第十章 糖代谢(2) Glycometabolism 河北科技大学生工学院 生物化学教研组

二、柠檬酸循环(TCA，1953年获得诺贝尔奖) G　＋　6O2　　 6CO2 ＋ 6H2O ＋ 能量 EMP：G--------2丙酮酸(在细胞浆中) 丙酮酸进线粒体－－乙酰CoA TCA：乙酰CoA进入TCA(在线粒体基质中) 电子传递水平磷酸化(在线粒体内膜上)

1.EMP G--------2丙酮酸 净得2ATP 得2NADH+H+

2. TCA(柠檬酸循环 、三羧酸循环 第92页) tricarboxylic acid cycle) Krebs循环 有氧条件下，将酵解作用产生的丙酮酸氧化脱羧成乙酰CoA，再经一系列氧化和脱羧，最终生成二氧化碳和水并产生能量。 2 丙酮酸 + 2 GDP + 2 Pi + 4 H2O + 2 FAD + 8 NAD --------6 CO2 + 2 GTP + 2 FADH2 + 8 NADH＋H＋ 化学历程 能量计量 调控 生物学意义 葡萄糖→→……→→2丙酮酸

三羧酸循环的发现历史 Albert Szent Gyorgyi观察用丙酮酸与肌肉组织一起在有氧条件下保温，丙酮酸可以被彻底氧化，生成二氧化碳和水。因此认为葡萄糖或糖原的有氧分解也循着糖酵解途径，有氧分解可以说是无氧分解的继续。 H. Krebs通过总结大量的实验结果，认为糖的氧化过程不是直线进行的，而是以循环方式进行。于是他于1937年提出了三羧酸循环假设并用实验证明了三羧酸循环的存在。

(1)化学历程 TCA循环的准备阶段：丙酮酸--乙酰CoA TCA循环阶段：

①准备阶段(丙酮酸进入线粒体－－乙酰CoA) 五种辅助因子 C3、C4 3,4C 1,6C 2,5C 丙酮酸脱氢酶复合体系 需几种维生素？ 丙酮酸 + CoA-SH + NAD+ → Acetyl-CoA + CO2 + NADH + H+

丙酮酸脱氢酶复合体系 E1——丙酮酸脱氢酶(24条肽链) E2 ——二氢硫辛酸转乙酰基酶(24条肽链) 有三种酶组成：三种酶均以二聚体的形式存在。 E1——丙酮酸脱氢酶(24条肽链) E2 ——二氢硫辛酸转乙酰基酶(24条肽链) E3 ——二氢硫辛酸脱氢酶(12条肽链) 砷化物： 可与E2－SH共价结合，使酶失去活性。

练习题 糖酵解的终产物是 丙酮酸 糖酵解的脱氢步骤反应是 ( ) A．1，6-二磷酸果糖→3-磷酸甘油醛十磷酸二羟丙酮 糖酵解的脱氢步骤反应是 ( ) A．1，6-二磷酸果糖→3-磷酸甘油醛十磷酸二羟丙酮 B．3-磷酸甘油醛→磷酸二羟丙酮 C．3-磷酸甘油醛→1，3-二磷酸甘油酸 D．1，3--磷酸甘油酸→3-磷酸甘油酸 缺氧情况下，糖酵解途径生成的NADH+H+的去路 ( ) A．进入呼吸链氧化供应能量 B．合成1，6-双磷酸果糖 C．3-磷酸甘油酸还原为3-磷酸甘油醛 D.丙酮酸还原为乳酸 糖酵解过程中最重要的关键酶是 ( ) A．己糖激酶 B．6-磷酸果糖激酶I C．丙酮酸激酶 D．果糖双磷酸酶 丙酮酸脱氢酶复合体中最终接受底物脱下的2H的辅助因子是 ( ) A．FAD B．硫辛酸 C．辅酶A D．NAD+ E．TPP 糖酵解途径的反应全部在细胞 进行。 葡萄糖激酶和己糖激酶在各种细胞中对葡萄糖的亲和力都是一样的. 常食用糖类，应补充维生素　　　，否则可导致　　　　积累。

