磷酸甘油脱氢酶的辅酶

磷酸甘油脱氢酶的辅酶

1、线粒体内阿尔法磷酸甘油脱氢酶的辅酶是FAD；3磷酸甘油在磷酸甘油脱氢酶的辅酶是NAD+；

2、脑与骨骼肌中线粒体与胞液的阿尔法甘油磷酸脱氢酶的辅酶不同，当阿尔法甘油磷酸通过线粒体膜脱氢酶催化，使其酶辅基FAD还原为FADH2，进入呼吸链再进一步递氢，而脱氢产生的磷酸二羟丙酮则回到胞液经胞液脱氢酶催化，可利用胞液中辅酶NADH还原成阿尔法甘油磷酸，再进入线粒体内膜上脱氢氧化而进行递氢。通过此循环使胞液还原当量进入线粒体呼吸链递氢；

3、3磷酸甘油醛脱氢酶的系统名为D甘油醛3

临床执业医师考点：脂类代谢(2)

1. 两个乙酰辅酶A被硫解酶催化生成乙酰乙酰辅酶A。β-氧化的最后一轮也生成乙酰乙酰辅酶A。

2. 乙酰乙酰辅酶A与一分子乙酰辅酶A生成β-羟基-β-甲基戊二酰辅酶A，由HMG辅酶A合成酶催化。

3. HMG辅酶A裂解酶将其裂解为乙酰乙酸和乙酰辅酶A。

4. D-β-羟丁酸脱氢酶催化，用NADH还原生成β羟丁酸，反应可逆，不催化L-型底物。

5. 乙酰乙酸自发或由乙酰乙酸脱羧酶催化脱羧，生成丙酮。

(二)分解

1. 羟丁酸可由羟丁酸脱氢酶氧化生成乙酰乙酸，在肌肉线粒体中被3-酮脂酰辅酶A转移酶催化生成乙酰乙酰辅酶A和琥珀酸。也可由乙酰乙酰辅酶A合成酶激活，但前者活力高且分布广泛，起主要作用。乙酰乙酰辅酶A可加入β-氧化。

2. 丙酮代谢较复杂，先被单加氧酶催化羟化，然后可生成丙酮酸或乳酸、甲酸、乙酸等。大部分丙酮异生成糖，是脂肪酸转化为糖的一个可能途径。

第三节 甘油三酯的合成代谢

一、软脂酸的合成

(一)乙酰辅酶A的转运

合成脂肪酸的碳源来自乙酰辅酶A，乙酰辅酶A是在线粒体形成的，而脂肪酸的合成场所在细胞质中，所以必需将乙酰辅酶A转运出来。乙酰辅酶A在线粒体中与草酰乙酸合成柠檬酸，通过载体转运出线粒体，在柠檬酸裂解酶催化下裂解为乙酰辅酶A和草酰乙酸，后者被苹果酸脱氢酶还原成苹果酸，再氧化脱羧生成丙酮酸和NADPH，丙酮酸进入线粒体，可脱氢生成乙酰辅酶A，也可羧化生成草酰乙酸。

(二)丙二酸单酰辅酶A的生成

乙酰辅酶A以丙二酸单酰辅酶A的形式参加合成。乙酰辅酶A与碳酸氢根、ATP反应，羧化生成丙二酸单酰辅酶A，由乙酰辅酶A羧化酶催化。此反应是脂肪酸合成的限速步骤，被柠檬酸别构激活，受软脂酰辅酶A抑制。此酶有三个亚基：生物素羧化酶(BC)、生物素羧基载体蛋白(BCCP)和羧基转移酶(CT)。

(三)脂肪酸合成酶体系

有7种蛋白，以脂酰基载体蛋白为中心，中间产物以共价键与其相连。载体蛋白含巯基，与辅酶A类似，可由辅酶A合成。

(四)脂肪酸的合成

1. 起始：乙酰辅酶A在ACP-酰基转移酶催化下生成乙酰ACP，然后转移到β-酮脂酰-ACP合成酶的巯基上。

2. ACP与丙二酸单酰辅酶A生成丙二酸单酰ACP，由ACP：丙二酸单酰转移酶催化。

3. 缩合：β-酮脂酰ACP合成酶将乙酰基转移到丙二酸单酰基的α-碳上，生成乙酰乙酰ACP，并放出CO2。所以碳酸氢根只起催化作用，羧化时储存能量，缩合时放出，推动反应进行。

4. 还原：NADPH在β-酮脂酰ACP还原酶催化下将其还原为D-β-羟丁酰ACP。β-氧化的产物是L-型。

5. 脱水：羟脂酰ACP脱水酶催化生成Δ2反丁烯酰ACP，即巴豆酰ACP。

6. 再还原：烯脂酰ACP还原酶用NADPH还原为丁酰ACP。β-氧化时生成FADH2，此时是为了加速反应。

7. 第二次循环从丁酰基转移到β-酮脂酰ACP合成酶上开始。7次循环后生成软脂酰ACP，可被硫酯酶水解，或转移到辅酶A上，或直接形成磷脂酸。β-酮脂酰ACP合成酶只能接受14碳酰基，并受软脂酰辅酶A反馈抑制，所以只能合成软脂酸。

(五)软脂酸的合成与氧化的区别有8点：部位、酰基载体、二碳单位、辅酶、羟脂酰构型、对碳酸氢根和柠檬酸的需求、酶系、能量变化。

二、其他脂肪酸的合成

(一)脂肪酸的延长

1. 线粒体酶系：在基质中，可催化短链延长。基本是β-氧化的逆转，但第四个酶是烯脂酰辅酶A还原酶，氢供体都是NADPH。

2. 内质网酶系：粗糙内质网可延长饱和及不饱和脂肪酸，与脂肪酸合成相似，但以辅酶A代替ACP。可形成C24。

(二)不饱和脂肪酸的形成

1. 单烯脂酸的合成：需氧生物可通过单加氧酶在软脂酸和硬脂酸的9位引入双键，生成棕榈油酸和油酸。消耗NADPH。厌氧生物可通过β-羟脂酰ACP脱水形成双键。

2. 多烯脂酸的合成：由软脂酸通过延长和去饱和作用形成多不饱和脂肪酸。哺乳动物由四种前体转化：棕榈油酸(n7)、油酸(n9)、亚油酸(n6)和亚麻酸(n3)，其中亚油酸和亚麻酸不能自己合成，必需从食物摄取，称为必需脂肪酸。其他脂肪酸可由这四种前体通过延长和去饱和作用形成。

