1分子丙酮酸氧化脱羧生成多少ATP进入三酸循环产生多少ATP?

第一节 蛋白质的结构与功能

(一)氨基酸结构与分类

1、蛋白质的基本机构:氨基酸。

组成天然蛋白质的20多种氨基酸多属于L-α-氨基酸(“拉氨酸”);

唯一不具有不对称碳原子----甘氨酸;

含有巯基的氨基酸----------半胱氨酸----记忆:半巯;

含有酰胺基的氨基酸--------谷氨酰胺、天冬酰胺;

含有羟基的氨基酸----------苏氨酸、丝氨酸、酪氨酸;

含有2个羧基的氨基酸------谷氨酸、天冬氨酸;

含有氨基的氨基酸----------赖氨酸(2个氨基)、精氨酸;

天然蛋白质中不存在的氨基酸----鸟氨酸、同型半胱氨酸;

不出现在蛋白质中的氨基酸------瓜氨酸;

亚氨基酸---经化学修饰的-------脯氨酸、羟脯氨酸。

(1)非极性、疏水性氨基酸:记忆:饼(丙氨酸)干(甘氨酸)携(缬氨酸)补(脯氨酸)一(异亮氨酸)两(亮氨酸)

(2)极性、中性氨基酸:记忆:古(谷氨酰胺)天(天冬酰胺)是(丝氨酸)伴(半胱氨酸)苏(苏氨酸)丹(蛋氨酸)

(3)酸性氨基酸:记忆:天(天冬氨酸)上的谷(谷氨酸)子是酸的

(4)碱性氨基酸:记忆:碱赖(赖氨酸)精(精氨酸) 组(组氨酸)

(5)芳香族氨基酸:酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸

(6)必需氨基酸:缬、异亮、亮、苯丙、蛋、色、苏、赖氨酸

(7)含硫基氨基酸:半胱氨酸、胱氨酸、蛋氨酸

(8)一碳单位:丝、色、组、甘氨酸

连接两个氨基酸的酰胺键:肽键,肽键由-CO-NH-组成,键长0.132nm,具有一定程度的双键性能,不能自由旋转。

1、二级结构一圈(α-螺旋---稳定)--3.6个氨基酸,右手螺旋方向--外侧。某一段肽链的局部空间结构,不涉及氨基酸残基侧链的空间构象。

2、维持三级结构的化学键-----疏水键。

一级结构:从N端至C端的氨基酸排列序列,肽键,次要的是二硫键;

二级结构:局部主链的空间结构,氢键(稳定);

三级结构:亚基,整条肽链全部氨基酸残基的空间构象。氢键、疏水键、盐键、范德华力;

四级结构:一堆亚基。聚合---氢键、离子键。

※记忆:一级排序肽键连,二级结构是一段,右手螺旋靠氢键,三级结构是亚基,亚基聚合是四级。        考题和亚基有关-----四级结构,只有出现四级结构才有亚基。

三、蛋白质结构与功能的关系

1、蛋白质结构与功能:一级结构是基础,二三四级:表现功能的形式。

2、蛋白质构象病(高级结构改变):疯牛病(PrPC→PrPSc)、致死性家族性失眠症。

3、红细胞中的Hb:成年人--α2β2,胎儿期--α2γ2,胚胎期--α2ε2。

4、镰刀型贫血:割谷(血红蛋白β亚基第6位氨基酸---谷氨酸)子,累了歇(缬氨酸)一会。

5、血红蛋白含有血红素辅基,具有4个亚基,携带氧,可与氧可逆结合,其氧解离曲线为S形;肌红蛋白储存氧。

1、蛋白质变性:空间构象被破坏,主要是二硫键和非共价键的破坏,一级结构不变。

特点:溶解度降低、黏度增加、易被蛋白酶水解,结晶能力消失,生物活性丧失。

2、凝固:变性后进一步发展的一种结果。

3、蛋白质变性:可复性(血清白蛋白)和不可复性两种。---生物活性丧失

注:蛋白酶破坏蛋白质一级结构

变性后易沉淀,沉淀的蛋白质不一定变性,凝固的蛋白质一定变性

蛋白质水解:一级结构被破坏,不可复性

第二节  核酸的结构和功能

一、核酸的基本组成单位

1、核糖+碱基+磷酸→核苷酸→核酸(核苷酸是核酸的基本单位)

2、碱基分5种:ATGCU(腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶)--爱他干脆哦。

3、核酸中含量相对恒定的是:P(磷酸)。

4、核酸的一级结构:酯键,为核苷与磷酸之间的结合键。

5、核酸分子中最为恒定的:磷。蛋白质中最为恒定的:氮。

二、DNA的结构与功能

1、碱基组成规律:A=T,G=C;A+G=T+C。不同生物种属的DNA碱基组成不同;同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。

(1)一级结构:核苷酸排列顺序,也指碱基排列顺序,即DNA序列。

(2)二级结构:双螺旋模式;两条链反向平行。一条链走向为5’→3’,另一条为3’→5’。RNA二级结构是tRNA的三叶草结构。

两链之间----碱基链接,碱基之间----氢键链接。

核苷酸之间的连接键为---3’,5’-磷酸二酯键。

A,T---两个氢键;G,C---三个氢键。

组成多聚核苷酸骨架成分的是----核糖(戊糖)与磷酸。

二级结构记忆:结构独特双螺旋,单链排列反平行,碱基互补氢键配,头5尾3顺到底。

(3)三级结构:超螺旋,是在拓扑异构酶参与下实现的。真核生物染色质(基本组成单位是核小体)中DNA的三级结构是DNA的核小体结构。

3、DNA变性:由稳定双螺旋结构解离为无规则线性结构的现象。变性时维持双螺旋稳定性的氢键断裂,碱基堆积力遭到破坏,但不涉及到其一级结构的改变,溶液黏度降低。---碱基在变

4、增色效应:指变性后DNA溶液的紫外吸收作用增强的效应。变性DNA在波长260nm的光吸收最强,蛋白质为280nm。

5、DNA的Tm值(核酸分子内双链解开50%时的温度---融链温度)与其DNA长短和碱基中的GC含量有关---GC含量越高、离子强度越高,Tm值就越高。

(1)作用:信使、模板、密码。

(2)多为线状单链,局部形成双链。

(3)5’-端有帽子结构(鸟无帽子):帽子结构中多为:m7GpppN(7-甲基鸟苷),3’-端为多聚腺苷酸(polyA)尾巴,polyA增加mRNA的稳定性(3个尾巴多稳定)

记忆:鸟无帽子,3个尾巴多(多聚腺苷酸)稳定

(1)作用:转运,分子量最小。含稀有碱基最多,均是转录后修饰而成的。

(3)tRNA的二级结构:三叶草(5’→3’依次为DHU环+反密码子环+TψC环+相同的CCA结构);三级结构:倒L型。

(4)反密码子:3个碱基与mRNA上相应密码子反向互补。

(1)作用:合成蛋白质场所。

(2)rRNA是最多的一类RNA,也是3类RNA中分子量最大的;rRNA与核糖体蛋白共同构成核糖体,核糖体蛋白为蛋白质合成场所。

1、酶分为:单纯蛋白质的酶和结合蛋白质的酶;清蛋白---单纯蛋白质的酶---无辅助因子。

2、体内结合蛋白质的酶----多数

结合蛋白质酶:酶蛋白和辅助因子组成,辅助因子分为辅酶、辅基;辅酶和酶蛋白以非共价键结合,辅基与酶蛋白结合牢固,一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合,酶蛋白----决定酶反应特异性。

