三羧酸循环(TCA)

一、丙酮酸的氧化脱羧
丙酮酸脱氢酶系是一个多酶复合体，组 成如下： 调控酶：丙酮酸脱氢酶PDH、二氢硫辛酸转 乙酰基酶DLT、二氢硫辛酸脱氢酶DLDH 辅助因子：硫胺素焦磷酸酯TPP、硫辛酸、 HS—CoA、NAD＋、Mg2＋、FAD。
丙酮酸氧化脱羧的调控：
1、当细胞内ATP、乙酰CoA、NADH含量同时 增加时， PDH 磷酸化作用加强，阻碍丙酮酸 氧化脱羧。反之则反。 2、乙酰CoA和NADH可分别抑制DLT和DLDH的 活性，阻止氧化脱羧。 丙酮酸的氧化脱羧是连接EMP和TCA 的纽带，其反应本身并未进入TCA，但是是 所有糖进入TCA的必由之路。
七、三羧酸循环的回补效应
产生草酰乙酸的途径主要有：
1、丙酮酸羧化酶催化丙酮酸羧化生成草酰乙酸
位于动物肝脏和肾脏的线粒体中
OCCOOH CH3COCOOH+CO2+ATP+H2O CH2COOH +ADP+Pi
Mg2+,生物素
2、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化PEP生成草酰乙酸
植物、细菌等，PEP羧化酶催化
HMP的两个关键酶
转醛酶或转二 羟丙酮基酶 转酮酶或转 羟乙醛基酶
3—P—G （3—P 甘油醛）＋ 7 — P—S（7—P— 景天庚酮糖）
将5—P—Xu的乙酮醇基转移给5—P—R。
6 、 5 — P—R＋5—P—Xu
7 、 3 — P—G＋7—P—S （4—P赤藓糖）＋6—P—F
4—P—E
将7—P—S-的二羟丙酮基转移给3—P—G。
CH2CCOOH + H2O+ CO2O=CCOOH +Pi | O~P CH2COOH
3、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化PEP生成草酰乙酸
心脏、骨骼肌中，PEP羧激酶催化 PEP+CO2+GDPO=CCOOH +GTP
CH2COOH
4、由苹果酸酶、苹果酸脱氢酶催化使
丙酮酸生成草酰乙酸
5、5—P 核酮糖（5—P—Ru）异构化为
5—P木酮糖（5—P—Xu）
差向异构
4——5步
6-----8步，基团移位反应 通过转酮酶和转醛酶的催化作用，将一酮糖分 子的酮醇基转移给另一醛糖分子上，形成新的醛糖 和酮糖。 转酮酶专门催化乙酮醇基转移
转醛酶专门催化二羟丙酮基转移
通过C5、C4、C7、C3、C6只见的基团转移反 应，实现了糖分子之间的转变，最终生成6—P—F
由于氧化磷酸化， 1mol（NADH＋H＋）可生成 3molATP, 1 molFADH2可生成2molATP。
因此：第一阶段：净生成8molATP
第二阶段：净生成6molATP，2 molCO2
第三阶段：净生成24molATP，4 molCO2
共净生成38molATP，6molCO2 真核生物中，共净生成36molATP，6molCO2
转酮酶
2
+2
3-磷酸甘油醛 6-磷酸果糖
然后： 3—P—G 3—P—G+DHAP 2—磷酸果糖酯酶 1，6—FDP 6—P—F DHAP 1，6—FDP 磷酸己糖异构酶
H 2O 6—P—G
Pi
磷酸戊糖途径的非氧化阶段之三
（3-磷酸甘油醛异构、缩合与水解）
2
3-磷酸甘油醛
H2O
Pi
异 构 酶
醛缩酶
第五节 磷酸戊糖途径（HMP PPP）
磷酸戊糖途径的概念：是G分解的另一条途径: 在6—P—G上直接氧化，再分解产生5—P—核糖。
磷酸戊糖途径PPP：Pentose Phosphate Pathway 己糖磷酸途径HMP：Hexose Monophosphate Pathway 磷酸己糖支路HMS：Hexose Monophosphate Shunt G直接氧化途径DOPG：Direct
所以，HMP要循环一轮，必须有6个6—P—G 同时进入循环，但最终只有1个6—P—G被彻底分 解为6CO2＋12（NADPH＋H＋）＋Pi。
磷酸戊糖途径的非氧化分子重排阶
阶 段 之 一
6 5-磷酸核酮糖
Oxidation Pathway of Glucose