三、甘油三酯的合成：肝脏和脂肪组织

(一)前体合成：包括L-α-磷酸甘油和脂酰辅酶A。细胞质中的磷酸二羟丙酮经α-磷酸甘油脱氢酶催化，以NADH还原生成磷酸甘油。也可由甘油经甘油激酶磷酸化生成，但脂肪组织缺乏有活性的甘油激酶。

(二)生成磷脂酸：磷酸甘油与脂酰辅酶A生成单脂酰甘油磷酸，即溶血磷脂酸，再与脂酰辅酶A生成磷脂酸。都由甘油磷酸脂酰转移酶催化。磷酸二羟丙酮也可先酯化，再还原生成溶血磷脂酸。

(三)合成：先被磷脂酸磷酸酶水解，生成甘油二酯，再由甘油二酯转酰基酶合成甘油三酯。

四、各组织的脂肪代谢

脂肪组织脂解的限速酶是脂肪酶，生成的游离脂肪酸进入血液，可用于氧化或合成，而甘油不能用于合成。肝脏可将脂肪酸氧化或合成酮体或合成甘油三酯。

第四节 磷脂代谢

一、分解：

(一)磷脂酶有以下4类：

1. 磷脂酶A1：水解C1

2. 磷脂酶A2：水解C2

3. 磷脂酶C：水解C3，生成1，2-甘油二酯，与第二信使有关。

4. 磷脂酶D：生成磷脂酸和碱基

5. 磷脂酶B：同时水解C1和C2，如点青霉磷脂酶。

(二)溶血磷脂：只有一个脂肪酸，是强去污剂，可破坏细胞膜，使红细胞破裂而发生溶血。某些蛇毒含溶血磷脂，所以有剧毒。溶血磷脂酶有L1和L2，分别水解C1和C2。

(三)产物去向：甘油和磷酸参加糖代谢，氨基醇可用于磷脂再合成，胆碱可转甲基生成其他物质。

二、合成：

(一)脑磷脂的合成：

1. 乙醇胺的磷酸化：乙醇胺激酶催化羟基磷酸化，生成磷酸乙醇胺。

2. 与CTP生成CDP-乙醇胺，由磷酸乙醇胺胞苷转移酶催化，放出焦磷酸。

3. 与甘油二酯生成脑磷脂，放出CMP。由磷酸乙醇胺转移酶催化。该酶位于内质网上，内质网上还有磷脂酸磷酸酶，水解分散在水中的磷脂酸，用于磷脂合成。肝脏和肠粘膜细胞的可溶性磷脂酸磷酸酶只能水解膜上的磷脂酸，合成甘油三酯。

(二)卵磷脂合成：

1. 节约利用途径：与脑磷脂类似，利用已有的胆碱，先磷酸化，再连接CDP作载体，与甘油二酯生成卵磷脂。

2. 从头合成途径：将脑磷脂的乙醇胺甲基化，生成卵磷脂。供体是S-腺苷甲硫氨酸，由磷脂酰乙醇胺甲基转移酶催化，生成S-腺苷高半胱氨酸。共消耗3个供体。

(三)磷脂酰肌醇的合成

1. 磷脂酸与CTP生成CDP-二脂酰甘油，放出焦磷酸。由磷脂酰胞苷酸转移酶催化。

2. CDP-二脂酰甘油：肌醇磷脂酰转移酶催化生成磷脂酰肌醇。磷脂酰肌醇激酶催化生成PIP，PIP激酶催化生成PIP2。磷脂酶C催化PIP2水解生成IP3和DG，IP3使内质网释放钙，DG增加蛋白激酶C对钙的敏感性，通过磷酸化起第二信使作用。

(四)其他：磷脂酰丝氨酸可通过脑磷脂与丝氨酸的醇基交换生成，由磷酸吡哆醛酶催化。心磷脂的合成先生成CDP-二酰甘油，再与甘油-3-磷酸生成磷脂酰甘油磷酸，水解掉磷酸后与另一个CDP-二脂酰甘油生成心磷脂。由磷酸甘油磷脂酰转移酶催化。

