第章 节 有氧分解与三羧酸循环

第三章糖代谢第七节糖代谢的调节第六节糖的异生作用第五节糖原合成与分解第四节磷酸戊糖途径第三节有氧分解与三羧酸循环、乙醛酸循环第二节糖的中间代谢—无氧酵解第一节糖的消化吸收第三节有氧分解与三羧酸循环、乙醛酸循环一、概念二、糖有氧氧化的过程(p332)三、糖有氧氧化的生理意义四、糖酵解和有氧氧化的调节五、乙醛酸循环一、糖有氧氧化的概念是指体内组织在有氧条件下，葡萄糖彻底氧化分解生成CO2和H2O的过程。糖的有氧氧化30/3236/38有氧氧化是糖氧化的主要方式，绝大多数组织细胞都通过有氧氧化获得能量葡萄糖→→丙酮酸→丙酮酸→乙酰CoACO2+H2O+ATP柠檬酸循环线粒体内胞浆CO2糖有氧氧化概况二、糖有氧氧化的过程p332第三阶段：乙酰CoA进入柠檬酸循环彻底氧化（线粒体）三个阶段第一阶段：丙酮酸的生成（胞浆）第二阶段：丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA（线粒体）第一阶段：丙酮酸的生成（胞浆）2丙酮酸进入线粒体进一步氧化2(NADH+H+)2H2O+3/5ATP丙酮酸脱氢酶系丙酮酸+辅酶A+NAD+乙酰CoA+CO2+NADH+H+第二阶段：丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A:线粒体反应不可逆，使得整个循环不可逆。是哺乳动物使丙酮酸转变为乙酰CoA的唯一途径，乙酰CoA既是TCA循环的入口，又是合成脂类如胆固醇的起始物质，既可走分解的道路，又可走合成的道路丙酮酸氧化脱羧反应:丙酮酸脱氢酶Mg2+二氢硫辛酰乙酰基转移酶二氢硫辛酰脱氢酶羟乙基—TPP乙酰二氢硫辛酰胺硫辛酰胺二氢硫辛酰胺丙酮酸脱氢酶(TPP、Mg2+)二氢硫辛酰乙酰基转移酶(硫辛酰胺、辅酶A)二氢硫辛酰脱氢酶(FAD、NAD+)3种酶：6种辅助因子：TPP、Mg2+、硫辛酰胺、辅酶A、FAD、NAD+（含B1、B2、泛酸、TPP、硫辛酸五种维生素）丙酮酸脱氢酶系（或氧化脱羧酶系）:丙酮酸脱氢酶系的调控1.底物与产物的竞争性抑制2.磷酸化和去磷酸化的调控（E2分子上结合着两个特殊的酶，激酶和磷酸酶，去磷酸化后，E1活化）3.砷化物的毒害作用4.能荷的调节：高能荷时，ATP、GTP可反馈抑制二氢硫辛酰脱氢酶(E3)：受NADH抑制二氢硫辛酰乙酰基转移酶(E2)：受乙酰CoA、砷化物抑制(与巯基共价结合)丙酮酸脱氢酶系是调节酶催化的反应是哺乳动物使丙酮酸转变为乙酰CoA的唯一途径，乙酰CoA既是TCA循环的入口，又是合成脂类如胆固醇的起始物质，既可走分解的道路，又可走合成的道路第三阶段：乙酰辅酶A进入柠檬酸循环柠檬酸循环(citricacidcycle)俗称三羧酸循环(tricarboxylicacidcycleTCA循环)或Krebs循环(Krebscycle，德国，1953年获诺贝尔奖)乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成六碳三羧酸即柠檬酸，经过一系列代谢反应，乙酰基被彻底氧化，草酰乙酸得以再生的过程。这一途径普遍存在动、植物及微生物细胞中，不仅是糖分解的主要途径，也是脂肪、蛋白质分解代谢的最终途径，有重要的生理意义。