反应 5 :底物水平的磷酸化 琥珀酰 -CoA 转化成 琥珀酸 ,并产生 GTP 。这是三羧酸循环中唯一一个底物水平磷酸化。 - PowerPoint PPT Presentation

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反应 5 :底物水平的磷酸化 琥珀酰 -CoA 转化成 琥珀酸 ,并产生 GTP 。这是三羧酸循环中唯一一个底物水平磷酸化。

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  1. 反应5:底物水平的磷酸化 琥珀酰-CoA转化成琥珀酸,并产生GTP。这是三羧酸循环中唯一一个底物水平磷酸化。 琥珀酰-CoA的硫酯键是一个高能硫酯键,它的势能可被用来驱动磷酸键的形成。 在琥珀酰-CoA合成酶的催化下,二磷酸鸟苷(GDP)磷酸化成三磷酸鸟苷(GTP)。 Succinyl-CoA + GDP + Pi succinate + GTP + CoASH △G0’= -29 kJ/mol 琥珀酰-CoA 这个反应与酵解中的两个底物水平的磷酸化类似,不同的是在动物细胞中核苷酸产物不是ATP,而是GTP。

  2. GTP可参与蛋白质合成。但大部分合成的GTP通过二磷酸核苷激酶的反应最终驱动ATP的合成。GTP可参与蛋白质合成。但大部分合成的GTP通过二磷酸核苷激酶的反应最终驱动ATP的合成。 GTP + ADP GDP + ATP △G0’= 0.0 kJ/mol 在植物和细菌中,通过琥珀酰CoA和ADP直接合成ATP。

  3. 在合成GTP或ATP的反应中,先形成脱水的琥珀酰磷酸,然后通过使琥珀酰-CoA合成酶的一个特定的组氨酸磷酸化使酶活化。在合成GTP或ATP的反应中,先形成脱水的琥珀酰磷酸,然后通过使琥珀酰-CoA合成酶的一个特定的组氨酸磷酸化使酶活化。 N-磷酸组氨酸再把其磷酸转移到核苷二磷酸底物。 琥珀酰-CoA合成酶催化的反应中N-磷酸组氨酸残基的结构

  4. 反应6:依赖于黄素的脱氢 反应6,7和8把4碳的琥珀酸转换成4碳的草酰乙酸。这三个反应的第一个是由琥珀酸脱氢酶催化的,依赖于FAD的脱氢。这是三羧酸循环中第三个氧化还原反应,琥珀酸脱氢生成延胡索酸。 氢的受体是酶的辅基FAD,这个反应自由能变化不足以还原NAD+。

  5. FAD是通过异咯嗪环上的第8(7)位碳上的甲基与酶蛋白质中的组氨酸残基上的咪唑环氮3连接。FAD是通过异咯嗪环上的第8(7)位碳上的甲基与酶蛋白质中的组氨酸残基上的咪唑环氮3连接。

  6. 黄素辅酶 有两种从维生素B2或核黄素 (riboflavin)衍生出来的辅酶: ·黄素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide, FAD) ·黄素单核苷酸(flavin mononucleotide, FMN)。 异咯嗪 核糖醇 核黄素 黄素腺嘌呤二核苷酸 黄素单核苷酸

  7. 还原的黄素需要再氧化以便使琥珀酸脱氢酶能再参与反应。因琥珀酸脱氢酶可直接与位于线粒体内膜的电子传递系统联接,琥珀酸脱氢产生的还原的黄素(FADH2)可以转移到酶的铁硫中心,然后进入电子传递系统再氧化。还原的黄素需要再氧化以便使琥珀酸脱氢酶能再参与反应。因琥珀酸脱氢酶可直接与位于线粒体内膜的电子传递系统联接,琥珀酸脱氢产生的还原的黄素(FADH2)可以转移到酶的铁硫中心,然后进入电子传递系统再氧化。 琥珀酸脱氢酶中含有三种不同的铁硫簇:2Fe-2S(两个铁原子与两个无机硫结合),3Fe-3S和4Fe-4S。 琥珀酸脱氢酶是三羧酸循环中唯一位于线粒体内膜的酶。心肌线粒体内膜提纯的酶分子量是100000,由70000和29000两个亚基组成。 琥珀酸脱氢酶也有立体专一性,只形成反式异构体延胡索酸(反丁烯二酸),不形成顺式异构体马来酸(顺丁烯二酸)。马来酸不能参加代谢,对有机体有毒性。 丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。