反应过程与调控： 96页 － － － 砷化物 E2分子上结合着两种特殊的酶-----激酶和磷酸酶 E1的磷酸化(无活性)和去磷酸化(有活性) 反应过程与调控： 　96页 E2分子上结合着两种特殊的酶-----激酶和磷酸酶 E1的磷酸化(无活性)和去磷酸化(有活性) ATP/ADP比值高、酶的磷酸化作用增加 － － 砷化物 －

②三羧酸循环 乙酰CoA－--3NADH + FADH2 + 2CO2 + ATP 柠檬酸生成阶段：(1) (2) 氧化脱羧阶段：（３）（４）（５） 草酰乙酸再生阶段：（６）（７）（８）

（1）乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成柠檬酸 柠檬酸合成酶（Citroyl synthetase）：此酶是第一个调节酶，限速步骤，此酶为限速酶

（2）异柠檬酸的生成 顺乌头酸酶：这种酶与底物以特殊方式结合（只选择两种顺反异构或旋光异构中的一种结合方式）进行的反应称为不对称反应。含铁硫中心簇 90%柠檬酸、4%顺乌头酸、6%异柠檬酸组成平衡混合物

（3）α- 酮戊二酸的生成 异柠檬酸脱氢酶：这是TCA中第一次氧化作用。 此酶是TCA循环中第二个调节酶。 需Mg2+（Mn2+ ）

（4）琥珀酰CoA的生成（α- 酮戊二酸的氧化脱羧反应） α－酮戊二酸脱氢酶系：该酶与丙酮酸脱氢酶系的结构组成相似，催化脱羧，脱氢。是三个调节酶 这是TCA循环中第二个氧化脱羧反应。

（5）从琥珀酰辅酶A到琥珀酸 琥珀酰CoA合成酶：催化琥珀酰CoA的硫酯键水解，使GDP磷酸化为GTP。 GTP的作用：在哺乳动物中[1]在二磷酸核苷激酶作用下，推动ADP生成ATP；[2]用于蛋白质的合成。 在高等植物和细菌中，硫酯键水解释放出的自由能，可直接合成ATP。 该步反应是TCA中唯一底物水平磷酸化产能的反应。

（6）琥珀酸被氧化成延胡索酸 琥珀酸脱氢酶:是TCA循环中唯一嵌入线粒体内膜的酶。分子量100000（二亚基），酶的辅酶是FAD；酶直接与呼吸链联系，将FADH2交给酶的铁硫中心进入呼吸链。 此反应是： TCA循环中第三个氧化还原反应。 丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂，可阻断三羧酸循环。

（7）苹果酸的生成 延胡索酸酶：催化水化反应，具有立体异构专一性。OH只加入延胡索酸双键的一侧，因此只形成L-型苹果酸。 该酶分子量为200000，由4个相同亚基组成，各含3个自由巯基为酶的活性所必需。

（8）苹果酸被氧化为草酰乙酸 L-苹果酸脱氢酶： NAD是氢的受体。 该步反应是第四次氧化还原反应。 平衡有利于逆反应，但生理条件下，反应产物草酰乙酸不断合成柠檬酸，其在细胞中浓度极低，少于10-6mol/L，使反应向右进行。

(2)TCA生成的能量 107页 丙酮酸 能量“现金” : 1 GTP 能量“支票”: 3 NADH 1 FADH2 NADH Pyr+4NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O----3CO2+CoASH+4NADH+4H+ +FADH2+GTP 丙酮酸 NADH 2.5 ATP FADH2 1.5 ATP 能量“现金” : 1 GTP 能量“支票”: 3 NADH 1 FADH2 能量被保存在NADH, FADH2 和 GTP中。 NADH和 FADH2可通过呼吸链氧化磷酸化 12.5ATP