结合蛋白质酶:酶蛋白:决定酶反应特异性

辅助因子:辅基:金属离子,结合牢固

辅酶:小分子有机化合物,结合不牢固,参与反应,起载体作用

3、酶的活性中心:酶分子中直接与底物结合,并催化底物发生化学反应的局部空间结构。

必需基团:分为结合基团和催化基团,酶的活性所必须,在一级结构上可能相距很远,但在空间结构上彼此靠近。对于结合酶来说,辅酶或辅基参与酶活性中心的组成。

处于酶的活性中心外的必需基团不参与酶活性中心的组成。

4、酶促反应--高效催化--降低反应的活化能;高度特异性;可调节性。

二、辅酶与酶辅助因子 

(一)维生素与辅酶关系

B1(硫胺素)、B2(核黄素)、B3(烟酸)、B5(泛酸、CoA)、B6(吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺)、B7(生物素)、B11(叶酸、四氢叶酸)、B12(钴胺素)。

★记忆:1(B1)脚(焦磷酸硫胺素)踢(TPP),2(B2)皇(磺素腺嘌呤二核苷酸)飞(FAD),单(黄素单核苷酸)波段(FMN),酶1P NAD,酶2P NADP---烟酰胺(维生素PP), VB5辅酶A、泛酸(遍多酸)来, VB6醛(磷酸吡哆醛---转氨酶的辅酶)来到,VB11叶酸、四氢叶酸;B12钴胺素。

一碳单位---四氢叶酸---叶酸。

Km:反应速度一半时的底物浓度[S],亦称米氏常数。酶的特征性常数之一,与酶浓度无关。Km值越小,亲和力越大。

2、酶促反应的条件:①PH值:一般为最适为7.4,胃蛋白酶1.5,胰蛋白酶7.8。

②温度:37-40℃,与反应进行的时间有关。

四、抑制剂对酶促反应的抑制作用    竟K大,非V小,反竟都小

1、可逆抑制:竞争性抑制:抑制剂与酶的底物相似,可与底物竞争酶的活性中心,Km增大,Vmax不变。

非竞争性抑制:抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合,不影响酶与底物的结合,Km不变,Vmax降低。

反竞争性抑制:Km减小,Vmax降低。

2、酶原激活:无活性的酶原变成有活性的酶的过程。

(1)盐酸(H+)可激活的酶原:胃蛋白酶原

(2)肠激酶可激活的消化酶或酶原:胰蛋白酶原

(3)胰蛋白酶可激活的消化酶或酶原:糜蛋白酶原

(4)其余的酶原都是胰蛋白酶结合的

3、同工酶:催化功能相同,但结构、理化性质和免疫学性质各不相同的酶。LDH(乳酸脱氢酶)分5种:心→LDH1/LDH4;骨骼肌→LDH3;肝→LDH5。

4、变构调节和共价修饰都是酶的快速调节;酶的诱导和阻遏是酶的缓慢调节。

共价修饰以放大效应调节代谢强度为主;变构调节以影响关键酶使代谢发生方向变化。

(一)糖无氧酵解  迅速供能,红细胞供能的唯一方式。

1、三个阶段:葡萄糖---3磷酸甘油醛,消耗ATP;

3磷酸甘油醛---丙酮酸,生成ATP;

脱氢过程:3-磷酸甘油醛脱氢酶催化----唯一一次脱氢反应;葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖,由己糖激酶催化,不可逆;6-磷酸果糖转变成1,6双磷酸果糖,由6-磷酸果糖激酶-1催化,耗能,不可逆;1,3二磷酸甘油醛氧化为1,3二磷酸甘油酸,生成1分子ATP;磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸,由丙酮酸激酶催化,有ATP生成,不可逆;2,6-二磷酸果糖是6-磷酸果糖激酶最强的变构激活剂。

注:3磷酸甘油醛脱氢产生的NADH+H+,在缺氧的情况下用于还原丙酮酸生成乳酸,在有氧的情况下进入线粒体氧化。

2、糖酵解的3个关键酶(限速酶):己糖激酶、6磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶。记忆:六(6磷酸果糖激酶-1)斤(己糖激酶)冰(丙酮酸激酶)糖无氧酵解

3、磷酸越多,能量越多:1,6二磷酸>6磷酸>葡萄糖。

(1)生理意义:产生能量,而不是产生物质,整个反应过程中草酰乙酸、柠檬酸量不变。

(2)关键酶:柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶(三梭两柠一个酮)。

所有关键酶特点:限速酶,单向酶。

水的形成----脱氢形成。

(3)6个关键物质:一(乙酰CoA)琥(琥珀酸)柠(柠檬酸)住(α-酮戊二酸)草(草酰乙酸)苹(苹果酸)。

(4)发生部位:线粒体,为不可逆反应。

2、底物水平磷酸化:“两酸变一酸”,最终产物为琥珀酸。

(1)1分子葡萄糖有氧氧化生成30或32个ATP;

(2)1分子丙酮酸有氧氧化生成15个ATP;

(3)三羧酸循环一周4次脱氢生成10个ATP、1份FADH、2份CO2、3份NADH;

(4)除了琥珀酸脱氢酶辅酶是FAD,脱掉----FADH2,其余都是NAD。

1、糖原分解:首先生成1-磷酸葡萄糖,再转变为6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖只存在于肝和肾。

2、糖原合成: 6(6-磷酸葡萄糖),1(1-磷酸葡萄糖)儿童节发糖,分解逆向。

3、糖原分解的限速酶:磷酸化酶。

1、糖异生的原料:记忆:乳(乳酸)房干(甘油)了,安(氨基酸)心吃两饼(丙酮酸、丙酸)干。

2、糖异生的关键酶:记忆:笨手(丙酮酸羧化酶)郭二(果糖二磷酸酶)泼硫酸(葡萄糖-6-磷酸酶)。

3、糖异生的生理意义:利于乳酸的利用。

4、在细胞内抑制糖异生的主要物质是:2,6-二磷酸果糖。

1、关键酶:6-磷酸葡萄糖脱氢酶。

2、产物:核糖、NADPH,NADPH+H维持细胞中还原型谷胱甘肽(GSH)的正常含量。

2、血糖去路:①各组织中氧化分解供能---血糖主要去路。

②肝、肌肉等组织中合成糖原。

③转变为非糖物质-----脂肪,非必需氨基酸,多种有机酸。

④转变为其他糖及衍生物。

⑤超过肾糖阈(8.89mmol/L),葡萄糖由尿中排出,出现糖尿。

1、生物氧化:指糖、脂类、蛋白质等营养物质在体内及体外氧化生成CO2和H2O的过程。

2、人体活动的主要功能物质是:ATP。

3、氧化磷酸化包括:①物质氧化递氢的过程;②ADP磷酸化→生成ATP相耦联的过程。

4、氧化磷酸化通过ATP合成酶的参与在线粒体内完成,有2条呼吸链:

2、CoQ的作用:递氢;

