸,琥珀酰,CoA,合成酶(,succinyl-CoA synthetase),催化琥珀酰,CoA,裂解产生琥珀酸，并伴随高能磷酸化合物(,GTP,或,ATP),的生成。该反应的,G,o,约为2.1,kJ/mol。,这是柠檬酸循环中唯一直接产生高能磷酸化合物的反应，是底物水平磷酸化的又一个例子,。,由于其逆反应能形成硫酯键，因此，,该酶亦称之为琥珀酸硫激酶(,succinate thiokinase)。,在哺乳动物体内，该反应通常合成的是,GTP；,植物和细菌的琥珀酰,CoA,合成酶则通常合成,ATP。,哺乳动物体产生的,GTP,在核苷二磷酸激酶(,nucleoside diphosphate kinase),催化下，可以将它末端的磷酸基转移到,ADP,上，生成,ATP：,GTP ADP GDP ATP,琥珀酰CoA合酶催化的反应涉及到CoA被磷酸基取代，在该酶的活性部位形成琥珀酰基磷酸(,succinyl phosphate),。然后，磷酸基转移到酶活性部位的,His,残基上，形成磷酸组氨酸，并释放出琥珀酸；随后磷酸基被转移到,GDP,上，生成,GTP,。,琥珀酰CoA合酶催化的反应,（六）琥珀酸氧化形成延胡索酸,琥珀酸氧化转变成延胡索酸是在,琥珀酸脱氢酶(,succinate dehydrogenase),催化下进行的。,FAD,作为该酶的辅基，共价结合在酶的一个,His,残基上，,在酶促反应中接受底物氧化脱下的电子和氢。这一反应的自由能变化接近6,kJ/mol。,琥珀酸脱氢酶是柠檬酸循环中唯一的线粒体内膜结合蛋白，也是琥珀酸-,CoQ,氧化还原酶的一部分,。,琥珀酸的氧化涉及从它中间两个碳原子的相反两侧各除去一个,H,原子。,这一涉及烷氧化成烯的反应，没有足够的能量使,NAD,还原，但却能使,FAD,还原为,FADH2。,与此相反，醇、或酮的氧化反应，可以产生足够的能量推动,NAD,的还原。,琥珀酸脱氢酶是一种由分子量为,70kD,和,27kD,两个亚基构成的二聚体蛋白。,FAD,共价地结合到大亚基上。琥珀酸脱氢酶也含有铁,-,硫簇。该酶催化的反应具有立体专一性，它只能催化琥珀酸从相反位置脱氢转变成延胡索酸,(,反丁烯二酸,),或其逆反应，但不能催化琥珀酸从同一侧脱氢产生顺丁烯二酸或其逆反应。,由于琥珀酸脱氢酶没有区分琥珀酸相同两端的能力，,如果用于柠檬酸合成的乙酰基的羰基碳事先用,14,C,标记，那么经上述6步反应生成的琥珀酸的羧基碳均应含有放射性标记，只不过每个羧基碳的放射性强度只保有原初标记的50%，其后每种化合物的羧基碳原子均同样如此。,（七）延胡索酸的水合反应,延胡索酸在,延胡索酸酶(,fumarase),催化下，双键水合生成,L-,苹果酸(,L-malate),。,所以延胡索酸酶也叫做延胡索酸水合酶(,fumarate hydratase)。,水合反应很可能先形成负碳离子的转换态形式。转换态形成中，首先受到,OH,阴离子的攻击，形成负碳离子，接着发生质子(,H,),化反应。,该反应,G,o,-3.4 kJ/mol。,延胡索酸酶具有很高的立体专一性。它只作用于延胡索酸，从双键的相反方向加,OH,和,H,，生成,L-,苹果酸，或者催化其逆反应，,L-,苹果酸脱水变成延胡索酸。该酶不能催化顺丁烯二酸加水变成苹果酸，也不能催化,D-,苹果酸的脱水反应,。,延胡羧酸水和反应的过程,（八）草酰乙酸的生成,苹果酸氧化转变成草酰乙酸是柠檬酸循环的最后一步反应。