葡萄糖的有氧代谢生成的能量 TOTAL: 30~32 Glucose ATP 2 Pyruvate 2 Acetyl CoA 2NADH------ 5 (或3) 2 Pyruvate 2 NADH----- 5 2 Acetyl CoA 6 NADH---- 15 2 FADH2--------- 3 2 GTP 2 6CO2+6H2O G0’= - 2870KJ/mol 产能效率40％ TOTAL: 30~32

调节位点 (3)三羧酸循环的调节 108页 受本身制约系统的和ATP、ADP和Ca2+的调节； 底物 (乙酰CoA、草酰乙酸)浓度的推动，产物(NADH)浓度的抑制； 调节位点 柠檬酸合成酶（限速酶） 异柠檬酸脱氢酶 －酮戊二酸脱氢酶 受本身制约系统的和ATP、ADP和Ca2+对柠檬酸循环的调节 底物 (乙酰CoA、草酰乙酸)浓度的推动，产物(NADH)浓度的抑制 柠檬酸合酶(限速酶)： 受ATP、ANDH、琥珀酰-CoA、酯酰- CoA等的抑制。 氟乙酸---氟乙酰-CoA---氟柠檬酸，氟柠檬酸是顺乌头酸酶 的竟争性抑制剂，它与柠檬酸竟争，称致死性合成反应。 琥珀酰-CoA是柠檬酸合酶的竟争性抑制剂。与乙酰-CoA竟争。 异柠檬酸脱氢酶：是一个变构酶 NADH、ATP、丙二酸可抑制此酶，ADP可活化此酶。 α- 酮戊二酸脱氢酶：与丙酮酸脱羧酶的调节相似。它受NADH和琥珀酰CoA和亚砷酸盐抑制。 Ca2+刺激糖原的降解、启动肌肉收缩对异柠檬酸脱氢酶和α- 酮戊二酸脱氢酶有激活作用。

柠檬酸合酶： 该酶是TCA中第二个调节酶酶； 受ATP、NADH、琥珀酰CoA和长链脂肪酰CoA抑制的限速酶。

异柠檬酸脱氢酶： 该酶是TCA中第二个调节酶； 当细胞在高能状态时：即ATP/ADP，NADH/NAD＋比值高，酶活性被抑制； 在低能状态时被激活， ADP可活化此酶。 α－酮戊二酸脱氢酶系 酶的催化活性受其产物NADH、琥珀酰CoA和Ca2+抑制； 细胞高能荷时，ATP、GTP也可反馈抑制酶的活性。 亚砷酸盐抑制 Ca2+刺激糖原的降解、启动肌肉收缩对异柠檬酸脱氢酶和α- 酮戊二酸脱氢酶有激活作用。

三羧酸循环中的物质变化 碳原子的去向 氧原子的来源及去向 氢原子的来源及去向 水分子的来源 C骨架的变化： C2--C6--C5--C4 -- C2 碳原子的去向 氧原子的来源及去向 氢原子的来源及去向 水分子的来源

TCA循环的碳骨架的不对称

(4)TCA的生理意义 110页 糖的有氧代谢是生物机体获得能量的主要途径 三羧酸循环是有机物质完全氧化的共同途径 三羧酸循环是分解代谢和合成代谢途径的枢纽 三羧酸循环产生的CO2，其中一部分排出体外，其余部分供机体生物合成需要

丙二酸可阻断三羧酸循环？ 三羧酸循环顺利进行，要有充足的 草酰乙酸、苹果酸、琥珀酸等C4有机物

(5)三羧酸循环途径的添补反应 丙酮酸羧化支路 保持三羧酸循环顺利进行，要有充足的草酰乙酸、苹果酸、琥珀酸等C4有机物 。 TCA循环中所表现的一种重要的生理意义是许多中间产物都可以作为合成细胞组织成分碳骨架的前体物质，如α-酮戊二酸作为合成Glu、Pro、Hpr的前体；草酰乙酸是Asp 、Trp、 嘧啶类等物质的前体。故这些中间产物随时都有被移作它用的可能，为保证生物的生长，繁殖过程中各种中间代谢产物的恒定，就必需使草酰乙酸的含量不断地得以补充，才能使代谢磨不息地进行。因此生物体存在着两种的补充方式。即：