6、氰化物中毒:抑制了细胞色素aa3。

7、氧化磷酸化的解耦联剂:2,4-二硝基酚(DNP)。

8、CoQ是线粒体中不同底物氧化呼吸链的交汇点;G6P是糖代谢不同途径的交汇点;乙酰CoA是糖、脂肪、蛋白质三大物质代谢的交汇点。

1、必需脂肪酸:亚麻酸(最重要)、亚油酸、花生四烯酸。记忆:麻油花生

2、胆固醇可以转变成:1,25-二羟维生素D3(促进钙磷吸收,有利于骨的生成和钙化),胆汁酸,类固醇激素(糖皮质激素、盐皮质激素、雄激素、雌激素、孕激素)。

1、肝、脂肪组织和小肠,位于内质网---合成甘油三酯的主要场所,肝脏能力最强---肝不贮存甘油三酯。

2、脂肪合成的原料:脂肪酸、3-磷酸甘油三酯,可由葡萄糖氧化分解提供。

3、脂肪酸的合成部位:肝细胞质;线粒体----糖代谢。

脂肪酸的合成原料:乙酰辅酶A、NADPH。

乙酰辅酶A进入线粒体主要通过柠檬酸—丙酮酸循环完成。

脂肪酸合成:激活ACP----脂酰基载体。

4、脂肪酸合成的载体:乙酰CoA;脂肪酸分解的载体:肉毒碱-脂酰转移酶。

5、脂酸合成的循环过程:缩合—加氢—脱水—再加氢。

1、脂肪动员的关键酶:甘油三酯脂肪酶。脂肪动员产物是甘油。

胰岛素、前列腺素:抑制动员。   甘油→3-磷酸甘油

2、脂肪酸β氧化:脂肪分解的主要方式,关键酶--肉毒碱-脂酰转移酶--限速酶。2N个C的脂酸可进行(N-1)次β-氧化,共生成(14N-6)个ATP。

直接生成---乙酰辅酶A。

脂酸的活化:脂酰CoA生成,在线粒体外进行;然后通过肉碱脂酰转移酶I的帮助进入线粒体,此步是脂酸β氧化的主要限速步骤。

脂肪酸β氧化的过程:脱氢—加水—再脱氢—硫解,反应是可逆的,部位:线粒体。

3、酮体:由乙酰乙酸、β-羟丁酸和丙酮组成,以乙酰辅酶A为原料。

体内脂肪大量动员----生成酮体

作用:饥饿时为脑、肌肉供能

肝内生成,缺乏琥珀酰CoA转硫酶所以肝外利用

酮体合成关键酶:HMG-CoA合成酶

甘油磷脂:甘油、脂肪酸、磷酸组成;组成卵磷脂的--胆碱,脑磷脂的--乙醇胺,心磷脂--甘油。

五、胆固醇代谢:原料是乙酰辅酶A,合成关键酶:HMG-CoA还原酶。

记忆:但愿(胆固醇,HMG-CoA还原酶),同贺(酮体,HMG-CoA合成酶)。

转化:1、转化为胆汁酸------体内主要去路。

2、转化为类固醇激素。

3、转化为7-脱氢胆固醇。

HDL---肝、肠、血浆---逆向转运胆固醇(肝外→肝内);

LDL---血浆、由VLDL转变来---转运内源性胆固醇;

VLDL---与脂肪肝有关----转运内源性甘油三酯及胆固醇;

CM----小肠黏膜细胞---转运外源性甘油三酯及胆固醇。

第七节  氨基酸的代谢

1、蛋白质的氧化供能可完全由糖和脂肪代替,所以供能是蛋白质的次要生理功能。

记忆:写(缬氨酸)一(异亮氨酸)两(亮氨酸)本(苯丙氨酸)淡(蛋氨酸--甲硫氨酸)色(色氨酸)书(苏氨酸)来(赖氨酸)。

3、蛋白质的互补作用:营养价值较低的蛋白质混合食用,则必须氨基酸可以互相补充从而提高营养价值。谷类含色氨酸多,豆类含赖氨酸多。

4、体内转氨酶---L-谷氨酸最为重要;转氨酶的辅酶(关键酶):磷酸吡哆醛---VitB6。L-谷氨酸脱氢酶的辅酶是NAD+和NADP+。

5、联合脱氨基作用:主要在肝肾进行,氨基酸的转氨基作用和氧化脱氨基作用耦联进行的方式。

6、体内主要的脱氨基方式:联合脱氨基作用,氧化前先脱去氨基,目的:合成尿素,非供能。但肌肉通过嘌呤核苷酸循环脱氨基(实际上也是一种联合脱氨基作用)。

7、氨的去路:肝脏线粒体+胞液内合成尿素(鸟氨酸循环),再由肾脏排出体外。脑---合成谷氨酰胺;肌肉---合成丙氨酸,通过丙氨酸-葡萄糖循环以丙氨酸+谷氨酰胺的方式运送至肝;血液中的运输形式---丙氨酸+谷氨酰胺。

8、鸟氨酸的关键酶:氨基甲酰磷酸合成酶。

     鸟氨酸循环:记忆:鸟呱呱叫,真精明。叫之前吃----氨基甲酰磷酸。

9、组氨酸脱羧基生成:组胺,组胺作用为血管舒张剂,增加毛细血管通透性。

半胱氨酸脱羧基生成:牛磺酸、硫酸根(活化为PAPS)。

     谷氨酸脱羧基生成:γ-氨基丁酸(GABA)----抑制性神经递质,对中枢神经有抑制作用。

10、一碳单位:不能游离,主要功能是作为嘧啶和嘌呤的合成原料,来源于丝氨酸、甘氨酸、组氨酸、色氨酸、蛋氨酸。四氢叶酸(FH4)----一碳单位的载体和代谢的辅酶。一碳单位代谢不足或FH4不足时可引起巨幼贫。

记忆:丝(丝氨酸)舍(色氨酸)一根(一碳单位)竹(组氨酸)竿(甘氨酸)去四清(四氢叶酸)。

11、甲硫氨酸可转变为胱氨酸和半胱氨酸(后两者可互相转变,但不能转变为甲硫氨酸);转甲基酶也叫甲硫氨酸合成酶,其辅酶是VitB12。

12、苯丙氨酸→酪氨酸→儿茶酚胺(多巴、多巴胺、NE、去甲肾上腺素、肾上腺素、尿黑素、延胡索酸、乙酰乙酸)。合成黑色素。

缺乏苯丙氨酸羟化酶---苯丙酮尿症;缺乏酪氨酸酶---白化病。

苯丙氨酸羟化酶和酪氨酸羟化酶的辅酶都是四氢生物蝶呤。

第八节  核苷酸代谢

1、体内嘌呤核苷酸的从头合成AMP、GMP的原料包括:天冬氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺,磷酸核糖、CO2和一碳单位。主要在肝、小肠黏膜及胸腺的胞液中合成。

记忆:天(天冬氨酸)气干旱(甘氨酸),谷子险(谷氨酰胺)了。

2、体内嘌呤分解的终产物----尿酸;氨基酸脱氢的产物----尿素。

体内尿酸过多引起痛风症,别嘌呤醇(类似次黄嘌呤)可抑制黄嘌呤氧化酶,减少尿酸形成。

嘧啶核苷酸分解:胞嘧啶C→β-丙氨酸;胸腺嘧啶T→β氨基异丁酸。

4、5-氟尿嘧啶化学结构类似胸腺嘧啶;甲氨蝶呤类似叶酸;氮杂丝氨酸类似谷氨酰胺;化疗:干扰dTMP合成。阿糖胞苷类似核苷,抑制CDP还原成dCDP,也能影响DNA的合成。

嘌呤核苷酸从头合成关键酶:磷酸核糖焦磷酸合成酶---PRPP合成酶。记忆:3个P

第九节  遗传信息的传递

1、DNA生物合成包括:DNA复制、逆转录;

DNA复制---以母链DNA为模板,有特定起始点,碱基互补,方向相反;

逆转录---以RNA为模板;都由DNA聚合酶参与完成。双向半保留复制。

2、原核生物的DNA聚合酶有三种:DNA-polⅠ、DNA-polⅡ、DNA-polⅢ--最主要;作用为5’-3’延长脱氧核苷酸链的聚合活性和5’- 3’核酸外切酶活性。