催化这一反应的酶是,L-,苹果酸脱氢酶(,L-malate dehydrogenase)。,该反应,G,o,+29.7 kJ/mol，,在热力学上不利于草酰乙酸的生成，而有利于逆向反应。,因此，草酰乙酸在细胞内的浓度是很低的。但是，在细胞内，不利于草酰乙酸生成的反应可以被柠檬酸循环的第一步反应(由柠檬酸合酶催化)所推动，向有利于草酰乙酸生成的方向进行。因为柠檬酸合酶催化乙酰,CoA,与草酰乙酸的缩合反应是高能放能的(,G,o,-31.5 kJ/mol)。,苹果酸脱氢酶催化氢负离子转移到,NAD,的机制与乙醇脱氢酶和乳酸脱氢酶相似。,X-,射线分析表明，这三种酶的,NAD,结合域具有显著的相似性，与,NAD,结合域从一个共同的祖先进化的观点是一致的。,苹果酸脱氢生成草酰乙酸,三.,TCA,循环总观,（,1,）当一分子的乙酰,CoA,与草酰乙酸缩合而进入,TCA,循环后，其整个化学反应的净结果是：,CH3CO-SCoA+2H,2,O+3NAD,+FAD,+,+ADP+Pi ,2CO,2,+3NADH+3H,+FADH,2,+ATP+CoASH,表明,TCA,循环每循环一次，只有一分子的乙酰,CoA,被氧化，所有,TCA,中间物并不因参加反应而有所增减。,（,2,）乙酰,CoA,进入,TCA,循环后，有二处脱羧反应,;,四处氧化脱氢反应，共生成,3,分子的,NADH,和一分子的,FADH2,；一次底物水平磷酸化，生成一分子的,ATP,。氧化反应生成的,NADH,和,FADH2,进入电子传递链，发生氧化磷酸化，产生,ATP,，并使,NAD,和,FAD,得以再生，以便重新参与,TCA,循环反应和维持该循环的正常运转，所以,TCA,循环和氧化磷酸化是协同进行的。,（,3,）同位素标记实验表明，乙酰,CoA,的乙酰基的碳并没有从,TCA,循环的第一循环中除去。,经脱羧反应生成的,2,分子,CO,2,来自原初的草酰乙酸，而乙酰基上的两个碳参与了草酰乙酸的重新生成。,被标记的乙酰基上的羰基碳可在该循环的第二循环反应的第三步和第四步分别脱去。,被标记的乙酰基上的甲基碳在两轮循环后仍被保留。在第一轮中，随机地保留在琥珀酸的中间两个碳原子上；在第二轮中，随机地保留在琥珀酸的所有四个碳原子上。这就意味着，在第三轮循环中的两次，脱羧反应将消去50%的来自最初甲基碳的放射性标记；此后，每轮循环将消去残留标记的50%.,四.柠檬酸循环的生物学意义,（一）提供能量,一分子的葡萄糖经过糖酵解和柠檬酸循环以及氧化磷酸化，总共可产生38分子或36分子的,ATP。1,摩尔的葡萄糖完全氧化可产生,2867kJ,的能量，若按每摩尔的,ADP,磷酸化需要30.5,kJ,的能量计，那么1摩尔的葡萄糖产生的38摩尔,ATP,共利用能量30.5381159,kJ,能量的利用率达40%。肝脏中,一分子的葡萄糖完全氧化产生,ATP,的总反应是,葡萄糖6,O,2,8ADP38Pi 6CO,2,44H,2,O38ATP,G,o,-1707.9 kJ/mol,。,在真核生物中，酵解反应发生在胞液中，而完整的线粒体对,NADH,和,NAD,是不可渗透的，那么,NADH,怎样才能被呼吸链氧化呢?,NADH,是在甘油醛-3-磷酸被氧化时产生的,而,NADH,必须被氧化重新产生,NAD,，,酵解才能继续进行。