为此获1953年的诺贝尔奖柠檬酸循环:★反应过程★TCA中碳骨架的不对称反应★TCA的回补反应★柠檬酸循环小结TCA循环柠檬酸合酶关键酶HHH2O⑴乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸TCA循环起始步骤，由柠檬酸合酶催化，乙酰辅酶A的甲基移去质子形成负碳离子，亲核攻击草酰乙酸的酮基碳，缩合生成柠檬酰辅酶A，再由高能硫酯键水解推动总反应进行，生成柠檬酸。反应分两步进行 柠檬酸合酶是一个调控酶，可受ATP、NADH、琥珀酰CoA和长链脂酰CoA抑制。故此反应是可调控的限速步骤柠檬酸合酶是TCA循环的关键酶，是第一个调节酶柠檬酰辅酶A乙酰辅酶A柠檬酸反应分两步进行，1.乙酰辅酶A的甲基移去质子形成负碳离子，亲核攻击草酰乙酸的酮基碳，缩合生成柠檬酰辅酶A，2.再由高能硫酯键水解推动总反应进行，生成柠檬酸。TCA循环柠檬酸(citrate)⑵柠檬酸异构化生成异柠檬酸:TCA循环异柠檬酸异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸+NAD+α-酮戊二酸+CO2+NADH+H+调节酶⑶异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸第一次氧化草酰琥珀酸是一个不稳定的酮酸异柠檬酸脱氢酶 线粒体内有两种异柠檬酸脱氢酶：NAD+异柠檬酸脱氢酶，存在于线粒体。是一个别构酶NADP+异柠檬酸脱氢酶，存在于线粒体和胞质正调控物：Mg2+、Mn2+、ADP负调控物：NADH、ATPATP/ADP、NADH/NAD+高时，抑制TCA循环中第二个调节酶TCA循环α-酮戊二酸脱氢酶系调节酶⑷α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰辅酶A第二次氧化α-酮戊二酸氧化脱羧反应机制与丙酮酸氧化脱羧相同，组成类似：含三个酶及六个辅助因子α-酮戊二酸脱氢酶、二氢硫辛酰琥珀酰基转移酶、二氢硫辛酰还原酶TPP、镁离子、硫辛酰胺、辅酶A、FAD、NAD+三个酶:六个辅助因子：是调节酶：受产物NADH、琥珀酰CoA、Ca2+和砷化物抑制，细胞高能荷时，ATP、GTP也可反馈抑制TCA循环⑸琥珀酰CoA转变为琥珀酸琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoA(succinylCoA)ADPATP唯一一次底物水平磷酸化在二磷酸核苷激酶的催化下，形成ATPTCA循环⑹琥珀酸氧化脱氢生成延胡索酸琥珀酸(succinate)琥珀酸脱氢酶琥珀酸+FAD延胡索酸+FADH2第三次氧化TCA循环⑺延胡索酸水合生成苹果酸延胡索酸(fumarate)延胡索酸酶延胡索酸+H2O苹果酸延胡索酸酶具有立体异构特异性，OH只加在延胡索酸一侧，形成L-苹果酸TCA循环⑻苹果酸脱氢生成草酰乙酸苹果酸脱氢酶苹果酸(malate)NAD+NADH+H+第四次氧化柠檬酸循环总图:CH2CO～SoA2H2HH★TCA中碳骨架的不对称反应 乙酰-CoA经TCA，产生2CO2；草酰乙酸经循环可再次生成。