3、逆转录催化以mRNA为模板,合成cDNA,cDNA与RNA互补,是逆转录酶催化生成的。

4、紫外线(UV)可引起DNA链上相邻的两个嘧啶碱基发生共价结合,生成嘧啶二聚体---皮肤癌。

5、涉及核苷酸的数目变化的DNA损失形式:插入突变。

DNA损伤修复:切除修复、直接修复、重组修复、SOS修复。

6、镰刀形红细胞贫血患者,其血红蛋白β链N端第6个氨基酸残基谷氨酸被缬氨酸代替。随从链---冈崎片段----半不连续复制的片段,5’-端带1个RNA引物。

1、RNA转录是以DNA为模板合成RNA的过程。

RNA全酶α2ββ′σ=核心酶+σ亚基。

3、RNA的3种5个亚基:α2、β、β′、σ----组成五聚体蛋白质。

4、原核生物中α亚基决定转录基因类型;σ亚基辨认转录起始点。

5、RNA聚合酶对α-鹅膏蕈碱敏感性:Ⅰ不敏感,Ⅱ十分敏感,Ⅲ较敏感。

6、原核生物mRNA转录终止需要ρ因子、Rho因子。

8、真核生物mRNA转录后加工:①首尾修饰即5’-加帽,3’-加尾;②mRNA剪接即去除内含子连接外显子;③甲基化修饰。

第十节  蛋白质生物合成

1、蛋白质生物合成:以mRNA为模板,按照mRNA分子中的核苷酸组成的密码信息合成蛋白质分子中氨基酸序列的过程,也称翻译。

2、起始密码子:AUG,终止密码子:UAA、UAG、UGA。

3、氨基酸的化学修饰:糖基化、羟基化、甲基化、磷酸化、二硫键形成、亲脂性修饰。其中羟基化生成羟脯氨酸。

4、核蛋白体(rRNA)---蛋白质合成场所;氨基酸-tRNA合成酶---起重要作用。

蛋白质合成起始物之一:氨基酸-tRNA-----也叫甲硫酰-tRNA。

第十一节  基因表达调控

1、基因表达包括基因转录及翻译的过程。

2、诱导:可诱导基因在一定的环境中表达增强的过程----从弱到强。

阻遏:可阻遏基因表达产物水平降低的过程----从强到弱。

管家基因:在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达。

3、发生在转录水平,尤其是转录起始水平的调节,对基因表达起着至关重要的作用。

4、RNA聚合酶与基因的启动序列/启动子相结合。

5、操纵子组成:(1)1个自动序列P

操纵子只有一个启动序列及数个可转录的编码序列。

1、顺式作用元件:指可影响自身基因表达活性的DNA序列,由沉默子、启动子、增强子等组成。

启动子----DNA分子上能被RNA聚合酶特异结合的部位。

2、反式作用因子:调控另一基因转录的某一基因编码蛋白质。

真核基因转录调节蛋白----转录因子。

第十二节  信息物质、受体与信号转导

(1)蛋白激酶A通路【PKA通路】:肾上腺素---cAMP---PKA---丝氨酸、苏氨酸磷酸化;作用激素:肾上腺素;第二信使:cAMP

记忆:肾上腺素AA丝苏

(2)蛋白激酶C通路【PKC通路】:三磷酸肌醇(细胞内第二信使)---Ca2+---PKC---丝氨酸、苏氨酸磷酸化;两个第二信使:IP3和DAG(甘油二酯)

(3)酪氨酸蛋白激酶通路【TPK通路】:表皮生长因子---酪氨酸

1、限制性内切酶:识别、切割。识别DNA的特异序列,并在识别点或其周围切割双链DNA的一类内切酶。

2、基因载体:又称克隆载体,具有自我复制、表达功能的克隆载体。

3、聚合酶链反应:PCR技术,大量获得、合成DNA。

4、基因治疗:指向有功能缺陷的细胞导入具有相应功能的外源基因,以纠正或补偿其基因缺陷,从而达到治疗的目的。基因治疗包括体细胞基因治疗和性细胞基因治疗。

第十四节  癌基因与抑癌基因

1、癌基因是指在体外引起细胞转化,在体内诱发肿瘤的基因。

2、病毒癌基因感染宿主细胞能随机整合于宿主细胞基因组。

3、细胞癌基因又称原癌基因----正常人身上也有。

癌症:癌基因,抑癌基因都突变。

第十五节  血液生化

1、血浆蛋白中:清蛋白---含量最多。

电泳速度:PH8.6的***溶液做缓冲液。清蛋白---最快,γ球蛋白---最慢。

2、Hb:由珠蛋白和血红素组成,成人珠蛋白--α2β2,胎儿--α2γ2;合成血红素的原料:甘氨酸、琥珀酰CoA和Fe2+;始末---线粒体内,中间阶段---胞浆内。

ALA合酶----血红素合成的关键酶;辅酶:磷酸吡哆醛。

促红细胞生成素(EPO)主要调节血红素----肾。

蚕豆病:6-磷酸葡萄糖脱氢酶缺乏。

3、红细胞内的糖酵解还存在侧支循环:2,3-二磷酸甘油酸(2,3-BPG)旁路,可调节血红蛋白的运氧能力。

第十六节  肝胆生化

1、有些物质经过第一相反应(氧化、还原、水解)后,还须进一步与葡萄糖醛酸、硫酸等极性更强的物质相结合,以得到更大的溶解度才能排出体外,这些反应属于第二相反应(各种结合反应)。

2、胆汁酸主要固体成分-----胆汁酸盐。

3、初级胆汁酸:胆酸、鹅脱氧胆酸及胆汁酸与甘氨酸或牛磺酸的结合产物。

4、次级胆汁酸:指初级胆汁酸在肠道受细菌作用,第7位α-羟基脱氧生成的胆汁酸,包括脱氧胆酸和石胆酸及其在肝中分别与甘氨酸或牛磺酸结合生成的结合产物。

5、胆汁酸合成的限速酶:胆固醇7α-羟化酶----胆固醇转变为胆汁酸的关键酶。

苯丙氨酸羟化酶缺乏---苯丙酮尿症

酪氨酸缺乏---白化病

6磷酸葡萄糖脱氢酶缺乏---蚕豆病

葡萄糖醛酸转移酶缺乏---新生儿高胆红素血症

谷氨酸被缬氨酸代替---镰刀状贫血

嘌呤代谢紊乱---痛风

1、糖酵解的3个关键酶(限速酶):记忆:六(6磷酸果糖激酶-1)斤(己糖激酶)冰(丙酮酸激酶)糖。

2、糖原分解的限速酶:磷酸化酶。

3、糖异生的关键酶:记忆:笨手(丙酮酸羧化酶)郭二(果糖二磷酸酶)泼硫酸(葡萄糖-6-磷酸酶)。

4、磷酸戊糖途径关键酶:6-磷酸葡萄糖脱氢酶。

5、酮体合成关键酶:HMG-CoA合成酶---记忆:同贺。

6、胆固醇合成关键酶:HMG-CoA还原酶---记忆:但愿。

7、血红素合成的关键酶:ALA合酶。

8、转氨酶的辅酶(关键酶):磷酸吡哆醛----VitB6。

9、胆固醇转变为胆汁酸关键酶:7α-羟化酶。

10、嘌呤核苷酸从头合成关键酶:磷酸核糖焦磷酸合成酶---PRPP合成酶。

一分子葡萄糖被细胞摄取,

先是借助转运蛋白跨过细胞膜;

后又历经胞质糖酵解的十重关卡,

才最终“修成正果”——丙酮酸。

那么葡萄糖的闯关之路如此曲折

“新生儿”--丙酮酸肩负产能的重任 

接下来要如何打拼出一番事业

为机体做出贡献呢? 

