Question

试写出ATP合成的4种主要方式？

Answer 1

糖：糖酵
（1）葡萄糖磷酸化(phosphorylation)
葡萄糖氧化是放能反应,但葡萄糖是较稳定的化合物,要使之放能就必须给与活化能来推动此反应,即必须先使葡萄糖从稳定状态变为活跃状态,活化一个葡萄糖需要消耗1个ATP,一个ATP放出一个高能磷酸键,大约放出30.5kj自由能,大部分变为热量而散失,小部分使磷酸与葡萄糖结合生成葡萄糖-6-磷酸.催化酶为己糖激酶.
（2）葡萄糖-6-磷酸重排生成果糖-6-磷酸.催化酶为葡萄糖磷酸异构酶.
（3）生成果糖-1、6-二磷酸.催化酶为6-磷酸果糖激酶-1.
1个葡萄糖分子消耗了2个ATP分子而活化,经酶的催化生成果糖-1,6-二磷酸分子.
（4）果糖-1、6-二磷酸断裂成3-磷酸甘油醛(glyceraldehyde 3-phosphate)和磷酸二羟丙酮,催化酶为醛缩酶.
（5）磷酸二羟丙酮很快转变为3-磷酸甘油醛.催化酶为丙糖磷酸异构酶.
以上为第一阶段,1个6C的葡萄糖转化为2个3C化合物PGAL,消耗2个ATP用于葡萄糖的活化,如果以葡萄糖-1-磷酸形式进入糖酵解,仅消耗一个ATP.这一阶段没有发生氧化还原反应.
偿还阶段（payoff phase)
（6）3-磷酸甘油醛氧化生成1、3-二磷酸甘油酸(1,3-diphosphoglycerate),释放出两个电子和一个H+, 传递给电子受体NAD+,生成NADH+ H+,并且将能量转移到高能磷酸键中.催化酶为3-磷酸甘油醛脱氢酶.
（7）不稳定的1、3-二磷酸甘油酸失去高能磷酸键,生成3-磷酸甘油酸(3-phosphoglycerate),能量转移到ATP中,一个1、3-二磷酸甘油酸生成一个ATP.催化酶为磷酸甘油酸激酶.此步骤中发生第一次底物水平磷酸化
（8）3-磷酸甘油酸重排生成2-磷酸甘油酸(2-phosphoglycerate).催化酶为磷酸甘油酸变位酶.
（9）2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸PEP(phospho-enol-pyruvate).催化酶为烯醇化酶.
（10）PEP将磷酸基团转移给ADP生成ATP,同时形成丙酮酸.催化酶为丙酮酸激酶.此步骤中发生第二次底物水平磷酸化.
以上为糖酵解第二个阶段.一分子的PGAL(phosphoglyceraldehyde)在酶的作用下生成一分子的丙酮酸.在此过程中,发生一次氧化反应生成一个分子的NADH,发生两次底物水平的磷酸化,生成2分子的ATP.这样,一个葡萄糖分子在糖酵解的第二阶段共生成4个ATP和2个NADH+H+,产物为2个丙酮酸.在糖酵解的第一阶段,一个葡萄糖分子活化中要消耗2个ATP,因此在糖酵解过程中一个葡萄糖生成2分子的丙酮酸的同时,净得2分子ATP,2分子NADH,和2分子水.
三羧酸循环：糖酵解产生的丙酮酸经丙酮酸脱氢酶复合体的催化生成乙酰-CoA
1、乙酰-CoA进入三羧酸循环
乙酰CoA具有硫酯键,乙酰基有足够能量与草酰乙酸的羧基进行醛醇型缩合.首先柠檬酸合酶的组氨酸残基作为碱基与乙酰-CoA作用,使乙酰-CoA的甲基上失去一个h+,生成的碳阴离子对草酰乙酸的羰基碳进行亲核攻击,生成柠檬酰-CoA中间体,然后高能硫酯键水解放出游离的柠檬酸,使反应不可逆地向右进行.该反应由柠檬酸合成酶(citratesynthase)催化,是很强的放能反应.由草酰乙酸和乙酰-CoA合成柠檬酸是三羧酸循环的重要调节点,柠檬酸合成酶是一个变构酶,ATP是柠檬酸合成酶的变构抑制剂,此外,α-酮戊二酸、NADH能变构抑制其活性,长链脂酰-CoA也可抑制它的活性,AMP可对抗ATP的抑制而起激活作用.
2、异柠檬酸形成
柠檬酸的叔醇基不易氧化,转变成异柠檬酸而使叔醇变成仲醇,就易于氧化,此反应由顺乌头酸酶催化,为一可逆反应.