第五节 鞘脂类代谢

一、鞘磷脂的合成

(一)合成鞘氨醇：软脂酰辅酶A与丝氨酸经缩合、还原、氧化等一系列酶促反应形成。

氧化磷酸化体的生物氧化与氧化磷酸化

高势能电子从NADH或FADH2沿呼吸链传递给氧的过程中，所释放的能量转移给ADP形成ATP，即ATP的形成与电子传递相偶联，称为氧化磷酸化作用，其特点是需要氧分子参与。
氧化磷酸化作用与底物水平磷酸化作用是有区别的：底物水平磷酸化作用是指代谢底物由于脱氢或脱水，造成其分子内部能量重新分布，产生的高能键所携带的能量转移给ADP生成ATP，即ATP的形成直接与一个代谢中间高能磷酸化合物（如磷酸烯醇式丙酮酸、1,3-二磷酸甘油酸等）上的磷酸基团的转移相偶联，其特点是不需要分子氧参加。 （1）氧化磷酸化的解偶联作用
在完整线粒体内，电子传递与磷酸化是紧密偶联的，当使用某些试剂而导致的电子传递与ATP形成这两个过程分开，只进行电子传递而不能形成ATP的作用，称为解偶联作用。
（2）氧化磷酸化的解偶联剂
能引起解偶联作用的试剂称为解偶联剂，解偶联作用的实质是解偶联剂消除电子传递中所产生的跨膜质子浓度或电位梯度，只有电子传递而不产生ATP。
（3）解偶联剂种类
典型的解偶联剂是化学物质2,4-二硝基苯酚（DNP），DNP具弱酸性，在不同pH环境可结合H 或释放H ；并且DNP具脂溶性，能透过磷脂双分子层，使线粒体内膜外侧的H 转移到内侧，从而消除H 梯度。此外，离子载体如由链霉素产生的抗菌素——缬氨霉素，具脂溶性，能与K 离子配位结合，使线粒体膜外的K 转运到膜内而消除跨膜电位梯度。另外还有存在于某些生物细胞线粒体内膜上的天然解偶联蛋白，该蛋白构成的质子通道可以让膜外质子经其通道返回膜内而消除跨膜的质子浓度梯度，不能生成ATP而产生热量使体温增加。
解偶联剂与电子传递抑制剂是不同的，解偶联剂只消除内膜两侧质子或电位梯度，不抑制呼吸链的电子传递，甚至加速电子传递，促进呼吸底物和分子氧的消耗，但不形成ATP，只产生热量。 与电子传递相偶联的氧化磷酸化作用机理虽研究多年，但仍不清楚。曾有三种假说试图解释其机理。这三种假说为：化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说。
（1）化学偶联假说
认为电子传递中所释放的自由能以一个高能共价中间物形式暂时存在，随后裂解将其能量转给ADP以形成ATP。但不能从呼吸链中找到高能中间物的实例。
（2）构象偶联假说
认为电子沿呼吸链传递释放的自由能使线粒体内膜蛋白质发生构象变化而形成一种高能形式暂时存在。这种高能形式将能量转给F0F1-ATP酶分子使之发生构象变化，F0F1-ATP酶复原时将能量转给ADP形成ATP。
（3）化学渗透假说
该假说由英国生物化学家Peter Mitchell提出的。他认为电子传递的结果将H 从线粒体内膜上的内侧“泵”到内膜的外侧，于是在内膜内外两侧产生了H 的浓度梯度。即内膜的外侧与内膜的内侧之间含有一种势能，该势能是H 返回内膜内侧的一种动力。H 通过F0F1-ATP酶分子上的特殊通道又流回内膜的内侧。当H 返回内膜内侧时，释放出自由能的反应和ATP的合成反应相偶联。该假说目前得到较多人的支持。
实验证明氧化磷酸化作用的进行需要完全的线粒体内膜存在。当用超声波处理线粒体时，可将线粒体内膜嵴打成片段：有些片段的嵴膜又重新封闭起来形成泡状体，称为亚线粒体泡（内膜变为翻转朝外）。这些亚线粒体泡仍具有进行氧化磷酸化作用的功能。在囊泡的外面可看到F1球状体。用尿素或胰蛋白酶处理这些囊泡时，内膜上的球体F1脱下，F0留在膜上。这种处理过的囊泡仍具有电子传递链的功能，但失去合成ATP的功能。当将F1球状体再加回到只有F0的囊泡时，氧化磷酸化作用又恢复。这一实验说明线粒体内膜嵴上的酶（F0）起电子传递的作用，而其上的F1是形成ATP的重要成分，F0和F1是一种酶的复合体。 1、数量上的衡量
细胞中存在三种腺苷酸即AMP、ADP、ATP，称为腺苷酸库。在细胞中ATP、ADP和AMP在某一时间的相对数量控制着细胞活动。Atkinson提出了能荷的概念。认为能荷是细胞中高能磷酸状态的一种数量上的衡量，能荷大小可以说明生物体中ATP-ADP-AMP系统的能量状态。
2、能荷大小决定因素
可看出，能荷的大小决定于ATP和ADP的多少。能荷的从0到1.0，当细胞中都是ATP时，能荷为1.0。此时，可利用的高能磷酸键数量最大。都为ADP时，能荷为0.5，系统中有一半的高能磷酸健。都为AMP时，能荷为0，此时无高能磷酸化合物存在。实验证明能荷高时可抑制ATP的生成，却促进ATP的利用。也就是说，能荷高可促进合成代谢而抑制分解代谢，相反，能荷低则促进分解代谢而抑制合成代谢。
能荷调节是通过ATP、ADP和AMP分子对某些酶分子进行变构调节来实现的。 真核生物在细胞质中进行糖酵解时所生成的NADH是不能直接透过线粒体内膜被氧化的，但是NADH+H 上的质子可以通过一个穿梭的间接途径而进入电子传递链。3-磷酸甘油的穿梭过程是最早发现的。其过程是胞质中NADH十H 在3-磷酸甘油脱氢酶作用下与磷酸二羟丙酮反应生成3-磷酸甘油。3-磷酸甘油可进入线粒体，在线粒体内膜上的3-磷酸甘油脱氢酶（辅基为FAD）作用下，生成磷酸二羟丙酮和FADH2。磷酸二羟丙酮透出线粒体，继续作为氢的受体，FADH2将氢传递给CoQ进入呼吸链氧化，这样只能产生2分于ATP。
在动物的肝、肾及心脏的线粒体存在另一种穿梭方式，即草酰乙酸-苹果酸穿梭。这种方式在胞液及线粒体内的脱氢酶辅酶都是NAD+，所以胞液中的NADH H 到达线粒体内又生成NADH+H 。从能量产生来看，草酰乙酸-苹果酸穿梭优于α- 磷酸甘油穿梭机制；但α-磷酸甘油穿梭机制比草酰乙酸-苹果酸穿梭速度要快很多。