一起来瞧瞧糖酵解的后续↓↓↓↓↓↓ 

经济又高效的有氧供能途径---

让我们以丙酮酸的视角在TCA循环中走上一圈 

各位观众老爷们,这里先给您报个幕~


如果你热爱健身,想必一定听说过肌酸(Creatine),许多厂商将其制作成保健产品,有补充能量,肌肉增力等优点,那么肌酸究竟好在哪里呢?

肌酸在体内能够被磷酸化为磷酸肌酸(Phosphocreatine,PC),PC充当能量的储剂,在机体需要能量时能够快速合成腺苷三磷酸(Adenosine triphosphate,ATP),因此肌酸可以作为增强肌肉爆发力和耐力的补品。每天我们都要靠大量的ATP来供能,维持我们生龙活虎的状态,ATP结构中高能磷酸键的发现让”能量“不再是一个看不见摸不着的东西。



ATP分子断裂高能磷酸键为机体供能

那么机体如何获取ATP呢?上回书中()我们发现一分子的葡萄糖经历了细胞质中糖酵解作用(EMP途径),消耗2分子ATP,产生4分子ATP,净剩2分子ATP,同时生成2分子的丙酮酸和NADH。

通过EMP途径,一分子葡萄糖最终只产生了2分子ATP,实在不够用啊!真正的物尽其用,可不是随便说说而已,含有6个碳原子的葡萄糖,其价值远不止于此,若机体只靠糖酵解作用来获得能量,我们可能马上就会濒临死亡。因为多细胞生物不仅要维持细胞的生长分裂,同时还要负责整个机体的新陈代谢。对我们来说,光靠EMP来产能远远不够。


因此,在氧气的存在下,细胞利用线粒体作为产能车间,将葡萄糖的酵解产物丙酮酸通过三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA)彻底氧化分解,充分发挥产能效应。

在谈具体的TCA反应流程前,先让我们看看丙酮酸面临的去向与抉择:

丙酮酸的命运抉择--无氧还是有氧?


葡萄糖经历EMP作用,将NAD+转变为NADH。NAD+是氧化还原反应中传递电子的辅酶,为细胞生存过程所必要。在无氧或是缺氧状态下,细胞通过无氧呼吸将丙酮酸转变成不完全代谢产物乙醇(植物中)或是乳酸(动物中):丙酮酸在丙酮酸脱羧酶催化下,生成乙醛,进而被还原成乙醇;或是在乳酸脱氢酶的催化下,被还原成乳酸(见下图两条红色支路)。


图片来源:(全网最科学谈酒-在喝酒与化学之间 - 知乎)

无氧呼吸只能够为机体提供2分子的ATP来维持机体基本的生存。但是,若细胞需要能量的快速供给时,无氧呼吸所介导的有机物不完全氧化过程产生的能量较少,细胞进而会加速糖酵解速率来补偿低的ATP产额,这一过程造成不完全氧化产物的积累,对细胞产生毒性(如动物的疾跑会造成乳酸堆积,破坏肌肉微细结构,导致肌肉酸痛的现象);此外,无氧呼吸也加速了对糖的消耗,有耗尽可供呼吸物质的危险 [1]。所以无氧呼吸不能满足我们的生存需要,还可能给机体造成伤害。


工作学习、交流聚餐、唱歌跳舞、看书品茶,我们的生活行为如此复杂且丰富,糖酵解或无氧呼吸的产能效率显然不能满足我们的各种需求。在氧气的参与下,瞬间豁然开朗,胞质中的丙酮酸优先进入到线粒体内(即上图第一条蓝色支路),先转换成高能分子乙酰CoA,再经过TCA循环彻底地氧化分解成CO2和H2O。TCA循环能够合成大量的ATP分子,为生命体的各种生理过程(如肌肉收缩、生物合成、细胞运动、细胞分裂、主动转运、神经转导等[2])提供能量;同时,TCA循环这个能量圈圈,除了作为细胞能量这一“货币生产厂”以外,还是“底物中转站”和“代谢交流所”,可谓是多能代谢途径于一圈(“身”)。

因此,丙酮酸通过有氧呼吸进入TCA循环代谢产能,可说是多细胞生物向愈发复杂化进化发展的必然选择。


说了这么多,TCA循环到底是怎么样的“圈圈”?它又是如何运转的?别急,这就来啦~~

作为胞质中糖酵解的最终产物,丙酮酸有以下几种去向:在细胞质中:可通过无氧呼吸生成乳酸(或乙醇)、或与谷氨酸在谷丙转氨酶(Glutamate pyruvic transaminase,GPT)催化下生成丙氨酸和α-酮戊二酸。在线粒体中:在能量充足的情况下,丙酮酸在丙酮酸羧化酶(Pyruvate carboxylase,PC)作用下生成草酰乙酸(Oxaloacetic acid,OAA),参与糖异生作用;在能量匮乏的情况下,丙酮酸则会优先转化成乙酰CoA,参与TCA循环,而这,就是我们故事的开端啦! 


TCA的前期准备—丙酮酸变身乙酰CoA

华丽变身(丙酮酸脱羧加高能键--变成乙酰CoA)

丙酮酸在有氧状态下通过扩散作用穿过线粒体外膜,进入间隙中,再与位于线粒体内膜上的线粒体丙酮酸转运载体(Mitochondrial pyruvate carrier,MPC)结合,借助线粒体膜间隙的质子梯度(质子动力势)以协同运输的方式和质子一起转运到线粒体基质中,进而被基质内的丙酮酸脱氢酶系(pyruvate dehydrogenase complex,PDH)氧化成乙酰CoA

等等,PDH是个啥?都包含哪些酶类? 这些酶类又是如何协同地介导丙酮酸脱羧呢?快一起往下看吧!

丙酮酸转换成乙酰CoA

complex,PDH是多种酶和辅助因子通过非共价键结合在一起形成的多酶复合体,包含三种酶类:丙酮酸脱氢酶(Pyruvicacid dehydrogenase,PDH,即E1)、二氢硫辛酸转乙酰酶(Dihydrolipoyl

2.三步反应:丙酮酸转变为乙酰CoA的反应可以概括为以下三个步骤:丙酮酸的脱羧;碳单位的转移和氧化;氧化型硫辛酰胺的再生。反应将三碳(3C)的丙酮酸转变为二碳(2C)分子乙酰CoA。

咱们一步一步来看┗|`O′|┛ 嗷~~

随后TPP接受反应后的乙酰基,乙酰基的羰基与TPP结合,发生加成反应,进而乙酰基变为羟乙基,生成了中间物羟乙基-TPP(2C)。


第二步:碳单位的转移和氧化

在E2的催化下,硫辛酰胺接受羟乙基-TPP中的羟乙基,形成中间物(乙酰二氢硫辛酰胺),进而在E2的作用下,CoA接受乙酰基,转变为乙酰CoA,此时硫辛酰胺的氧化型二硫键(-S-S-)被还原成两个分开的巯基(-SH)。


碳单位的转移和氧化示意图


碳单位的转移和氧化反应式

第三步:氧化型硫辛酰胺再生

随后,E3借助辅因子FAD,将还原型硫辛酰胺氧化成原来的形式,二硫键(-S-S-)再次形成,而FAD则被还原成了FADH2。之后,为了保证PDH反应前后功能上的一致,在E3的作用下将一分子的NAD+还原成NADH,使得FADH2又恢复成原本的氧化态FAD,继续在PDH中发挥氧化硫辛酰胺的功能。


氧化型硫辛酰胺再生示意图


氧化型硫辛酰胺再生反应式

3. 调控:以上是丙酮酸进入TCA产能的前过程,生物能量利用的经济性使然,该反应受到严格而多样的调控,包括:PDH产物的竞争性反馈抑制(乙酰CoA和NADH);E1的共价修饰调节,例如,E1受到丙酮酸脱氢酶激酶(Pyruvate dehydrogenase phosphatase,PDP)的磷酸化和去磷酸化修饰,磷酸化的E1为失活状态;而PDKs和PDP又受到别构调节,如细胞能量状态指示剂ATP、乙酰CoA和NADH能够激活PDKs,进而间接地抑制PDH的活性;而ADP和丙酮酸则能够抑制PDKs,并间接激活PDH的活性;胰岛素能够激活PDP,从而解除磷酸基团对于PDH的抑制作用。因此,PDH主要受到双酶的共价修饰调节,从而能够精确地根据细胞能量状态来影响糖代谢。

有PDH把关,TCA稳稳的

看到这里,你是否疑惑,PDH系统构成复杂,丙酮酸氧化脱羧步骤繁琐,细胞为什么不能简化反应?为什么不能让丙酮酸直接进入TCA循环中呢?