,有两种解决的途径，,一种是苹果酸-天冬氨酸穿梭系统(,malate-aspartate shuttle system)，,另一种是磷酸甘油穿梭系统(,glycerol phosphate shuttle system),。,（二）柠檬酸循环也是其他有机物完全氧化的一条主要途径,脂肪酸经,-,氧化产生的乙酰,CoA，,可进入柠檬酸循环被彻底氧化，同时产生能量。甘油也可经酵解途径转变成丙酮酸，再氧化成乙酰,CoA,进入柠檬酸循环。氨基酸降解的产物也须经柠檬酸循环被完全氧化。,谷氨酸、谷氨酰胺等氨基酸转变成,-,酮戊二酸后，并不导致,-,酮戊二酸的自身净氧化，只会导致该循环中间物的浓度升高。但是，氨基酸在生物体内是能被完全氧化的，问题在于如何达到这个目的。,在骨骼肌中，磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶,(PEPCK),、丙酮酸激酶,(PK),和丙酮酸脱氢酶复合物,(PDH),可以催化草酰乙酸到乙酰,CoA,的转变，这就允许柠檬酸循环中的过量中间物,(,包括由氨基酸转变而来的产物,),被完全氧化。例如谷氨酸等氨基酸转变成,-,酮戊二酸后，可通过这个途径转变成乙酰,CoA,而被彻底氧化。,总的化学计量是：,-,酮戊二酸,5CO,2,。此途径包括五步脱羧反应，在柠檬酸循环中三次，在该循环外两次。,注意：草酰乙酸取道磷酸烯醇式丙酮酸并不意味着一定会被氧化，因为丙酮酸可以转变成丙氨酸，或者沿糖异生途径转变成糖,(,见后续有关章节,),。,（三）柠檬酸循环的双向功能,柠檬酸循环的中间物不仅起着维持该循环运转的功能，促进有机燃料分子氧化产生能量，而且一些重要的生物合成途径利用该循环的中间物作为合成反应的起始材料。即是说，柠檬酸循环具有双向,(,合成和分解,),的功能。,(1),草酰乙酸以及柠檬酸循环的其他中间物可经糖异生途径合成葡萄糖，以维持某些组织对葡萄糖的需要。,(2),脂肪酸的合成是发生在胞液中的一种需要乙酰,CoA,作为碳源的过程，乙酰,CoA,的生成发生在线粒体中，而线粒体内膜对乙酰,CoA,是不可通透的。胞液乙酰,CoA,产生于柠檬酸的裂解。当柠檬酸在线粒体内合成之后，跨膜转移至胞液中。,(3),柠檬酸循环的中间物,-,酮戊二酸和草酰乙酸可以直接用来合成谷氨酸和天冬氨酸，而这些氨基酸又可以进一步用来合成其他氨基酸。,柠檬酸循环的双向功能,糖异生,柠檬酸裂解为乙酰,CoA,合成脂肪酸、胆固醇,卟啉,五 柠檬酸循环中间物的回补,当柠檬酸循环的中间物因用于其他物质合成时，就会减少(或中断)能量的产生和中间物的继续供应。,在这种情况下，为确保柠檬酸循环的畅通，必须要有相应补充该循环中间物的途径，即所谓,回补途径(,anaplerosis)。,常见的三条途径：,丙酮酸羧化生成草酰乙酸,磷酸烯醇式丙酮酸转变为草酰乙酸,丙酮酸羧化生成苹果酸,（一）丙酮酸羧化成草酰乙酸,在动物体内，最重要的回补途径是,丙酮酸羧化转变成草酰乙酸。这一反应是,丙酮酸羧化酶催化的。这个酶是一种线粒体酶。,该反应需要,ATP,提供能量，并需要生物素和,Mg2：,丙酮酸,CO,2,ATP H,2,O,草酰乙酸,ADP Pi,丙酮酸羧化酶是调节酶。,乙酰,CoA,是丙酮酸羧化酶最重要的别构激活剂,。,在乙酰,CoA,缺乏的情况下，丙酮酸羧化酶几乎完全没有活性。当乙酰,CoA,丰富时，丙酮酸羧化酶就被激活，从而使丙酮酸羧化成草酰乙酸，使其浓度升高，于是允许柠檬酸循环的有效地进行。