乙酰辅酶A的彻底氧化

乙酰CoA是生化代谢中的一个枢纽性物质，如前所述，糖、脂肪、氨基酸分解代谢都能产生乙酰辅酶A；乙酰辅酶A有多种代谢去路，可以合成脂肪酸、胆固醇、酮体等，乙酰辅酶A彻底氧化释放能量的途径是三羧酸循环。通过三羧酸循环和氧化磷酸化，乙酰CoA氧化产生CO2、H2O，释放能量推动ATP合成。在营养物质产能代谢中，三羧酸循环和氧化磷酸化是释放能量最多的环节，是营养物质产能代谢和相互转化的枢纽。 三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle）是由Hans Adolf Krebs于1937年首先提出，故又称为Krebs循环（尿素循环也是Krebs提出的）。此循环是从活性二碳化合物—乙酰辅酶A和四碳草酰乙酸在线粒体内缩合成含三个羧基的柠檬酸开始，经过一系列脱氢脱羧反应，最后重新生成草酰乙酸而成为循环（图5-2-1）。此反应过程是由含有三个羧基的柠檬酸作为第一个中间产物的循环反应，故称为三羧酸循环，也称柠檬酸循环。三羧酸循环在线粒体内进行。
（一）三羧酸循环的反应过程
1．乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合为柠檬酸
此反应为三羧酸循环的关键反应之一，是由柠檬酸合成酶催化的不可逆反应，所需能量来自乙酰CoA的高能硫酯键水解供应。
2． 柠檬酸转变为异柠檬酸
柠檬酸本身不易氧化，在顺乌头酸酶作用下，通过脱水与加水反应，使羟基由β碳原子转移到α碳原子上，生成易于脱氢氧化的异柠檬酸，为进一步的氧化脱羧反应作准备。
3．异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸
异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶的催化下，氧化脱羧生成α-酮戊二酸，反应脱下的氢由NAD接受生成NADH+H，脱羧使6碳化合物变为5碳化合物。这是三羧酸循环中第一次氧化脱羧生成CO2的反应。此反应不可逆，是三羧酸循环中的限速步骤。
4．α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰辅酶A
这是三羧酸循环的第二次氧化脱羧反应，此反应类似于丙酮酸的氧化脱羧，也是不可逆反应，生成的琥珀酰CoA含有高能硫酯键。催化此反应的α-酮戊二酸脱氢酶复合体是三羧酸循环的限速酶，它由三个酶（α-酮戊二酸脱氢酶、琥珀酰基转移酶、二氢硫辛酸脱氢酶）和五个辅助因子（TPP、硫辛酸、HSCoA、NAD、FAD）组成（原理见图4-1-14）。
5．琥珀酰辅酶A生成琥珀酸
琥珀酰CoA在琥珀酸硫激酶的作用下，高能硫酯键水解，能量转移给GDP生成GTP和琥珀酸。生成的GTP可直接利用，也可将其高能磷酸基团转移给ADP生成ATP。这是三羧酸循环中唯一的一次底物磷酸化反应。
6．琥珀酸脱氢
琥珀酸在琥珀酸脱氢酶的催化下脱氢生成延胡索酸，脱下的氢由FAD接受生成FADH2。
7．苹果酸生成
延胡索酸在延胡索酸酶催化下，加水生成苹果酸。
8．草酰乙酸再生
苹果酸在苹果酸脱氢酶催化下脱氢生成草酰乙酸，脱下的氢由NAD接受生成NADH+H。再生的草酰乙酸可再次进入三羧酸循环用于柠檬酸的合成。
（二）三羧酸循环的深入讨论
1．三羧酸循环是在有氧的条件下，在线粒体内进行的循环反应过程。
三羧酸循环的产物有NADH+H、FADH2、ATP、CO2，这些产物对三羧酸循环的抑制效果不同。CO2经血循环至肺排出浓度降低，ATP快速消耗再生出ADP，因此在正常情况下这两种产物对三羧酸循环的抑制可以忽略不计。NADH、FADH2的受氢体主要是氧，因此在缺氧情况下NADH和FADH2无法将氢传递出去，致使NAD和FAD无法再生，三羧酸循环因此被抑制。这就是为什么三羧酸循环不消耗氧气但却只能在有氧条件下进行的原因。
2．三羧酸循环是机体主要的产能途径。
每循环一周，1分子的乙酰辅酶A被氧化，三羧酸循环直接消耗的底物是乙酰基。循环中有两次脱羧和四次脱氢反应，两次脱羧反应生成两分子CO2；四次脱氢反应，有三次由NAD接受共生成3分子NADH+H，有一次由FAD接受生成1分子FADH2（图5-2-2）。每个NADH+H经氧化磷酸化产生2.5个ATP共7.5个ATP，每个FADH2经氧化磷酸化产生1.5ATP共1.5个ATP，循环一周以此种方式可生成9分子ATP；加上一次底物磷酸化生成的GTP，三羧酸循环一周共可生成10分子ATP。
3．三羧酸循环是单向反应体系。
三羧酸循环中的柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体是该代谢途径的限速酶，所催化的是单向不可逆反应，所以三羧酸循环是不能逆转的，这保证了线粒体供能系统的稳定性。
4．三羧酸循环必须不断补充中间产物。
三羧酸循环的中间产物，从理论上讲，可以循环不消耗，但是由于体内各代谢途径的相互交汇和转化，三羧酸循环的中间产物常移出循环而参与其它代谢途径，如草酰乙酸可转变为天冬氨酸而参与蛋白质合成，琥珀酰辅酶A可用于血红素的合成，α-酮戊二酸可转变为谷氨酸等。
所以为了维持三羧酸循环中间产物的一定浓度，保证三羧酸循环的正常运转，就必须补充消耗的中间产物，称为回补反应。草酰乙酸的浓度，直接与乙酰辅酶A进入三羧酸循环的速度有关，因此不断补充草酰乙酸是使三羧酸循环得以顺利进行的关键，因而由丙酮酸形成草酰乙酸是最重要的回补反应。
草酰乙酸可以脱羧生成磷酸烯醇式丙酮酸，后者可以在肝脏和肾脏中逆糖酵解而生成葡萄糖或糖原，这就是非糖物质转化为糖的途径，称为【糖异生】，因此，三羧酸循环中所有的中间产物都能异生成糖。注意，乙酰CoA是无法异生成糖的，为什么？
5．三羧酸循环是三大营养物质彻底氧化的共同通路，是氧化释放能量产生ATP最多的阶段。糖、脂肪、蛋白质在体内氧化分解都将产生乙酰辅酶A，然后进入三羧酸循环进行降解，因此三羧酸循环是三大营养素在体内氧化的最终代谢通路（图5-1-1）。循环中脱下的四对氢，可进入呼吸链氧化磷酸化生成ATP，是体内ATP生成最多的反应阶段。
6．三羧酸循环是体内三大物质互变的枢纽
三羧酸循环是糖、脂肪、氨基酸代谢联系的枢纽。如葡萄糖氧化分解可生成乙酰CoA和NADPH+H，而乙酰CoA和NADPH+H可合成脂肪酸，进而合成脂肪；糖和甘油在体内代谢可生成α-酮戊二酸及草酰乙酸等三羧酸循环的中间产物，这些中间产物可以转变成为某些氨基酸；而有些氨基酸又可通过脱氨基作用生成α-酮酸，再经糖异生的途径生成糖或转变成甘油，因此三羧酸循环不仅是三大营养物质分解代谢的最终共同途径，而且也是它们互变的枢纽。 三大营养物质在体内的氧化可以分为三个阶段，首先是糖、脂肪、蛋白质经过分解代谢生成乙酰辅酶A；接着乙酰辅酶A进入三羧酸循环脱羧脱氢，生成CO2并使NAD和FAD还原成NADH+H和FADH2；第三阶段是NADH+H和FADH2中的氢经呼吸链传给氧生成水，氧化过程中释放出来的能量合成ATP。前两个阶段已在前讲述，本节主要讨论第三阶段，即代谢物脱下的氢是如何通过呼吸链传递给氧生成水，细胞通过什么方式将氧化过程中释放的能量转变成ATP分子中的高能键。
（一）呼吸链（电子传递链）
代谢物脱下的氢通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，由于此过程与细胞利用O2生成CO2的呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链（respiratory chain）。在呼吸链中，酶和辅酶按一定的顺序排列在线粒体内膜上，其中传递氢的称为递氢体，传递电子的称为递电子体。
呼吸链由线粒体内膜上的5种复合体（复合蛋白）组成，它们是复合体I（NADH-Q还原酶，又称NADH氧化酶，辅基为FMN和Fe-S）、复合体II（琥珀酸-Q还原酶，辅基为FAD和Fe-S）、复合体III（细胞色素还原酶，辅基为血红素b、血红素c1和Fe-S）、复合体IV（细胞色素氧化酶，辅基血红素a、血红素a3和Cu）、复合体V（ATP合酶）。辅基传递氢和电子的有NAD、FMN、FAD、CoQ（图5-2-6），传递电子的有Fe-S（图5-2-7）和血红素Fe、Cu（图5-2-8），Fe、Cu通过得失电子来传递电子。