3、第一次氧化脱酸
在异柠檬酸脱氢酶作用下,异柠檬酸的仲醇氧化成羰基,生成草酰琥珀酸(oxalosuccinicacid)的中间产物,后者在同一酶表面,快速脱羧生成α-酮戊二酸(α?ketoglutarate)、NADH和co2,此反应为β-氧化脱羧,此酶需要Mg2+作为激活剂.此反应是不可逆的,是三羧酸循环中的限速步骤,ADP是异柠檬酸脱氢酶的激活剂,而ATP,NADH是此酶的抑制剂.
4、第二次氧化脱羧
在α-酮戊二酸脱氢酶系作用下,α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰-CoA、NADH·H+和co2,反应过程完全类似于丙酮酸脱氢酶系催化的氧化脱羧,属于α?氧化脱羧,氧化产生的能量中一部分储存于琥珀酰coa的高能硫酯键中.α-酮戊二酸脱氢酶系也由三个酶(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、hscoa、NAD+、FAD)组成.?此反应也是不可逆的.α-酮戊二酸脱氢酶复合体受ATP、GTP、NADH和琥珀酰-CoA抑制,但其不受磷酸化/去磷酸化的调控.
5、底物磷酸化生成ATP
在琥珀酸硫激酶(succinatethiokinase)的作用下,琥珀酰-CoA的硫酯键水解,释放的自由能用于合成gtp,在细菌和高等生物可直接生成ATP,在哺乳动物中,先生成GTP,再生成ATP,此时,琥珀酰-CoA生成琥珀酸和辅酶A.
6、琥珀酸脱氢
琥珀酸脱氢酶(succinatedehydrogenase)催化琥珀酸氧化成为延胡索酸.该酶结合在线粒体内膜上,而其他三羧酸循环的酶则都是存在线粒体基质中的,这酶含有铁硫中心和共价结合的fad,来自琥珀酸的电子通过fad和铁硫中心,然后进入电子传递链到O2,丙二酸是琥珀酸的类似物,是琥珀酸脱氢酶强有力的竞争性抑制物,所以可以阻断三羧酸循环.?
7、延胡索酸的水化
延胡索酸酶仅对延胡索酸的反式双键起作用,而对顺丁烯二酸(马来酸)则无催化作用,因而是高度立体特异性的.
8、草酰乙酸再生
在苹果酸脱氢酶(malicdehydrogenase)作用下,苹果酸仲醇基脱氢氧化成羰基,生成草酰乙酸(oxalocetate),nad+是脱氢酶的辅酶,接受氢成为NADH·H+.
在此循环中,最初草酰乙酸因参加反应而消耗,但经过循环又重新生成.所以每循环一次,净结果为1个乙酰基通过两次脱羧而被消耗.循环中有机酸脱羧产生的二氧化碳,是机体中二氧化碳的主要来源.在三羧酸循环中,共有4次脱氢反应,脱下的氢原子以NADH+H+和FADH2的形 式进入呼吸链,最后传递给氧生成水,在此过程中释放的能量可以合成ATP.乙酰辅酶A不仅来自糖的分解,也可由脂肪酸和氨基酸的分解代谢中产生,都进入三羧酸循环彻底氧化.并且,凡是能转变成三羧酸循环中任何一种中间代谢物的物质都能通过三羧酸循环而被氧化.所以三羧酸循环实际是糖、脂、蛋白质等有机物在生物体内末端氧化的共同途径.三羧酸循环既是分解代谢途径,但又为一些物质的生物合成提供了前体分子.如草酰乙酸是合成天冬氨酸的前体,α-酮戊二酸是合成谷氨酸的前体.一些氨基酸还可通过此途径转化成糖.
酮体：经琥珀酰CoA转硫酶、乙酰乙酰CoA硫解酶、乙酰乙酰硫激酶、β—羟丁酸脱氢酶生成乙酰CoA,进入三羧酸循环
甘油三酯：即脂肪动员,经HSL生成甘油二脂,再经甘油二脂酶生成甘油一酯,再经甘油一酯酶生成甘油,再经甘油激酶生成3-磷酸甘油,然后进入糖代谢.
脂酸的β-氧化：脂酸+CoA-SH（经脂酰CoA合成酶）生成脂酰CoA,再经肉碱脂酰转移酶催化进入线粒体,经脱氢、加水、再脱氢、硫解4步酶促反应生成比原来少两个碳原子的脂酰CoA,直至完成β-氧化,形成大量乙酰CoA,进入三羧酸循环.其中一次β-氧化产生一分子FADH2和NADH,也可生成ATP。