,丙酮酸羧化酶在糖的异生作用中也是一种很重要的酶。,（二）磷酸烯醇式丙酮酸转变成草酰乙酸,在动物的心脏和肌肉组织中，存在一种,磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶,(,carboxykinase)。,它能催化磷酸烯醇式丙酮酸转变成草酰乙酸，并产生,GTP。,但此酶对草酰乙酸的亲和力大，而对,CO,2,的亲和力很小，故此酶更适合于催化磷酸烯醇式丙酮酸的生成，在糖异生作用中也是很重要的酶。,在植物和细菌中，有一种磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，这个酶在动物体内不存在。该酶能催化磷酸烯醇式丙酮酸羧化成草酰乙酸。这个酶不需要生物素，,也不需要,ATP。,在绿色植物中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶不仅为柠檬酸循环补充草酰乙酸，而且也是,四碳双羧酸,植物固定,CO,2,的一步重要的反应。,（三）苹果酸酶催化丙酮酸羧化为苹果酸,具有回补功能的另一种反应由苹果酸酶,(malic enzyme),催化。这个酶能催化丙酮酸羧化及还原反应，生成苹果酸，故有时此酶也叫做苹果酸脱氢酶。该反应发生在胞液中，生成的苹果酸可以通过专一性载体进入到线粒体。在线粒体内的需,NAD,的苹果酸脱氢酶催化下生成草酰乙酸。,苹果酸酶的辅酶是,NADP,，所以上述反应的逆反应可以产生,NADPH,。,NADPH,是许多生物合成反应,(,例如脂肪酸合成,),的还原剂。,柠檬酸循环中间物的回补,:,.丙酮酸羧化成草酰乙酸,;,.磷酸烯醇式丙酮酸转变成草酰乙酸,;,.苹果酸酶催化丙酮酸羧化为苹果酸,六 乙醛酸途径,植物(尤其是尚不能完成光合作用的幼苗)以及某些细菌和藻类能够利用乙酸作为它们唯一的碳源去合成它们自身的含碳化合物。这是因为这些生物具有能将乙酸或乙酰,CoA,转变成草酰乙酸的酶系统。这一酶系统称为乙醛酸途径或乙醛酸循环。,这一途径涉及到两个不同的细胞器，即线粒体和乙醛酸循环体(,glyoxysome)。,后者是特化的过氧化物酶体(,peroxisome)。,乙醛酸途径的酶大多数与柠檬酸循环中的酶相同。,乙醛酸途径的过程是：,（,1,）,线粒体内的草酰乙酸转变成天冬氨酸，天冬氨酸被转运到乙醛酸循环体中，并再次转变成草酰乙酸。,（,2,）,草酰乙酸与乙酰,CoA,缩合生成柠檬酸。,（,3,）,柠檬酸转变成异柠檬酸。,（,4,）,乙醛酸循环体内的异柠檬酸裂解酶(,isocitrate lyase),将异柠檬酸裂解成琥珀酸和乙醛酸(,glyoxylate)。,琥珀酸可被转运到线粒体内，进入柠檬酸循环，重新生成草酰乙酸。从而完成一次循环。因此，乙醛酸途径导致乙酰,CoA,净转变成乙醛酸，而不是象柠檬酸循环那样将乙酰,CoA,转变成两分子的,CO,2,。,（,5,）,乙醛酸循环体还含有另一种特有的酶-苹果酸合酶(,malate synthase)。,这个酶能催化乙醛酸与另一分子的乙酰,CoA,缩合成苹果酸。,（,6,）,苹果酸从乙醛酸循环体中转运出来，进入到胞液。,在胞液苹果酸脱氢酶的催化下，氧化成草酰乙酸。