复合体I（NADH-Q还原酶）、CoQ、复合体III（细胞色素还原酶）和复合体IV（细胞色素氧化酶）组成NADH氧化呼吸链，复合体II（琥珀酸-Q还原酶）、复合体III（细胞色素还原酶）和复合体IV（细胞色素氧化酶）组成琥珀酸氧化呼吸链。
（二）电子传递与线粒体内膜两侧质子梯度的形成
【NADH氧化呼吸链的电子（氢）传递】线粒体内大多数脱氢酶都以NAD作为辅酶，在脱氢酶催化下底物SH2脱下的氢交给NAD生成NADH+H。NADH在NADH-Q还原酶（复合体I）作用下，NADH+H将氢原子传递给FMN生成FMNH2，后者再将氢传递给Q生成QH2，此时两个氢原子解离成2个质子和2个电子，2个质子游离于介质中，2个电子经由细胞色素还原酶（复合体III）传递至细胞色素C，然后细胞色素氧化酶（复合体IV）将细胞色素C上的2个电子传递给氧生成O，O与2H结合生成水。
【琥珀酸氧化呼吸链的电子（氢）传递】琥珀酸-Q还原酶使琥珀酸脱氢生成FADH2，然后将FADH2上的氢传递给Q生成QH2，其后的传递过程如NADH呼吸链。
电子传递的氧化势能使线粒体基质的氢离子H泵出到膜间腔（内膜外侧），从而形成内膜两侧的质子梯度差（内正外负），这个梯度差是合成ATP的势能所在。
复合体I（NADH-Q还原酶）、复合体III（细胞色素还原酶）、复合体IV（细胞色素氧化酶）具有质子泵作用，复合体II（琥珀酸-Q还原酶）传递电子的氧化势能太小，不能将质子泵出。
（三）ATP的合成
ATP合酶（复合体V）由FO和F1等蛋白复合而成，有质子通道，当质子由膜间腔经质子通道回流时，ATP合酶被活化而驱动ATP的合成（图5-2-11）。这种合成ATP的方式称做【氧化磷酸化】，即在呼吸链中伴随电子（质子）传递的氧化还原反应产生的电化学势能，推动ADP磷酸化为ATP的过程。氧化磷酸化是细胞合成ATP的主要方式，合成ATP的另一种方式是【底物磷酸化】（见本章糖酵解一节）。注意：ATP合酶的FO中的O是字母O，不是零。
新近的研究表明，NADH经呼吸链氧化可合成2.5个ATP分子，FADH2经呼吸链氧化可生成1.5个ATP分子。注意，这与传统的数字是不同的！
ATP是人体各种生命活动能量的直接供给者，它是食物中蕴藏的能量和机体利用的能量之间的纽带。糖、脂类及蛋白质等能源物质氧化分解释放的能量约有40%以化学能贮存在高能化合物中，ATP是体内最重要的高能化合物。但是ATP在细胞中的含量很低，在哺乳动物的脑和肌肉中约为3～8mmol/kg，这么微的含量只能供给肌肉剧烈活动1s左右的消耗，因此肌肉和脑中存在着一类贮存能量的高能化合物，这个化合物就是磷酸肌酸。
ATP将～P转移给肌酸（CP）生成磷酸肌酸（CP～P），作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。磷酸肌酸在脑中的含量是ATP的1.5倍，肌肉中相当于ATP的5倍。受过良好训练的运动员肌肉中的磷酸肌酸含量可高达30mmol/kg。当机体消耗ATP过多时，磷酸肌酸将～P转移给ADP，生成ATP，供生理活动之用。磷酸肌酸是细胞内首先供应ADP使之再合成ATP的能源物质。ATP是体内的能量使者，是生物体内能量的储存和利用的中心分子。
（四）氧化磷酸化的影响因素?
1．ADP/ATP比值的影响
氧化磷酸化主要受细胞对能量需求的影响。细胞能量供应缺乏时，即ATP减少，ADP增加，ADP/ATP比值增大，氧化磷酸化速率加快，NADH迅速减少而NAD增多，促进三羧酸循环；反之，细胞内能量供应充足时，即ATP增加，ADP减少，ADP/ATP比值减少，氧化磷酸化速率减慢，NADH消耗减少，三羧酸循环减缓。ADP/ATP比值是调节氧化磷酸化的基本因素，这种反馈调节可使机体适应生理需要，合理利用能源。
2．甲状腺素的调节
甲状腺素能诱导细胞膜上Na-K-ATP酶的生成，使ATP分解为ADP的速度加快，线粒体中ADP/ATP比值增大，导致氧化磷酸化加强。由于ATP的合成和分解都增加，使机体耗氧量和产热量都增加。所以甲状腺功能亢进患者常出现基础代谢率增高。
3．抑制剂的作用
一些化合物对氧化磷酸化有抑制作用，根据其作用部位不同分为两类：
⑴呼吸链抑制剂：
这类抑制剂阻断呼吸链上某一环节的电子传递。由于电子传递受阻，磷酸化反应也无法正常进行。如安眠药异戊巴比妥（阿米妥）、植物毒素鱼藤酮（常用作杀虫剂）能阻断NADH到Q之间的电子传递；一氧化碳和氰化物能与细胞色素氧化酶分子中的铁离子结合，使其失去电子传递能力。
⑵解偶联剂：
这类抑制剂不影响呼吸链的电子传递，而是解除氧化与磷酸化的偶联作用，使氧化过程产生的能量不能生成ATP，而是以热能的形式散发。如2，4-二硝基酚、双香豆素等属于解偶联剂，感冒或患某些传染病时体温升高，是由于细菌或病毒产生的解偶联剂所致。 体内很多物质氧化分解产生NADH，线粒体内生成的NADH可直接通过呼吸链进行氧化磷酸化，而胞液中生成的NADH由于不能自由透过线粒体内膜，故需通过某种转运机制，将氢转移到线粒体内，重新生成NADH或FADH2后再参加氧化磷酸化。这种转运机制主要有α-磷酸甘油穿梭和苹果酸穿梭。
（一）3-磷酸甘油（α-磷酸甘油）穿梭系统
该穿梭系统主要存在于肌肉和神经组织，它是通过α-磷酸甘油将胞液中NADH的氢带入线粒体内，具体过程如下：
当胞液中NADH浓度升高时，磷酸二羟丙酮在胞液α-磷酸甘油脱氢酶（辅酶为NAD）催化下由NADH+H供氢生成α-磷酸甘油，后者进入线粒体后在线粒体内α-磷酸甘油脱氢酶（辅酶为FAD）的催化下重新生成磷酸二羟丙酮和FADH2。磷酸二羟丙酮穿出线粒体外可继续利用。生成的FADH2经呼吸链氧化磷酸化，这种穿梭作用可生成1.5分子ATP。
（二）苹果酸穿梭系统
又称苹果酸-天冬氨酸穿梭系统，主要存在于肝、肾、心。是指通过苹果酸将胞液中NADH的氢带进线粒体内，具体过程如下：
当胞液中NADH浓度升高时，首先由苹果酸脱氢酶（辅酶NAD）催化，使草酰乙酸还原成苹果酸。苹果酸在线粒体内膜转位酶的催化下穿过线粒体内膜，进入线粒体的苹果酸，在苹果酸脱氢酶作用下脱氢生成草酰乙酸，并生成NADH+H。生成的NADH+H通过呼吸链传递进行氧化磷酸化，生成2.5分子ATP。
草酰乙酸不能直接透过线粒体内膜返回胞液，但它可在天冬氨酸转氨酶作用下从谷氨酸接受氨基生成天冬氨酸，谷氨酸转出氨基后生成α酮戊二酸，α酮戊二酸、天冬氨酸都能在膜上转位酶的作用下穿过线粒体内膜而进入胞液，在胞液中天冬氨酸和α酮戊二酸在天冬氨酸转氨酶的作用下又重新生成草酰乙酸和谷氨酸，草酰乙酸又可重新参与苹果酸穿梭作用。 （一）葡萄糖彻底氧化产生ATP结算
关于葡萄糖彻底氧化为水和二氧化碳究竟产生多少ATP分子的问题一直受到人们的关注。葡萄糖分解通过糖酵解和柠檬酸循环的底物磷酸化作用产生ATP的分子数，根据化学计算可以得到明确的答复。但是氧化磷酸化产生的ATP分子数并不十分准确。因为质子泵、ATP合成以及代谢物的转运过程并不需要是完整的数值甚至不需要固定值。根据最新测定计算，一对NADH传至O2，所产生的ATP分子数是2.5个，琥珀酸及脂肪酸氧化产生的FADH2传递至O2，产生的ATP是1.5个。这样，当一分子葡萄糖彻底氧化彻底氧化为CO2和H2O所得到的ATP分子数和过去传统的统计数（36或38个ATP）少了6个ATP分子，成为30个或32个。全部的统计列于表5-2-1。在30或32个ATP分子中，氧化磷酸化产生26或28个，底物磷酸化产生6个，葡萄糖活化共消耗2个。
（二）软脂酸彻底氧化产生ATP结算
软脂酸（16碳饱和脂肪酸）彻底氧化产生ATP数目为106个，其中氧化磷酸化为100个，底物磷酸化为8个，脂肪酸活化消耗2个（消耗1个ATP生成1个AMP，即消耗2个高能键）。