但是用同位素14C、13C分别标记乙酰CoA的甲基和羰基碳，发现在第一轮循环中没有标记的CO2释放，说明第一轮循环释放的二个碳原子并非乙酰CoA的碳原子。TCA中碳骨架的不对称反应的可能原因 顺乌头酸酶与柠檬酸结合具不对称性，脱水时H仅来自草酰乙酸，故TCA第一轮没有标记的CO2出现柠檬酸的四面体性状以及与顺乌头酸酶的结合位点★TCA的回补反应 TCA循环不仅是产生ATP的途径，它产生的中间物也是生物合成的前体。例如： 卟啉的主要C原子来自琥珀酰CoA， Glu、Asp是从α-酮戊二酸、草酰乙酸衍生而成。 一旦草酰乙酸浓度下降，势必影响TCA循环的进行。因此这些中间产物必须不断补充才能维持TCA循环的进行维持循环进行的关键是OAA1）PEPC的作用Mn2+2）丙酮酸羧化酶的作用生物素的作用机理:3）苹果酸酶的作用丙酮酸草酰乙酸苹果酸胞液线粒体4）转氨基作用天冬氨酸及谷氨酸的转氨作用可以形成草酰乙酸和酮戊二酸；异亮氨酸、缬氨酸和苏氨酸、甲硫氨酸可形成琥珀酰CoA而补充TCA。 TCA循环运转一周的净结果是氧化1分子乙酰CoA，草酰乙酸仅起载体作用，反应前后无改变。乙酰辅酶A+3NAD++FAD+Pi+2H2O+GDP2CO2+3(NADH+H+)+FADH2+HSCoA+GTP 14C标记乙酰CoA进行的研究表明，第一周循环中并无14C出现在CO2中，即CO2的碳原子来自草酰乙酸而不是来自乙酰CoA，第二周循环时，才有14CO2出现。 TCA循环中的一些反应在生理条件下是不可逆的，所以整个三羧酸循环是一个不可逆的系统。 TCA循环的中间产物可转化为其它物质，故需不断补充。★柠檬酸循环小结柠檬酸循环总图:CH2CO～SoA(乙酰辅酶A)2H2HH柠檬酸循环特点: 一次底物水平磷酸化 二次脱羧 三个不可逆反应 四次脱氢 1mol乙酰CoA经三羧酸循环彻底氧化净生成10molATP。柠檬酸循环的调节酶及其调节:酶的名称柠檬酸合酶异柠檬酸脱氢酶★α-酮戊二酸脱氢酶系变构激活剂ADP变构抑制剂ATPNADHATP、NADH、琥珀酰CoAP丙酮酸氧化和三羧酸循环的调节琥珀酰CoA草酰乙酸苹果酸琥珀酸α-酮戊二酸异柠檬酸柠檬酸延胡索酸乙酰辅酶A丙酮酸G已糖激酶、*磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶三糖有氧氧化的生理意义 糖有氧氧化的基本生理功能是氧化供能。 糖有氧氧化是体内三大营养物质代谢的总枢纽。 糖有氧氧化途径与体内其它代谢途径有着密切的联系。糖有氧氧化过程中ATP的生成:第一阶段：葡萄糖→2丙酮酸第二阶段：2丙酮酸→2乙酰CoA第三阶段：2乙酰CoA→2CO2+4H2O2ATP糖的有氧氧化底物磷酸化氧化磷酸化2×2.5ATP2×9ATP葡萄糖→6CO2+6H2O+？molATP糖原中的1mol葡萄糖→6CO2+6H2O+？molATP30/32ATP31/33ATP2×1.5或2.5ATP2ATP糖与氨基酸、脂肪代谢的联系返回四、糖酵解和有氧氧化的调节1、细胞内代谢物的调节2、激素的调节作用 底物供应的调节2)腺苷酸的调节3)脂肪酸氧化对糖分解代谢的影响1)胰岛素2)糖皮质激素3)胰高血糖素糖酵解和有氧氧化的调节：1、细胞内代谢物的调节葡萄糖进入肌肉细胞和脂肪细胞是通过膜上载体转运的，这是葡萄糖利用的限速过程，受胰岛素的促进。