,因此，乙醛酸循环的总反应是两分子的乙酰,CoA,转变成一分子的草酰乙酸：,2 乙酰,CoA 2NAD,FAD,草酰乙酸 2,CoA-SH 2NADH FADH,2,H,乙醛酸,异柠檬酸裂解酶和苹果酸合酶只存在于植物和某些微生物中,。,由于有这两种酶的存在，因此，萌发的植物种子能将它们贮存在的三酰甘油氧化产生的乙酰,CoA,转变成葡萄糖。缺乏乙醛酸途径的生物是不能将乙酰,CoA,净转变成葡萄糖的。,乙醛酸途径导致乙酰,CoA,净转变成乙醛酸，而不是象柠檬酸循环那样将乙酰,CoA,转变成两分子的,CO,2,。,植物和某些细菌和藻类利用乙酸作为它们唯一的碳源去合成它们自身的含碳化合物。这些生物具有将乙酸或乙酰,CoA,转变为草酰乙酸的酶系统，该酶系统称为乙醛酸循环，该途径涉及线粒体和乙醛酸循环体两个细胞器，,乙醛酸循环体是特化的过氧化物酶体。,乙醛酸途径的酶,大多数与柠檬酸循环,中的酶相同。,乙醛酸循环体,第三节 柠檬酸循环的调节,柠檬酸循环的活性与细胞的需要密切相关。主要取决于两个方面的需要：一是细胞对能量的需要，二是细胞内的生物合成反应对代谢中间物的需要。为了保证中间物和能量的产生与细胞的需要相协调、避免能量和中间物的浪费性过度产生，柠檬酸循环必须有效地受到控制。,丙酮酸的碳架进入柠檬酸循环被氧化的调节主要发生在两个环节上：,即丙酮酸转变成乙酰,CoA,的控制和柠檬酸循环本身的活性控制。,一.丙酮酸脱氢酶复合物活性的调节,丙酮酸氧化脱羧生成乙酰,CoA,的反应是葡萄糖在有氧下进入柠檬酸循环的关键步骤。因此，丙酮酸脱氢酶复合物活性的控制对于糖的有氧分解起着关键的作用。,丙酮酸脱氢酶复合物的活性可受到两种不同的方式控制，即别构调节和共价修饰调节。,（一）别构调节,丙酮酸脱氢酶复合物的活性强烈受到高水平的,ATP,以及该酶复合物的产物乙酰,CoA,和,NADH,的抑制。,ATP,能抑制丙酮酸脱氢酶的活性；乙酰,CoA,能抑制二氢硫辛酰转乙酰基酶的活性；,NADH,抑制二氢硫辛酰脱氢酶的活性。相反,当,AMP、CoA,和,NAD,处在高水平时，则激活丙酮酸脱氢酶复合物的活性。,丙酮酸脱氢酶的活性强烈地取决于线粒体内的,ATP/AMP、,乙酰,CoA/CoA,以及,NADH/NAD,的比值。,当这个比值升高时，则会关闭该酶复合物的活性，降低丙酮酸进入柠檬酸循环被氧化的速度。当细胞需要能量时，其代谢信号是,AMP/ATP,以及,NAD/NADH,的水平升高，该酶复合物被激活，导致丙酮酸进入柠檬酸循环的速度升高。,pi,H,2,O,E1-OPO,3,2-,E1-OH,无活性,有活性,丙酮酸脱氢酶磷酸酶,ATP,ADP,丙酮酸脱氢酶激酶,（二）共价修饰调节,在脊椎动物中，丙酮酸脱氢酶复合物共价修饰调节是对该酶复合物别构调节的重要补充。有两种辅助性的酶与丙酮酸脱氢酶复合物结合在一起，它们对丙酮酸脱氢酶复合物的活性的共价修饰调节起很重要的作用。,当细胞含有较高水平的,ATP、,并含有丰富的乙酰,CoA(,它也是脂酸降解的产物)时，便构成了一种信号，表示乙酰,CoA,不需要再继续合成。在这种情况下，,ATP,以及乙酰,CoA,和,NADH,作为,丙酮酸脱氢酶激酶,的激活剂刺激它的活性。激活后的这个激酶能利用,ATP,使丙酮酸脱氢酶特定部位上的丝氨酸残基磷酸化而失去活性。,当细胞需要能量(即,ATP,水平降低)时，无活性的磷酸化的丙酮酸脱氢酶便在丙酮酸脱氢酶磷酸酶的催化下，脱去磷酸基而恢复其活性。这个磷酸酶的活性受,Ca,2,浓度调节。