公卫执业医师生物化学辅导：糖代谢(2)

　 　二、糖有氧氧化

葡萄糖的有氧氧化包括四个阶段。

①糖酵解产生丙酮酸(2丙酮酸、 2ATP、2NADH)

②丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA 2×(CO2、NADH)

③三羧酸循环 2×(2CO2、ATP、3NADH、FADH2)

④呼吸链氧化磷酸化 (NADH-----ATP)

三羧酸循环：乙酰CoA经一系列的氧化、脱羧，最终生成CO2、H2O、并释放能量的过程，又称柠檬酸循环、Krebs循环。

原核生物：①~④阶段在胞质中

真核生物：①在胞质中，②~④在线粒体中

1、丙酮酸脱羧生成乙酰CoA。此反应在真核细胞的线粒体基质中进行，这是连接糖酵解与TCA的中心环节。

1) 丙酮酸脱氢酶系：丙酮酸脱氢酶系是一个十分庞大的多酶体系，位于线粒体膜上，电镜下可见。

E.coli丙酮酸脱氢酶复合体：

分子量：4.5×106，直径45nm，比核糖体稍大。

酶 辅酶 每个复合物亚基数

丙酮酸脱羧酶(E1) TPP 24

二氢硫辛酸转乙酰酶(E2) 硫辛酸 24

二氢硫辛酸脱氢酶(E3) FAD、NAD+ 12

此外，还需要CoA、Mg2+作为辅因子。这些肽链以非共价键结合在一起，在碱性条件下，复合体可以解离成相应的亚单位，在中性时又可以重组为复合体。所有丙酮酸氧化脱羧的中间物均紧密结合在复合体上，活性中间物可以从一个酶活性位置转到另一个酶活性位置，因此，多酶复合体有利于高效催化反应及调节酶在反应中的活性。