PDH系统——TCA的闸门

1.不可逆反应保证了TCA的底物优先可得性。在高等动植物中,由PDH催化的丙酮酸生成乙酰CoA的过程是不可逆的,只有在某些能够利用CO2的微生物中,该过程才会可逆(见下文番外篇:“反向TCA”)。在有氧的状态下,丙酮酸在线粒体基质中会优先结合PDH,在PDH的催化下生成乙酰CoA。因此,由PDH所进行的将丙酮酸变为乙酰CoA的转换是糖有氧氧化中关键的不可逆反应,这一过程保证了TCA可以优先获得反应底物,为机体的代谢反应供能,在各个组织中均不可或缺。

另外,当细胞能量充足时(有丰富的碳骨架--线粒体基质内有过多的乙酰CoA时),乙酰CoA会反过来抑制PDH活性(产物的竞争性反馈抑制),并别构激活线粒体基质中的丙酮酸羧化酶(Pyruvate carboxylase,PC),在PC的作用下,丙酮酸转化成OAA,参与糖异生作用。肝脏是进行糖异生作用的主要器官,丙酮酸在肝细胞中既可以参与TCA,也能作为糖异生的底物,因此PDH利用丙酮酸的不可逆氧化和乙酰辅酶A对PDH和PC的调控,则利于肝细胞根据机体能量状态进行TCA并控制肝糖输出,在肝脏中是重要的反应。

2.多酶多反应步骤使得TCA的调控更精细。催化这个反应的PDH受到很多因素的影响,如反应产物乙酰CoA和NADH可以分别抑制酶系中的E2和E3的活性;如能量指示剂,ATP(表明能量充足)能够抑制E1的活性,而ADP(表明能量不足,需要生成ATP)和胰岛素(表明葡萄糖充足,可用来氧化产能)能够激活其活性。

PDH作为TCA的看门者,需要机体的严格把关。这一设计使得机体能够更精细的根据自身的营养需要判断分解代谢是否应该进行,从而有效地调节生物分子分解和合成代谢的平衡。


经过了PDH的洗礼,丙酮酸披上了华丽的外衣,转变成了高能分子乙酰CoA。乙酰CoA作为反应性强的高能小分子,不仅能够通过丙酮酸氧化脱羧产生;还能通过其他能源物质(如脂肪酸)分解代谢所产生,所以乙酰CoA可作为糖脂途径共同的代谢小分子参与TCA循环。


第一幕:脱羧阶段——CO2的释放

TCA循环中包含几个主要的中间代谢物是含有三个羧基的有机酸(柠檬酸、异柠檬酸和草酰琥珀酸),故被称为三羧酸循环(Tricarboxylic acid cycle,TCA cycle)),简称TCA循环。

TCA循环共包括8步反应,均在线粒体基质中进行。其中有三步不可逆,保证了TCA单向且有效的运转。最初,乙酰CoA作为一个二碳分子,加入到TCA的碳原子循环中,最终,以两分子CO2的形式被完全的代谢掉。过程所释放的自由能推进了TCA后续反应中碳单位的转移和重塑,产生更多的高能分子ATP(由氧化磷酸化生成)和GTP(由底物水平磷酸化生成)等。

三羧酸循环(TCA)概览

随着TCA循环中碳原子的转移,各个代谢分子都得到了更新和再生,这使得TCA循环和其他代谢途径的底物分配周转自如。

这是一场让人眼花缭乱的碳移位满分操作来啦~


第一步:限速把关碳乘三(乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸)

初入职场的乙酰CoA虽然只是一个含有高能键的“小小”二碳分子,却有着不小的野心和抱负,但踏入大门才发现自己一个大佬(酶)都不认识。草酰乙酸(Oxaloacetic acid,OAA)作为糖代谢的大红人,游荡在线粒体与细胞质基质中。它看到了乙酰CoA作为合资人的潜质,介绍给柠檬酸合酶(Citrate-synthase,CS)认识,乙酰CoA(2C)在伯乐OAA(4C)的游说下终于和CS握了手,最终和OAA合体,形成柠檬酸(6C)。


反应酶:柠檬酸合酶(Citrate-synthase,CS)是由两个亚基构成的二聚体,每个亚基的两个结构域构成一条较深的裂缝,其中含有草酰乙酸(Oxaloacetic acid,OAA)的结合位点。CS作为TCA循环第一步反应的催化酶,受到严格调控,该反应是不可逆的限速步骤。

反应流程:OAA与CS活性中心结合,使酶发生相应构象变化,从而创造出乙酰CoA的结合位点,CS的组氨酸残基掠取乙酰CoA的氢原子,使其碳原子不稳定,帮助乙酰CoA的负碳离子亲核进攻OAA羰基,二者偶联形成中间物(柠檬酰CoA),CS构象再次发生变化,天冬氨酸残基(Asp)切断柠檬酰CoA硫酯键,释放产物(柠檬酸和CoA)。反应释放的CoA可继续作为酰基载体,在氧化还原反应中被利用,而柠檬酸继续参与氧化分解。

乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸

大家一定听说过毒鼠强,这是一种氟乙酸类鼠药,包括氟乙酰胺、氟乙酸和氟乙酸钠等。其灭鼠效果源于氟代乙酸是乙酸的类似物,能够被乙酰-CoA合成酶识别,在其催化下生成氟酰-CoA,氟酰-CoA能够与OAA缩合生成氟代柠檬酸而非柠檬酸。顺乌头酸酶(ACO)含有铁硫聚簇(Fe-S),而氟酰-CoA能够和Fe-S紧密结合,虽不是和酶活性中心共价相连,但结合力极强,氟酰-CoA“霸占”ACO活性中心,作为不可逆抑制剂抑制其活性,从而抑制TCA,造成全身能量耗竭,引起多脏器损害,达到灭鼠的目的,但由于死鼠中残存的氟乙酸仍会被其他动物接触,废水中也会残存,会造成环境污染和二次毒性,因此这种熟知的灭鼠药现已被禁用。


第二步:羟基异位谋发展(柠檬酸异构化形成异柠檬酸)

自从和OAA合体以后,乙酰CoA变大了,也变强了,大家都叫TA:“柠檬酸”。

柠檬酸在TCA部门混了个脸熟,却没有进一步发展。请教了一圈,其他分子都说:“要想融入TCA,就要保持周转,不能停滞不前。”于是职场小白柠檬酸决定改变自己,适应这里!柠檬酸本身不易氧化。因此,柠檬酸找到了造型师ACO帮忙打理外(结)表(构),一番脱水加水、羟基移位操作,成功变身为易于脱氢氧化的异柠檬酸。