  8. 反应7:碳-碳双键的水合反应 延胡索酸水化生成苹果酸 延胡索酸酶催化这个立体专一水化反应。用标记氘的实验证明H+和OH- 以反式加成,酶具有立体异构特异性,OH-只加入延胡索酸双键的一侧,因此只形成L-苹果酸。延胡索酸的异构体马来酸不是这个酶的底物,这个酶也不能催化从D-苹果酸脱水生成延胡索酸的逆反应。 延胡索酸酶分子量为200000,由4个相同亚基组成,每个亚基含3个自由巯基,是 酶活性所必需的。已从猪心制备了延胡索酸酶结晶。

  9. 反应8:脱氢产生进入下一轮循环的底物 苹果酸脱氢生成草酰乙酸。 这是三羧酸循环中第4次氧化还原反应。L-苹果酸脱氢酶催化依赖于NAD+的脱氢,完成循环。NAD+接受氢还原成NADH。 + + 在标准热力学条件下,平衡有利于逆反应。但是在生理条件下,反应产物草酰乙酸因不断合成柠檬酸而减少,使其在细胞中浓度极低,约少于10-6mol/L,使反应向右进行。

  10. 三羧酸循环反应的总结 △G0’ 反应 酶 (kJ/mol) 1 乙酰辅酶A + 草酰乙酸 + H2O  柠檬酸合成酶-32.2 柠檬酸 + CoA-SH + H+ 2a 柠檬酸  顺乌头酸 + H2O 顺乌头酸酶 2b 顺乌头酸 + H2O 异柠檬酸 顺乌头酸酶+6.3 3. 异柠檬酸 + NAD+ α-酮戊二酸 异柠檬酸脱氢酶-20.9 + CO2 + NADH + H+ 4 α-酮戊二酸 + NAD+ + CoASH α-酮戊二酸脱氢酶-33.5 琥珀酰辅酶A + CO2 + NADH + H+ 5 琥珀酰辅酶A + Pi + GDP 琥珀酰辅酶A合成酶-2.9 琥珀酸 + GTP + CoA-SH 6 琥珀酸 + FAD 延胡索酸 + FADH2琥珀酸脱氢酶0 7 延胡索酸 + H2O 苹果酸 延胡索酸酶-3.8 8 苹果酸 + NAD+草酰乙酸 +NADH + H+苹果酸脱氢酶+29.7 总计 -57.3

  11. 三羧酸循环反应要点: (1)两碳片段(乙酰辅酶A)与4碳受体(草酰乙酸)结合形成柠檬酸。 (2)当柠檬酸进一步代谢时, 以CO2形式失去两个碳。 (3)有4个氧化反应,3个用NAD+作辅酶,一个用FAD作辅酶。 (4)只有一个反应直接产生高能磷酸化合物。 (5)草酰乙酸再产生,以进行下一轮循环。 三羧酸循环的8个反应可写成一个化学平衡方程,总反应式为: 乙酰辅酶A + 2H2O + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi → 2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + CoA-SH + GTP 在动物中,琥珀酰CoA合成酶反应形成的GTP在能量上与ATP相等。在后面的讨论中将用ATP代替GTP。