1）底物供应的调节肝细胞及大脑等神经组织中葡萄糖的进入不受胰岛素的控制。2)腺苷酸的调节AMP和ADP是多种酶的别构激活剂。ADP和AMP是FPK-1的别构激活剂，能强烈促进糖酵解的进行；AMP还能激活丙酮酸脱氢酶、柠檬酸合酶和异柠檬酸脱氢酶，促进有氧氧化和三羧酸循环，加强ATP的生成。ATP是FPK-1、丙酮酸激酶、异柠檬酸脱氢酶的别构抑制剂，细胞内ATP大量积聚时能有效地抑制糖酵解和有氧氧化。Pasteur效应： Pasteur效应：糖的有氧氧化对糖酵解的抑制作用称为Pasteur效应。 机理：有氧时，NADH+H+可进入线粒体内氧化，于是丙酮酸就进行有氧氧化而不生成乳酸---有氧氧化可抑制糖酵解。缺氧时，氧化磷酸化受阻，ADP与Pi不能合成ATP，致使ADP/ATP比值升高，而激活糖酵解途径的限速酶，故糖酵解消耗的葡萄糖量增加。此类细胞糖酵解酶系较强，而线粒体中某些氧化酶系如细胞色素氧化酶活性较低，争夺氧化磷酸化底物处劣势。 实验现象：在癌细胞中有Crabtree现象，后发现某些正常组织细胞(如视网膜、小肠粘膜、颗粒性白细胞、肾髓质、成熟红细胞等)亦有此现象。 解释：Crabtree效应： Crabtree效应（亦称反Pasteur作用）：一些组织细胞给予葡萄糖时，无论供氧充足与否，均呈现很强的酵解反应，而糖的有氧氧化受抑制，这种作用称为Crabtree效应。三、乙醛酸循环五、乙醛酸循环许多植物、微生物能够在乙酸或产生乙酰CoA的化合物中生长，同时种子发芽时可以将脂肪转化成糖，这是因为它们存在一个类似于TCA循环的缘故，这种循环是TCA循环的修改形式，但是不存在于动物中乙醛酸循环的意义乙醛酸循环的意义乙醛酸循环的意义乙醛酸循环的意义有氧氧化是糖氧化的主要方式，绝大多数组织细胞都通过有氧氧化获得能量反应不可逆，使得整个循环不可逆。是哺乳动物使丙酮酸转变为乙酰CoA的唯一途径，乙酰CoA既是TCA循环的入口，又是合成脂类如胆固醇的起始物质，既可走分解的道路，又可走合成的道路催化的反应是哺乳动物使丙酮酸转变为乙酰CoA的唯一途径，乙酰CoA既是TCA循环的入口，又是合成脂类如胆固醇的起始物质，既可走分解的道路，又可走合成的道路这一途径普遍存在动、植物及微生物细胞中，不仅是糖分解的主要途径，也是脂肪、蛋白质分解代谢的最终途径，有重要的生理意义。为此获1953年的诺贝尔奖TCA循环起始步骤，由柠檬酸合酶催化，乙酰辅酶A的甲基移去质子形成负碳离子，亲核攻击草酰乙酸的酮基碳，缩合生成柠檬酰辅酶A，再由高能硫酯键水解推动总反应进行，生成柠檬酸。反应分两步进行，1.乙酰辅酶A的甲基移去质子形成负碳离子，亲核攻击草酰乙酸的酮基碳，缩合生成柠檬酰辅酶A，2.再由高能硫酯键水解推动总反应进行，生成柠檬酸。草酰琥珀酸是一个不稳定的酮酸在二磷酸核苷激酶的催化下，形成ATP延胡索酸酶具有立体异构特异性，OH只加在延胡索酸一侧，形成L-苹果酸已糖激酶、*磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶许多植物、微生物能够在乙酸或产生乙酰CoA的化合物中生长，同时种子发芽时可以将脂肪转化成糖，这是因为它们存在一个类似于TCA循环的缘故，这种循环是TCA循环的修改形式，但是不存在于动物中