反应酶:乌头酸酶(aconitase,ACO)本质上是一个铁硫蛋白。含有由共价键结合的4个铁原子、4个无机硫化物和4个半胱氨酸硫原子形成的Fe-S聚簇。Fe-S聚簇可参与底物的脱水和再水合作用。

反应流程:柠檬酸的羟基处于第三位碳原子上,属于叔醇化合物,其本身的结构不利于氧化。为了参与下一步的氧化脱羧,柠檬酸在ACO作用下,先脱水再加水,使柠檬酸羟基由β碳原子转移到α碳原子上,实现了羟基的异位转变,羟基加在第二位碳原子上,成为了拥有伯醇基的异柠檬酸,为进一步的氧化脱羧反应作准备。

柠檬酸异构化形成异柠檬酸

在有机化学中,α-碳原子是用来标记碳原子顺序的,α位代表靠近官能团的第一位碳原子,以此类推,就依次命名为β,γ,Δ碳原子等等。若化学分子包含有多个官能团,则要考虑主链官能团的优先性去命名。一般主链官能团级别最高的是羧酸,其次是胺,再其次是醛酮,之后是醇,醚,炔,烯,烷等,卤素和硝基一般不考虑作为主链官能团。该命名方式有利于在众多复杂的化学结构中分析特定碳原子的性质,方便交流讨论。

反应的活泼程度与碳原子所处位置相关,α碳上的氢原子是极为活泼的,极易发生各种反应,其次为β碳上的氢原子,依此类推。因此,在TCA循环的第二步反应中,柠檬酸的氢原子位于β碳原子上,不易发生氧化作用,故借助ACO,将氢原子移位到α碳原子上,生成异柠檬酸,异柠檬酸α位的H原子较活泼,更易于进行第三步的氧化脱氢反应。

第三步:氧化脱羧裂-C-C-(异柠檬酸氧化形成α-酮戊二酸) 

        变身异柠檬酸后,机遇果然很快来了。异柠檬酸被IDH一眼看中,和他一起跑业务,并他的指点下和能量大佬NADH签成大单,为细胞供应大量紧俏的NADH。手握合同,回想着争取业务的辛劳过往,异柠檬酸(6C)长舒一口气,吐出CO2,变成了更轻盈更强大的α-酮戊二酸(5C)。 

反应酶:异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase,IDH)是多亚基变构调节酶,介导TCA连续两步氧化还原反应,先脱氢后脱羧。在真核生物线粒体中,IDH能够利用NAD+作为氢的受体,使得β-羟酸(异柠檬酸)氧化成β-酮酸(草酰琥珀酸),草酰琥珀酸结构不稳定,促进相邻C-C键的断裂,生成α-酮戊二酸,同时释放一分子CO2和一分子NADH。

异柠檬酸氧化形成α-酮戊二酸

第四步:加能氧化再脱羧(α-酮戊二酸氧化脱羧形成琥珀酰CoA)

初战告捷后,α-酮戊二酸转到了大佬α-KGDHC手下干活。新工作很有挑战性,一开始进展不大,有同事开始在背后说闲话,说上次的NADH大单只是运气好。成熟的职场人当然不能受别人负能量的影响,深吸一口正能量(CoA-SH)的α-酮戊二酸(5C)再接再厉,又签到了NADH大单,扬眉吐气CO2,蜕变成拥有高能硫酯键的资深职场人琥珀酰CoA(4C)。


资深大佬气场就是不一样

反应酶:α-酮戊二酸脱氢酶系( α-ketoglutarate dehydrogenase complex,α-KGDHC)由三个酶 (α-酮戊二酸脱羧酶、硫辛酸琥珀酰基转移酶、二氢硫辛酸脱氢酶)和五个辅酶 (TPP、硫辛酸、CoA、NAD+、FAD)组成。该酶是催化TCA中第二次氧化脱羧反应,反应不可逆,需要NAD+CoA作为辅助因子。

反应流程:在α-KGDHC催化下,CoA的高能硫酯基团转移氢原子到NAD+,NAD+形成NADH。CoA中不稳定的高能电子进攻羰基碳原子,导致-C-C-键断裂,生成带有高能硫酯键的琥珀酰CoA,释放1分子CO2,产生1分子NADH。

α-酮戊二酸氧化脱羧形成琥珀酰CoA

到这里为止,六个碳的柠檬酸共脱去两个羧基,释放出2分子CO2。聪明的你可能早已发现经过刚才脱羧阶段的四步反应,释放出的两分子二氧化碳中的碳原子都是来源于OAA,而乙酰CoA的碳原子仍完整保留(快倒回去看看,红框框里的属于乙酰CoA的两个碳原子是不是一直都没变?)。

实际上,TCA循环的八步反应可被大致分为两个阶段:脱羧阶段和再生阶段,到刚才的第四步为止,这轮TCA循环的脱羧反应已经全部结束了(即第三、四步反应),在这之后就再没有碳原子的丢失了。那么,最初来自乙酰CoA的两个碳原子要经历多少轮TCA循环才能完全代谢掉(即来自最初的乙酰CoA的两个碳原子全部以CO2的形式被丢失,不再存在于碳骨架体系中)呢?


每一轮TCA循环均会生成两分子的CO,第一轮TCA循环所释放的两分子C均来自于OAA(C1和C4),而乙酰CoA的两个C原子在第一次TCA循环的时候转变成了第二轮TCA中OAA的C1和C2;在进行第二轮TCA循环的时候,OAA的C1生成了CO2(来自乙酰CoA),C2变成了C3位;第三轮TCA循环时,OAA中的(来自乙酰CoA)C3位进一步变成C4位。在第四次TCA循环时,OAA中C4位的碳原子最终变成CO释放出去,即完成了最初的乙酰CoA的碳原子的完全释放。因此乙酰CoA的两个C原子要经历4次TCA循环才能释放出去,从而被完全的氧化分解。

第五步:高能转移磷酸化(琥珀酰CoA转化成琥珀酸)

从职场小白(乙酰CoA)晋升为TCA高管的琥珀酰CoA,一入职便成绩斐然,利用自身的高能硫酯键与能量供应商GDP进行资源整合,产生了大批能量分子GTP,为TCA部门带来很大收益,琥珀酰CoA也因此再次晋升,成为TCA老大琥铂酸

synthetase,SCS)由α和β两种亚基构成(分别由SucD和SucC两个基因所编码),在线粒体基质中,SCS通常以αβ二聚体发挥功能,Mg2+对酶的活性很重要。SCS催化琥珀酰CoA高能硫酯键水解是TCA循环中唯一一步底物水平磷酸化反应。

反应流程:在SCS的催化下,琥珀酰CoA拥有的高能硫酯键被水解,高能键断裂,释放的大量自由能通过底物水平磷酸化以GTP的形式储存下来,并转变成琥珀酸。反应生成的GTP可直接利用,也可以和ATP相互转换,此外,GTP还可以提供鸟嘌呤核苷酸用于DNA复制和转录反应。


琥珀酰CoA转化成琥珀酸形成琥珀酰CoA

小总结:从上述TCA的五步反应中我们可以看出,这个过程中释放了2分子的CO2,两分子NAD+被还原成NADH,同时还通过底物磷酸化产生了一分子高能磷酸基团(GTP)。哦,对了,十分重要的一点是,该过程产生的NADH后续又可以通过线粒体内膜上的电子传递链被氧化成NAD+,一方面完成NAD+的循环再生,另一方面参与线粒体膜间隙质子梯度的建立,为合成更多ATP分子做出贡献。

回顾了下目前的成果,可谓收获颇丰。其他乙酰CoA听说自己的同辈在TCA部门混得很好,也纷纷前来报道。但是,之前协助乙酰CoA融入部门的伯乐OAA已经蜕变为琥珀酸了。面对后续涌入二碳分子们,TCA部门又该如何保证TA们能够被持续氧化代谢,使得能量持续产生呢?