HMP 的阐明起始于 1931 年 Warburg 对 6 — P—G 脱氢酶的 研究，后人在此基础上加以完善。实验证明： （ 1 ） 在 组 织 中 加 入 EMP 抑 制 剂 碘 乙 酸 或 碘 乙 酰 胺 （ ICH2COOH 或 ICH2CONH2）后，它抑制 3 — P—G 脱氢酶的活 性（3—P—G 1，3—DPG），但有些微生物仍能将G CO2＋H2O，说明另有途径。
（2）用同位素14C标记C1和C6 ，如果是EMP、TCA，那么生 成的14C1O2和14C6O2 分子数应相等，但实验表明14C1 更容易 氧化为CO2，说明另有途径。
说明G分解的主要途径是EMP和TCA，但并非唯一途径， HMP也是G分解的途径，只是在6—P—G上直接氧化。
细胞定位：胞液
一、磷酸戊糖途径概要
二磷酸果糖酯酶
1,6-二 磷酸果糖
6-磷酸果糖
总反应式为： A式：6 6—P—G＋12NADP＋＋6H2O 6CO2＋12（NADPH＋H＋） 然后：2 3—P—G 6—P—F 4 6—P—F＋2 3—P—G＋
1，6—DPG＋H2O 6—P—G
6—P—F＋Pi
因此得到B式 ：
6—P—G＋12NADP＋＋7H2O 6CO2＋12（NADPH＋H＋）＋Pi
磷酸戊糖途径的 非氧化阶段之二
2
+2
5-磷酸木酮糖 5-磷酸核糖
（基团转移）
转酮酶
H
2
3-磷酸甘油醛
+2
7-磷酸景天庚酮糖
转醛酶
2
+2
4-磷酸赤藓糖 6-磷酸果糖
6——7步
8、5—P—Xu＋4—P—E
3—P—G
＋6—P—F
将5—P—Xu的乙酮醇基转移给4—P—E。
基团转移（续前）
2
+2
4-磷酸赤藓糖 5-磷酸木酮糖
4—5、异柠檬酸氧化脱羧生成α —酮戊二酸
第一次脱氢脱羧
可逆
消耗1NAD＋，生成1NADH＋H＋，1CO2
该酶是别构酶，激活剂是 ADP，抑 制剂是NADH、ATP。 有两种同工酶：
以NAD＋为电子受体，存在于线粒体 中，需Mg2＋。 以NADP＋为电子受体，存在于胞 液中，需Mn2＋。
6、α —酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA
以6—P—G为起始物，经过两个阶段共8 步反应，最后重新生成6—P—G的过程。
HMP概要
特点： G 直接脱氢或脱羧，不经过三 碳糖阶段。 HMP属于有氧分解还是无氧分解？
O2不参加HMP，但认为HMP是需 氧的代谢途径，因为可以肯定的是： HMP是需氧生物的某些组织、器官中较 旺盛的代谢途径，而且与EMP、TCA相 联系。
第四节
三羧酸循环（TCA）
三羧酸循环的概念： 1937 年德国生物学家 Krebs （克雷布斯， 1953年因此获诺贝尔奖）阐明：乙酰CoA的继续 分解是一个环式反应体系，起点是乙酰CoA与草 酰乙酸结合为具有三个羧基的柠檬酸，故称为三 羧酸循环（tricarboxylic acid），又叫TCA循环， Krebs 循环，由于该循环的第一个产物是柠檬酸， 又叫柠檬酸循环。 它不仅是糖代谢的主要途径，也是蛋白质、 脂肪分解代谢的最终途径。 三羧酸循环的细胞定位：线粒体内
二、三羧酸循环概要
TCA循环一轮分10步完成。来自丙酮酸 脱氢脱羧后的乙酰基（C2单位）由CoA带着 进入TCA，第一步是C2与一个C4化合物（草 酰乙酸）结合成C6化合物（柠檬酸），然后 经过2次脱羧（生成2个CO2）和4次脱氢（生 成3NADH＋1FADH2），还产生1个GTP（高 能化合物），最终回到C4化合物（草酰乙 酸），结束一轮循环。
第四次脱氢 可逆
消耗1NAD＋，生成1NADH＋H＋
总反应式：
乙酰CoA＋3NAD＋＋FAD＋GDP＋Pi＋2H2O
2CO2＋3NADH＋3H＋＋FADH2＋GTP
＋HS—CoA
四、化学量计算
（一）物质量计算 1mol乙酰CoA （二）能量计算 1、计算1mol乙酰CoA彻底氧化分解产生的ATP的数目 1+3×3+1×2=12molATP 2 molCO2+1molCoA
低：大量的 NADH 抑制酶的活性，使 TCA 循环 减速。
2、ATP，琥珀酰CoA抑制柠檬酸合成酶、α —酮戊 二酸脱氢酶的活性，使TCA循环减速。 异柠檬脱氢酶受ATP抑制，被ADP激活。 3、丙酮酸脱氢酶系的调节见前