2) 反应步骤：

(1)丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP

(2)二氢硫辛酸乙酰转移酶(E2)使羟乙基氧化成乙酰基

(3)E2将乙酰基转给CoA，生成乙酰-CoA

(4)E3氧化E2上的还原型二氢硫辛酸

(5)E3还原NAD+生成NADH

3) 丙酮酸脱氢酶系的活性调节：从丙酮酸到乙酰CoA是代谢途径的分支点，此反应体系受到严密的调节控制，此酶系受两种机制调节。

(1)可逆磷酸化的共价调节：

丙酮酸脱氢酶激酶(EA)(可被ATP激活)

丙酮酸脱氢酶磷酸酶(EB)

磷酸化的丙酮酸脱氢酶(无活性)

去磷酸化的丙酮酸脱氢酶(有活性)

(2)别构调节：ATP、CoA、NADH是别构抑制剂。ATP抑制E1;CoA抑制E2;NADH抑制E3。

4) 能量变化：1分子丙酮酸生成1分子乙酰CoA，产生1分子NADH(3ATP)。

2、 三羧酸循环(TCA)的过程

TCA循环：每轮循环有2个C原子以乙酰CoA形式进入，有2个C原子完全氧化成CO2放出，分别发生4次氧化脱氢，共释放12ATP。

1) 反应步骤

(1)、 乙酰CoA+草酰乙酸→柠檬酸

柠檬酸合酶，TCA中第一个调节酶：受ATP、NADH、琥珀酰CoA、和长链脂肪酰CoA的抑制;受乙酰CoA、草酸乙酸激活。氟乙酰CoA可与草酰乙酸生成氟柠檬酸，抑制下一步反应的酶，据此，可以合成杀虫剂、灭鼠药。

(2)、 柠檬酸→异柠檬酸

由顺鸟头酸酶催化

(3)、 异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸和NADH

异柠檬酸脱氢酶，这是三羧酸循环中第一次氧化脱羧反应， TCA中第二个调节酶：Mg2+(Mn2+ )、NAD+和ADP可活化此酶，NADH和ATP可抑制此酶活性。细胞在高能状态：ATP/ADP、NADH/NAD+比值高时，酶活性被抑制。线粒体内有二种异柠檬酸脱氢酶，一种以NAD+为电子受体，另一种以NADP+为受体。前者只在线粒体中，后者在线粒体和胞质中都有。

(4)、 α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA和NADH

α-酮戊二酸脱氢酶系，TCA循环中的第三个调节酶：受NADH、琥珀酰CoA、Ca2+、ATP、GTP抑制，α-酮戊二酸脱氢酶系为多酶复合体，与丙酮酸脱氢酶系相似(先脱羧，后脱氢)

(5)、 琥珀酰CoA生成琥珀酸和GTP

琥珀酰CoA合成酶(琥珀酸硫激酶)，这是TCA中唯一的底物水平磷酸化反应，直接生成GTP。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。在哺乳动物中，先合成GTP，然后在核苷二磷酸激酶的作用下，GTP转化成ATP。

(6)、 琥珀酸脱氢生成延胡索酸(反丁烯二酸)和FADH

琥珀酸脱氢酶是TCA循环中唯一嵌入线粒体内膜的酶。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)、 延胡索酸水化生成L-苹果酸

延胡索酸酶具有立体异构特性，OH只加入延胡索酸双键的一侧，因此只形成L-型苹果酸。

(8)、 L-苹果酸脱氢生成草酰乙酸和NADH

L-苹果酸脱氢酶，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循环小结

(1)、总反应式：

丙酮酸 + 4NAD+ + FAD + GDP → 4NADH + FADH2 + GTP + 3CO2 + H2O

乙酰CoA + 3NAD+ + FAD + GDP → 3NADH + FADH2 + GTP + 2CO2 + H2O

(2)、 一次底物水平的磷酸化、二次脱羧反应，三个调节位点，四次脱氢反应。

3个NADH、1个FADH2进入呼吸链

(3)、 三羧酸循环中碳骨架的不对称反应

同位素标记表明，乙酰CoA上的两个C原子在第一轮TCA上并没有被氧化。

被标记的羰基碳在第二轮TCA中脱去。在第三轮TCA中，两次脱羧，可除去最初甲基碳的50%，以后每循环一次，脱去余下甲基碳的50%

3) 一分子Glc彻底氧化产生的ATP数量(按NADH的P/O=3,FADH2的为2来计算)

(在肝脏中)

反应 酶 ATP消耗 产生ATP方式 ATP数量 合计

糖 酵 解 已糖激酶 1 -1 8

磷酸果糖激酶 1 -1

磷酸甘油醛脱氢酶 NADH呼吸链氧化磷酸化 2×3

磷酸甘油酸激酶 底物水平磷酸化 2×1

丙酮酸激酶 底物水平磷酸化 2×1

TCA 丙酮酸脱氢酶复合物 NADH 2×3 30

异柠檬酸脱氢酶 NADH 2×3

α-酮戊二酸脱氢酶复合物 NADH 2×3

琥珀酸脱氢酶 FADH2 2×2

苹果酸脱氢酶 NADH 2×3

琥珀酰CoA合成酶 底物水平磷酸化 2×1

净产生：38ATP

在骨骼肌、脑细胞中，净产生：36ATP

甘油磷酸穿梭，1个NADH生成2个ATP

苹果酸穿梭，1个NADH生成3个ATP

(1)、 磷酸甘油穿梭机制：

磷酸二羟丙酮+NADH+H+→3-磷酸甘油+NAD+

3-磷酸甘油进入线粒体，将2H交给FAD而生成FADH2，FADH2可传递给辅酶Q，进入呼吸链，产生2ATP(3-磷酸甘油脱氢酶的辅酶是FAD)。

(2)、 苹果酸穿梭机制：

胞液中NADH可经苹果酸酶催化，使草酰乙酸还原成苹果酸，再通过苹果酸-α-酮戊二酸载体转运，进入线粒体，由线粒体内苹果酸脱氢酶催化，生成NADH和草酰乙酸，NADH进入呼吸链氧化，生成3ATP。(苹果酸脱氢酶的辅酶是NAD+)

