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三羧酸循環的過程與酶(一)

三羧酸循環(TCA cycle)也叫檸檬酸循環或Krebs循環,一共8步。它是将乙酰輔酶A徹底氧化分解,生成二氧化碳的過程,屬于分解代謝的第三階段。

三羧酸循環的第一步是輔酶A與草酰乙酸縮合,生成檸檬酸。由檸檬酸合酶(citrate (Si)-synthase)催化,乙酰輔酶A的高能硫酯鍵水解推動反應進行。此酶是三羧酸循環的第一個關鍵酶,受ATP、NADH、琥珀酰輔酶A和長鍊脂肪酰輔酶A抑制。ATP可增加對乙酰輔酶A的Km。

三羧酸循環的過程與酶(一)

檸檬酸合酶催化的反應過程

檸檬酸合酶以前的編号是EC4.1.3.7,但後來酶學委員會修改了分類規則,現在的編号是EC2.3.3.1,即看作乙酰基轉移酶。氟乙酰輔酶A可形成氟檸檬酸,抑制下一步反應的酶,稱為緻死合成。氟乙酰胺、氟乙酸是其前體,以前曾用于殺蟲劑和滅鼠藥,但因流毒無窮,早已禁用。

三羧酸循環的過程與酶(一)

氟乙酸的緻死合成

氟乙酰胺劇毒,殺蟲殺鼠固然立竿見影,但具有二次毒性,動物吃了死老鼠也會中毒,而且毒性可由污水傳播,在植物體内滞留數月甚至數年(臨床荟萃,2001)。這簡直比歐陽鋒的蛇毒還要可怕。

三羧酸循環的過程與酶(一)

氟乙酰胺導緻二次中毒相關文獻

我國1982年禁止将氟乙酰胺用于滅鼠藥,但在80年代末,含有氟乙酰胺的“邱氏鼠藥”卻紅極一時。1992年,五位滅鼠專家揭露邱氏鼠藥含有氟乙酰胺,卻被生産者起訴侵犯名譽權。法院一審悍然判決原告勝訴,學界嘩然,此即為90年代最為著名的科技官司,與有機鍺案一起被戲稱為“南豬北鼠”。

三羧酸循環的第二步是檸檬酸轉變為異檸檬酸。催化這個反應的順烏頭酸酶(aconitase)含有鐵硫簇(4Fe-4S),屬于非鐵卟啉鐵蛋白。鐵硫簇在催化過程中與底物結合,并參與催化過程。

這一步看起來像是一個異構反應,但其實順烏頭酸的編号是EC4.2.1.3,屬于裂合酶,正式名稱是aconitate hydratase。這其實是兩個連續的反應,先脫水,再加水,都由一個酶催化。其中間産物順烏頭酸可以穩定存在,也可以分離出來,所以不能看作異構反應的過渡态複合物。因為過渡态是不穩定的,壽命大約在皮秒級别,而且無法分離出來。

前面提到,氟檸檬酸可以抑制這一步反應。其機制是氟檸檬酸被順烏頭酸酶催化,形成4-羟基-反烏頭酸,然後與酶緊密結合。這種結合非常牢固,所以其毒性很強。但研究發現,這種結合并非不可逆的共價結合,加入百萬倍的異檸檬酸可以使酶活性緩慢恢複(Proc Natl Acad Sci U S A. 1996)。所以這是一種競争性抑制。

三羧酸循環的過程與酶(一)

順烏頭酸酶催化的反應及其活性中心

三羧酸循環的第三步是異檸檬酸氧化脫羧,生成α-酮戊二酸(α-KG)。這是三羧酸循環中的第一次氧化,由異檸檬酸脫氫酶(Isocitrate dehydrogenase,IDH)催化,生成NADH,中間物是草酰琥珀酸。這是第二個關鍵酶,能量高時被抑制。

三羧酸循環的過程與酶(一)

異檸檬酸脫氫酶催化的反應及其活性中心

細胞質中有另一種異檸檬酸脫氫酶,需NADPH,稱為NADP-IDH。它位于胞質溶膠、線粒體和過氧化物酶體,在脂肪酸和膽固醇合成以及防止氧化損傷等過程中發揮重要作用。

NADP-IDH的突變與腫瘤有關。人體細胞質和線粒體中的NADP-IDH分别稱為IDH1和IDH2(線粒體中的NAD-IDH稱IDH3)。IDH1和IDH2與腫瘤發生有關。目前已經在多種類型的腫瘤中鑒定出人IDH1和IDH2的突變,最常見的是神經膠質瘤,急性髓性白血病(AML),軟骨肉瘤和肝内膽管癌。

突變的IDH會失去正常功能,并産生新的功能,将α-KG轉化為2-羟基戊二酸(2-HG)。2-HG競争性抑制α-KG依賴性酶,導緻代謝改變和表觀遺傳失調。突變IDH的表達損害各種細胞譜系中的細胞分化,并與其他癌症基因一起促進腫瘤發展。現在第一代突變型IDH抑制劑已進入臨床試驗,并且已經在IDH2突變型AML患者中顯示出令人鼓舞的結果(Clin Cancer Res. 2016)。

三羧酸循環的過程與酶(一)

IDH突變與腫瘤,引自Clin Cancer Res. 2016

參考文獻:

  1. 王三德. 急性氟乙酰胺中毒58例兼症分析. 臨床荟萃. 2001(16)3: 138-139.

  2. H. Lauble, et al. The reaction of fluorocitrate with aconitase and the crystal structure of the enzyme-inhibitor complex. Proc Natl Acad Sci U S A. 1996 Nov 26; 93(24): 13699–13703.

  3. Owen Clark, et al. Molecular Pathways: Isocitrate Dehydrogenase Mutations in Cancer. Clin Cancer Res. 2016 Apr 15;22(8):1837-42.

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