两种的补充方式 （1）由其它非糖类的物质来补充。如Glu、Asp等。 （2）由糖质分解代谢过程中的中间产物来补充 --------即丙酮酸羧化支路。

NADH＋H＋ NAD＋ NAD＋ NADH＋H＋ 丙酮酸羧化支路的三种途径 由苹果酸酶和苹果酸脱氢酶建立的途径： 　　　（主要存在动、植物、微生物中） 丙酮酸 苹果酸 草酰乙酸 苹果酸酶 苹果酸脱氢酶 NADH＋H＋ 　 NAD＋ 　NAD＋ NADH＋H＋

由丙酮酸羧化酶所催化的反应 （主要存在动物、酵母） 由丙酮酸羧化酶所催化的反应 （主要存在动物、酵母） 丙酮酸 草酰乙酸 CO2 丙酮酸羧化酶 生物素，Mg2＋ ATP ADP 高浓度乙酰CoA是此酶的激动剂， 其生理意义？

由磷酸丙酮酸羧化酶催化 （主要存在植物、微生物） 由磷酸丙酮酸羧化酶催化 （主要存在植物、微生物） 磷酸烯醇式丙酮酸 ＋CO2 ＋H2 O 草酰乙酸 天冬氨酸－草酰乙酸　　 谷氨酸－α－酮戊二酸 异亮氨酸.缬氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸－琥珀酰CoA ADP ATP

补充说明 TCA循环中有二次脱羧反应，脱去的C原子分别来自于草酰乙酸中的C1和C4 。 将乙酰CoA的二个C原子用同位素标记后，经一轮TCA循环后，这两个同位素C原子的去向是 OAA，二轮循环后这两个同位素C原子的去向是OAA和CO2 。 TCA第二轮释放： C2或C5（乙酰CoA的羰基碳100%）和草酰乙酸中的1个羧基碳。 TCA第三轮后释放：C1或C6（乙酰CoA的甲基碳：CH3C=O-CoA，每循环一轮释放50%） 所有中间产物均可循环再生，每一轮循环彻底降解一分子乙酰辅酶A。 TCA第一轮循环释放的CO2全来自草酰乙酸部分，乙酰CoA羰基碳在第二轮循环中释放，甲基碳在第三轮循环中释放50%。以后每循环

真核生物发生在线粒体，原核生物发生在胞质。 柠檬酸转化为草酰乙酸，释放两分子CO2。途径是循环的，中间物不消耗。每消耗一个草酰乙酸分子，就会再产生一个。 三羧酸循环中每氧化一个乙酰CoA，获得的能量物质是3分子NADH、1分子FADH2和1分子ATP/GTP。 除了乙酰CoA，所有能产生三羧酸循环的四碳或五碳中间物的化合物(如氨基酸代谢产物)都能在这个循环中被氧化。 三羧酸循环的中间产物被调出，可以通过回补途径所补充。

　丙酮酸、乙酰CoA 、草酰乙酸的结构 3,4 2,5 1,6 1 4 2,5 1,6 注：丙酮酸和乙酰CoA数字表示在葡萄糖分子中碳的序号

糖酵解与三羧酸循环

思考题： 第90页3,8，9,10,11 第112页2,3，4，8,9 丙酮酸乙酰CoA，催化的酶是？参与的辅酶有？ TCA中两次脱羧部位？限速酶是？ TCA的抑制剂是（丙二酸，氟乙酸等作用机理）？ NADH＋H＋？FADH2？ TCA生理意义？底物水平磷酸化（GTPATP）？ TCA回补途径？ TCA调控？ 乙酰CoA是否进入TCA,草酰乙酸的浓度起重要作用。 1葡萄糖彻底氧化成CO2和H2O，产能ATP多少？分步分析，并写出各阶段总反应式。 第90页3,8，9,10,11　第112页2,3，4，8,9