1分子Glc在肝、心中完全氧化，产生38ATP，在骨骼肌、神经系统组织中，产生36ATP。

4) 三羧酸循环的代谢调节

(1)、 柠檬酸合酶(限速酶)：受ATP、NADH、琥珀酰CoA及脂酰CoA抑制。

受乙酰CoA、草酰乙酸激活

(2)、 异柠檬酸脱氢酶：NADH、ATP可抑制此酶，ADP可活化此酶，当缺乏ADP时就失去活性。

(3)、 α-酮戊二酸脱氢酶：受NADH和琥珀酰CoA抑制。

5) TCA的生物学意义

(1) 氧化提供能量。线粒体外的NADH，可通过3-磷酸甘油穿梭和苹果酸穿梭机制，运到线粒体内，经呼吸链再氧化，这两种机制在不同组织的细胞中起作用。

(2) TCA是生物体内其它有机物氧化的主要途径，如脂肪、氨基酸、糖

(3) TCA是物质代谢的枢纽。一方面，TCA是糖、脂肪、氨基酸等彻底氧化分解的共同途径;另一方面，循环中生成的草酰乙酸、α-酮戊二酸、柠檬酸、琥珀酰CoA和延胡索酸等又是合成糖、氨基酸、脂肪酸、卟啉等的原料，因而TCA将各种有机物的代谢联系起来。TCA是联系体内三大物质代谢的中心环节，为合成其它物质提供C架。

6) TCA的回补反应

三羧酸循环中间物的的回补：在TCA循环中，有些中间产物是合成其它物质的前体，如卟啉的主要碳原子来自琥珀酰CoA，Glu、Asp可以从α-酮戊二酸和草酰乙酸衍生而成，一旦草酰乙酸浓度下降，则会影响TCA循环，因此这些中间产物必须不断补充，以维持TCA循环。

产生草酰乙酸的途径有三个：

(1)、 丙酮酸羧化酶催化丙酮酸生成草酰乙酸

丙酮酸羧化酶是一个调节酶，乙酰CoA可以增加其活性。需要生物素为辅酶

(2)、 磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸转化成草酰乙酸

在脑、心脏中存在这个反应。

(3)、 Asp、Glu转氨可生成草酰乙酸和α-酮戊二酸

Ile、Val、Thr、Met也会形成琥珀酰CoA，最后生成草酰乙酸

附： 葡萄糖有氧氧化生成的ATP

反　应 辅酶 ATP

第一阶段 葡萄糖　6-磷酸葡萄糖 -1

6-磷酸果糖　1，6双磷酸果糖 -1

2*3-磷酸甘油醛　2*1,3-二磷酸甘油酸 NAD+ 2*3或2*2(详见)

2*1,3-二磷酸甘油酸　2*3-磷酸甘油酸 2*1

2*磷酸烯醇式丙酮酸　2*丙酮酸 2*1

第二阶段 2*丙酮酸　2*乙酰CoA NAD+ 2*3

第三阶段 2*异柠檬酸　2*α-酮戊二酸 NAD+ 2*3

2*α-酮戊二酸　2*琥珀酰CoA NAD+ 2*3

2*琥珀酰CoA　2*琥珀酸 2*1

2*琥珀酸　2*延胡索酸 FAD 2*2

2*苹果酸　2*草酰乙酸 NAD+ 2*3

净生成　38或36个ATP

3、磷酸戊糖途径

也称磷酸己糖支路，发生在胞质中。细胞内Glc的氧化分解，除通过糖酵解，三羧酸循环和发酵外，还能直接氧化分解。即反应开始，在G-6-P上的C2原子上直接氧化，通过一系列转化被分解，此为磷酸戊糖途径。

两个事实：

①用碘乙酸和氟化物抑制糖酵解(磷酸甘油醛脱氢酶)发现Glc的消耗并不因此而受影响，证明葡萄糖还有其它的分解途径

②用14C分别标记Glc的C1和C6，然后分别测定14CO2生成量，发现C1标记的Glc比C6标记的Glc更快、更多地生成14CO2 ，如果糖酵解是唯一的`代谢途径，那么14C1和14C2生成14CO2的速度应该相同。

1)、 反应过程

Glc经磷酸戊糖途径氧化分解可分为两个阶段。

第一阶段：6-磷酸葡萄糖氧化脱羧生成5-磷酸核糖

第二阶段：磷酸戊糖分子重排，产生不同碳链长度的磷酸单糖

(1) 6-磷酸葡萄糖脱氢脱羧生成5-磷酸核酮糖

在此氧化脱羧阶段中，Glc经两次脱氢，一次脱羧，生成5-磷酸核酮糖及NADPH。6-磷酸葡萄糖脱氢酶是磷酸戊糖途径的调控酶，NADPH反馈抑制此酶活性。

(2) 磷酸戊糖异构生成5-磷酸核糖及5-磷酸木酮糖

(表异构酶)5-磷酸木酮糖产率：2/3; (异构酶) 5-磷酸核糖产率：1/3

(3) 磷酸戊糖通过转酮、转醛反应生成酵解途径的中间产物(F-6-P，3-磷酸甘油醛)

a. 转酮反应：5-磷酸木酮糖将自身的二碳单位(羟乙酰基)转到5-磷酸核糖的C1上，生成3-磷酸甘油醛和7-磷酸景天庚酮糖。

转酮酶需TPP为辅酶，作用机理与丙酮酸脱氢酶中的TPP类似。

b. 转醛反应：转醛酶将7-磷酸庚酮糖上的三碳单位(二羟丙酮基)转到3-磷酸甘油醛的C1上，生成4-磷酸赤鲜糖和6-磷酸果糖。

(4)转酮反应(转酮酶)

4-磷酸赤鲜糖接受另一分子5-磷酸木酮糖上的二碳单位(羟乙酰基)，生成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛

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