,当游离的,Ca,2,浓度升高时，这个酶便可以被激活。而游离的,Ca,2,浓度的变化取决于细胞对,ATP,的需要，当细胞需要产生,ATP,时，,Ca,2,浓度也就随之升高。因此，游离的,Ca2,浓度的变化可以作为代谢变化的一种重要的信息。当血糖浓度升高时，胰岛素的分泌受到刺激，胰岛素亦能激活丙酮酸脱氢酶磷酸酶的活性。促进乙酰,CoA,的合成。,在植物线粒体内，丙酮酸脱氢酶亦受磷酸化和去磷酸化的调节。在大肠杆菌细胞内的该酶不经这种共价修饰调节,。,丙酮酸脱氢酶的活性不受,cAMP,的影响。,二.柠檬酸循环的活性控制,柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶以及,-,酮戊二酸脱氢酶复合物,催化的反应远未达到平衡，即这三种酶催化的反应是高度放能的，也是不可逆的。因此，这三种酶催化柠檬酸循环的限速反应步骤。,柠檬酸循环的第一步反应是由柠檬酸合酶催化，对柠檬酸合酶活性的控制是柠檬酸循环最关键的控制部位。柠檬酸合酶的底物乙酰,CoA,和草酰乙酸的可用性随代谢环境而变化，乙酰,CoA,和草酰乙酸在线粒体内的浓度不会使柠檬酸合酶饱和。因此，乙酰,CoA,和草酰乙酸的浓度限制着柠檬酸形成的速度。柠檬酸合酶也可被它的产物柠檬酸抑制。,柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶以及,-,酮戊二酸脱氢酶复合物三种酶催化的反应是高度放能的，也是不可逆的。因此，这三种酶催化柠檬酸循环的限速反应步骤,顺乌头酸酶催化的反应接近平衡，因此，柠檬酸消耗的速度取决于异柠檬酸脱氢酶的活性。体外研究表明，异柠檬酸脱氢酶的活性强烈地被它的产物,NADH,所抑制。柠檬酸合酶的活性亦可被,NADH,所抑制，但不象异柠檬酸脱氢酶对,NADH,浓度变化那样敏感。,NADH,也是,-,酮戊二酸脱氢酶复合物催化产物。该酶的另一个产物是琥珀酰,CoA,。,NADH,和琥珀酰,CoA,两者都能抑制该酶的活性。琥珀酰,CoA,也能抑制柠檬酸合酶的活性。这种联锁效应有利于柠檬酸循环,.,ATP,可视为柠檬酸循环和氧化磷酸化的末端产物,它可以别构抑制柠檬酸合酶和异柠檬酸脱氢酶的活性，而,ATP,则是这两种酶的别构抑制剂。,Ca2,是脊椎动物肌肉收缩的信号，它伴随对,ATP,的需要而增高它的浓度。,Ca2,可以作为一种效应物激活异柠檬酸脱氢酶和,-,酮戊二酸脱氢酶复合物的活性。,大肠杆菌异柠檬酸脱氢酶可被共价修饰调节。当大肠杆菌的这个酶的活性部位(而不是别构部位)的,Ser,残基被磷酸化时，该酶则失去活性，而当去磷酸化时则恢复活性。,总之，,柠檬酸循环的活性看来主要受,ATP/ADP,的浓度比和,NADH/NAD,的浓度比控制。,细胞内的,ATP,和,NADH,的水平很高时，柠檬酸循环的速度就受到限制。,NAD,不仅作为几种脱氢酶的辅酶，而且。,NAD,和,NADH,还作为几种脱氢酶的效应物；,NADH,的高水平还意味着细胞含有丰富的(经呼吸链)合成,ATP,的电子源。因此，,NADH/NAD,浓度比例变化可能是柠檬酸循环速度的更为重要的控制因素。,结束了,习题：,1,丙酮酸进入柠檬酸循环之前，发生什么化学反应？催化该反应的是什么酶，该酶有什么特点？,2,柠檬酸循环的主要步骤及主要产物有哪些？柠檬酸循环的关键酶有哪些？,3,说明柠檬酸循环的生物学意义和柠檬酸循环的活性控制。,