  12. 如果考虑丙酮酸脱氢酶的反应,考虑到每分子葡萄糖产生2分子丙酮酸,葡萄糖通过酵解和三羧酸循环的分解代谢方程式为:如果考虑丙酮酸脱氢酶的反应,考虑到每分子葡萄糖产生2分子丙酮酸,葡萄糖通过酵解和三羧酸循环的分解代谢方程式为: 葡萄糖 + 6H2O + 10 NAD+ + 2FAD + 4ADP + 4 Pi → 6CO2 + 10 NADH + 10H+ + 2FADH2 + 4ATP 到此为止,每摩尔葡萄糖在这个方程式中只产生4摩尔ATP。在酵解部分产生的ATP是2摩尔。 葡萄糖氧化产生的ATP大多数不是直接从酵解和三羧酸循环产生的,而是通过还原的电子载体在呼吸链中再氧化产生的。

  13. 三羧酸循环和氧化 磷酸化所生成的ATP t ADP ATP

  14. 葡萄糖完全氧化产生的ATP: 每一轮三羧酸循环由琥珀酰CoA合成酶催化的反应产生一分子GTP,GTP可产生ATP。 共有4个脱氢反应,其中有3对电子经NADH进入电子传递链,最后传递给氧生成H2O,每对电子产生3分子ATP,3对电子共产生9分子ATP。一对电子经FADH2进入电子传递链,可产生2分子ATP。 每一轮循环共产生1 + 9 + 2 = 12分子ATP 。 若从丙酮酸脱氢酶的反应开始计算,共产生15分子ATP。 每分子葡萄糖可以产生2分子丙酮酸,因此每分子葡萄糖经酵解,三羧酸循环及氧化磷酸化3个阶段共产生6或8 + 2X15 = 36-38个ATP分子。

  15. 每摩尔葡萄糖完全氧化产生的ATP摩尔数 2 2 2 2

  16. 葡萄糖氧化的△G0’是-2870kJ/mol, ATP水解的△G0’是-30.5kJ/mol。葡萄糖完全氧化能量的利用效率为40%(38x30.5/2870)。 在标准条件下测定的值很可能要比在体内低。 糖,脂肪和某些氨基酸代谢最终产生乙酰CoA,通过三羧酸循环彻底氧化成CO2。通过三羧酸循环进行氧化是体内最主要的产生ATP的途径,在生物进化中保存下来。

  17.  三羧酸循环中碳骨架的不对称反应 乙酰CoA经三羧酸循环产生两分子CO2,草酰乙酸经循环可以再次生成。用同位素14C,13C分别标记乙酰CoA的甲基及羧基碳,发现在第一轮循环中没有标记的CO2释放,说明释放出的两个碳原子并非乙酰CoA的碳原子。 柠檬酸是对称分子,经酶催化生成的α-酮戊二酸应可能有两个产物。 若用标记乙酰CoA合成第一个羧基标记的柠檬酸,由此产生的α-酮戊二酸应一半在α羧基上标记,另一半在γ羧基上标记,也就是α-酮戊二酸的两个羧基都应标记,但是事实上从体内分离的α-酮戊二酸只是γ羧基上有标记。

  18. 虽然柠檬酸是一个对称分子,但它以中间碳原子为中心形成一个四面体,且与顺乌头酸酶有三个不同作用位点,是不对称结合。13CH214COO-与CH2COO-不一致,是由于不对称结合造成的。柠檬酸脱水时氢原子仅来自草酰乙酸部分,所以三羧酸循环的第一轮没有标记的CO2释出。虽然柠檬酸是一个对称分子,但它以中间碳原子为中心形成一个四面体,且与顺乌头酸酶有三个不同作用位点,是不对称结合。13CH214COO-与CH2COO-不一致,是由于不对称结合造成的。柠檬酸脱水时氢原子仅来自草酰乙酸部分,所以三羧酸循环的第一轮没有标记的CO2释出。 虽然第二轮循环开始有标记的CO2释出,也不表明是来自乙酰CoA,因为琥珀酸是对称分子,所以使延胡索酸,苹果酸和草酰乙酸经第一轮循环后都出现同位素标记的碳原子。