TCA循环里的“循环”二字啦!循环是以乙酰CoA和草酰乙酸的缩合生成柠檬酸为起始。现在乙酰CoA源源不断的进入,打配合的草酰乙酸不够了,怎么办?不用担心,小小的细胞极具智慧,接下来的重头戏就是琥珀酸如何重返初心、再生为草酰乙酸,达成循环之旅啦!生命体通过形成循环实现底物和酶的再利用,既体现了经济性,又能够实现对能量代谢的整体调控,瑞思拜!

第二幕:达成循环——OAA再生

        忙碌了一大圈,身为TCA老大的琥珀酸静下心来,回忆自己从二碳“小白”乙酰CoA逐渐成长的点点滴滴和取得的成就,想到了自己刚成为柠檬酸,对前途迷茫时点醒自己的那句“要想融入TCA,就要保持周转,不能停滞不前”,决定换个新身份继续前进,将今后的工作重心转移到培养后继者上,为TCA部门的持续运转出力。于是,琥珀酸在SDH、FH、MDH三位大佬的帮助下,脱胎换骨,化身最初带乙酰CoA入行的伯乐OAA,为新人充当领路人(OAA再生),维持部门运转。

第六步:脱氢放能在膜上(琥珀酸脱氢形成延胡索酸)

TCA循环中唯一一个整合在线粒体内膜上的多亚基酶。FAD+作为SDH的辅基,其第8位碳原子与酶的组氨酸残基通过共价键的形式连接。 

反应流程: SDH以FAD+作为琥珀酸脱去氢离子的受体,介导琥珀酸两个碳原子之间的氧化,即碳-碳键(-C-C-)的氧化脱氢。

第七步:加成水合获羟基(延胡索酸水合形成L-苹果酸)

反应酶:延胡索酸水合酶(Fumarase hydratase,FH)的催化反应具有严格的立体专一性,只能催化一种构型的底物。该反应过程的-OH严格地加在靠近延胡索酸双键的一侧,而另一个-H加在相反的另一侧,从而只能形成单一构象的产物。由于FH活性中心只能和一种异构体匹配,结合/生成单一结构的底物/产物(L-苹果酸),使得FH相对于其他酶类显得比较特别,TCA循环中的其他酶类只区分底物类型,对于底物的异构体并无要求。 

反应流程:在一分子H2O参与下,延胡索酸酶的活性中心特异性地结合底物延胡索酸,催化延胡索酸双键打开,发生加成反应,生成L-苹果酸,其具有β-碳原子位置上的羟基,从而为OAA的再生做准备。

第八步:脱氢放能重归位(L-苹果酸脱氢形成草酰乙酸)

反应酶:苹果酸脱氢酶(malate dehydrogenase,MDH)作为TCA循环中最后一个氧化还原酶,辅酶为NAD+。作为唯一一步可逆的氧化反应,该过程的正反应标准自由能变化ΔG>0,在热力学上是不利于进行的,但由于TCA第一步反应中:OAA和乙酰CoA反应自由能变化ΔG<0,是高度放能的反应,非常利于进行,因此OAA作为第一步的底物更容易被消耗,使得第八步的正向反应虽然不易进行,但随着产物OAA的消耗(乙酰CoA与OAA的结合,记不清的小伙伴请倒回去看第一步~),正反应也得以进行,即一个热力学上不利的反应(苹果酸生成OAA)借助与其相偶联的热力学上的有利反应(乙酰CoA与OAA结合的放能反应)的推动而变得可行。

反应流程:MDH氧化L-苹果酸,使其羟基形成羰基,转变成OAA,NAD+作为氢原子受体,生成NADH。此步骤达成了OAA的再生和TCA循环的闭合。重新生成的OAA可以和乙酰CoA再次结合形成柠檬酸,参与新一轮的TCA循环。

哦,对了,细胞能量充足时,OAA还可以跨过线粒体内膜,进入到细胞质基质参与糖异生,具体将在第三幕介绍哦~

L-苹果酸脱氢形成草酰乙酸


以上就是三羧酸循环的全部反应,让我们来分析一下:

1、四次氧化脱氢,生成三分子NADH、一分子FADH2

2、两次脱羧,生成两分子CO2

3、一次底物水平磷酸化,产生1分子GTP;

4、8步TCA反应中存在三种限速酶(CS、IDH、α-KGDHC),介导三步不可逆的限速反应。

整个TCA循环的8步反应包括4次氧化脱氢、2次脱羧、1次底物水平磷酸化、1次异化、水合、缩合反应。由TCA介导的4步氧化脱氢反应发生在线粒体内部(分别是第3,4,6,8步,其中第3,4,8步发生在线粒体基质;第6步在线粒体内膜上),其产生的NADH和FADH2可以直接进入位于线粒体内膜的氧化呼吸链进行电子传递。根据对呼吸链中质子的贡献程度,NADH可以再产生2.5个ATP分子;FADH2可以再产生1.5个ATP分子。

故单纯的TCA的8步反应,可产生10分子ATP(见计算1);若再加上丙酮酸转变成乙酰CoA的过程,即丙酮酸的完全代谢可生成12.5分子ATP(见计算2),而一分子葡萄糖的完全氧化会生成30分子(脑和骨骼肌中)或32分子(肝脏和心肌中)ATP(见计算3)。
计算1:一分子乙酰CoA经TCA循环代谢后,共产生多少ATP分子?

一分子乙酰CoA参与TCA循环,过程中产生3分子NADH、1分子FADH2、1分子GTP。

根据对电子呼吸链中质子的贡献程度,NADH可以产生2.5个ATP分子;FADH2可以产生1.5个ATP分子。

计算2:一分子丙酮酸经TCA循环代谢后,共产生多少ATP分子?

根据以上结果,一轮TCA循环产生10 分子ATP。再加上丙酮酸转变成乙酰CoA的前期准备过程(生成1分子NADH=2.5ATP),即一分子丙酮酸参与一轮TCA循环共产生12.5分子ATP。

计算3:一分子葡萄糖经TCA循环代谢后,共产生多少ATP分子?

     一分子葡萄糖首先要经历10步糖酵解反应(在细胞质基质中),净生成2分子NADH、2分子ATP和2分子丙酮酸。

       其中,细胞质基质中的NADH需要借助位于线粒体内膜的穿梭途径才能进入线粒体电子传递链,甘油-3-磷酸穿梭途径(主要存在于脑和骨骼肌)将NADH转变成FADH2输送到线粒体基质;苹果酸-天冬氨酸穿梭途径(主要存在于肝和心肌)则可以直接将NADH输送到线粒体基质。因此,胞质中的1分子NADH经历甘油-3-磷酸穿梭途径产生1.5个ATP分子,或经历苹果酸-天冬氨酸穿梭途径产生2.5个ATP分子。


       棕色脂肪中存在甘油-3-磷酸穿梭途径,甘油-3-磷酸穿梭途径转换能量较低,多余能量可用于棕色脂肪产热过程。

试想一下,若葡萄糖不参与TCA,直接通过糖酵解转化成不完全氧化产物的话,只会产生2分子ATP。小小葡萄糖蕴含这么多的能量,我们如果不通过TCA来物尽其用充分发挥它的价值,那我们岂不是亏大了!


由于篇幅限制,《三羧酸循环之丙酮酸升职记》到这里先中场休息一下,等道具师换幕布和道具,我们下周同一时间再见,敬请关注噢~


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