细胞中 ATP 浓度越高时， TCA 速度下降；
NAD＋/NADH的比值越高时，TCA速 度越快。
EMP：高能磷酸基团直接转移给ADP放能 TCA：琥珀酰CoA中的高能键 键水解放能 硫酯
8、琥珀酸氧化生成延胡索酸
第三次脱氢（FAD脱氢） 可逆
生成1FADH2
该酶结合在线粒体内膜上，丙二 酸是竞争性抑制剂
9、延胡索酸水化生成苹果酸
水化作用 可逆 消耗1H2O
10、苹果酸脱氢氧化生成草酰乙酸
2、计算 1molG 彻底氧化分解产生的 ATP 的数目（原核生物）
G
EMP
丙酮酸
乙酰CoA
TCA
CO2+ H2O
第一阶段：G
2mol丙酮酸 EMP阶段
净生成2molATP，2mol（NADH＋H＋） 第二阶段：2mol丙酮酸 2mol乙酰CoA
净生成2mol（NADH＋H＋），2 molCO2 第三阶段：2mol乙酰CoA经TCA彻底氧化分解 净 生 成 2 × 1 ATP，2×3mol（NADH＋H＋），2×1 molFADH2，2×2 molCO2
原核、真核中广泛存在的苹果酸酶催化
CH3COCOOH+CO2+NADPH+H+
HO—CHCOOH CH2COOH
+NADP+
再由苹果酸脱氢酶催化：
HO—CHCOOH +NAD+ O=CCOOH
CH2COOH
+ NADH+H+ CH2COOH
5、α —酮戊二酸和Asp 经转氨作用
生成Glu和草酰乙酸
TCA 的运转必须通过 O2 条件下才能运转， 实际上O2并不直接参加TCA，那么O2在何处参 加反应呢？
TCA除了产生1个GTP外，另外的能量 均潜在3NADH和1FADH2中，为了TCA的运 转，NAD＋和FAD必须再生。NAD＋和FAD 的再生则是通过DADH和FADH2进入电子传 递链，将H交给O2，释放潜能生成ATP而实 现。所以，TCA的运转必须有O2。
4、TCA的某些中间产物还是体内积累成分，如柠檬酸、 苹果酸是柑桔、苹果等果实的重要成分，在储藏期，酸作 为呼吸基质被消耗。果实的糖/酸比是衡量果实品质的一 项指标。
六、三羧酸循环的调控
三个调控位点：柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱 氢酶、α —酮戊二酸脱氢酶所催化的三个反应。 1、NAD＋/NADH的比值 高： TCA 循环生成的产物不能满足细胞自身 的需要，三种酶被激活，酶发挥催化功能，速度 加快。
第二次脱氢脱羧
不可逆
消耗1NAD＋，生成1NADH＋H＋，1CO2
生成一个高能键“ ~ ”，此步 类似于丙酮酸的氧化脱羧。 α —酮戊二酸脱氢酶系包括：
α —酮戊二酸脱氢酶 二氢硫辛酸转琥珀酰基酶 二氢硫辛酸脱氢酶
7、琥珀酸的生成
底物磷酸化 生成1ATP 可逆
是 TCA 中唯一直接产生 ATP 的反应，属 于底物磷酸化。 区别：
1个C2单位被分解为2CO2。
TCA 简 图
三、生化历程
1、乙酰CoA与草酰乙酸及H2O缩合生 成柠檬酸，放出HS—CoA。 —H2O 不可逆
2、柠檬酸脱水生成顺乌头酸
+H2O 可逆
3、顺乌头酸与H2O加成，生成异柠檬酸
异构化反应
—H2O
Biblioteka Baidu可逆
通过2——3步，将柠檬酸异构化为 异柠檬酸。实质是将前者的—OH从C2 变到了后者的C3，成为仲醇（由叔醇变 为仲醇），更易氧化。
二、生化历程
（一）不可逆的氧化阶段（1-----3）
1、6—P—G
6—P葡萄糖酸内酯
可逆
2、6—P葡萄糖酸内酯水解生成6—P葡萄糖酸
不可逆
3、6—P葡萄糖酸脱氢脱羧
生成5—P 核酮糖（5—P—Ru） 不可逆
1——3步
（二）可逆的非氧化阶段 （4——8） 戊糖互变 4、5—P 核酮糖（5—P—Ru）异构化为 5—P核糖（5—P—R） 官能团异构
五、生物学意义
1、TCA循环是生物体获能的主要途径，远比无氧分解产 生的能量多。
2、TCA是生物体各有机物质代谢的枢纽。糖、脂肪、氨 基酸的彻底分解都需通过TCA途径，而TCA中的许多中间 产物如草酰乙酸、 α— 酮戊二酸、琥珀酰 CoA 等又是合成 糖、氨基酸等的原料。
3、TCA是发酵产物重新氧化进入有氧分解的途径。