13-3三羧酸循环

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在标准热力学条件下，平衡有利于逆反应。但是在生理条件下，反应产物草酰乙
酸因不断合成柠檬酸而减少，使其在细胞中浓度极低，约少于10-6mol/L，使反应 向右进行。
三羧酸循环反应的总结
来自百度文库反应
酶
△G0’ (kJ/mol)
1
乙酰辅酶A + 草酰乙酸 + H2O
柠檬酸 + CoA-SH + H+
柠檬酸合成酶
黄素辅酶 有两种从维生素B2或核黄素 (riboflavin)衍生出来的辅酶： ·黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide, FAD） ·黄素单核苷酸（flavin mononucleotide, FMN）。
异咯嗪
核糖醇
核黄素
黄素单核苷酸
黄素腺嘌呤二核苷酸
还原的黄素需要再氧化以便使琥珀酸脱氢酶能再参与反应。因琥珀 酸脱氢酶可直接与位于线粒体内膜的电子传递系统联接，琥珀酸脱 氢产生的还原的黄素（FADH2)可以转移到酶的铁硫中心，然后进入 电子传递系统再氧化。
5
琥珀酰辅酶A + Pi + GDP
琥珀酰辅酶A合成酶
-2.9
琥珀酸 + GTP + CoA-SH
6
琥珀酸 + FAD 延胡索酸 + FADH2
琥珀酸脱氢酶
0
7
延胡索酸 + H2O 苹果酸
延胡索酸酶
-3.8
8
苹果酸 + NAD+ 草酰乙酸 +NADH + H+ 苹果酸脱氢酶
+29.7
总计
-57.3
三羧酸循环反应要点： （1）两碳片段（乙酰辅酶A）与4碳受体（草酰乙酸）结合形成柠檬酸。 （2）当柠檬酸进一步代谢时， 以CO2形式失去两个碳。 （3）有4个氧化反应，3个用NAD+作辅酶，一个用FAD作辅酶。 （4）只有一个反应直接产生高能磷酸化合物。 （5）草酰乙酸再产生，以进行下一轮循环。
琥珀酰-CoA
succinate + GTP + CoASH △G0’= -29 kJ/mol
这个反应与酵解中的两个底物水平的磷酸化类似，不同的是在动物
细胞中核苷酸产物不是ATP,而是GTP。
GTP可参与蛋白质合成。但大部分合成的GTP通过二磷酸核苷激酶的 反应最终驱动ATP的合成。
GTP + ADP
如果考虑丙酮酸脱氢酶的反应，考虑到每分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，葡萄糖 通过酵解和三羧酸循环的分解代谢方程式为：
葡萄糖 + 6H2O + 10 NAD+ + 2FAD + 4ADP + 4 Pi → 6CO2 + 10 NADH + 10H+ + 2FADH2 + 4ATP
到此为止，每摩尔葡萄糖在这个方程式中只产生4摩尔ATP。在酵解部分产生的 ATP是2摩尔。
琥珀酸脱氢酶中含有三种不同的铁硫簇：2Fe-2S(两个铁原子与两 个无机硫结合)，3Fe-3S和4Fe-4S。 琥珀酸脱氢酶是三羧酸循环中唯一位于线粒体内膜的酶。心肌线粒 体内膜提纯的酶分子量是100000，由70000和29000两个亚基组成。
琥珀酸脱氢酶也有立体专一性，只形成反式异构体延胡索酸（反丁 烯二酸），不形成顺式异构体马来酸（顺丁烯二酸）。马来酸不能
反应5：底物水平的磷酸化 琥珀酰-CoA转化成琥珀酸，并产生GTP。这是三羧酸循环中唯一一 个底物水平磷酸化。 琥珀酰-CoA的硫酯键是一个高能硫酯键，它的势能可被用来驱动磷 酸键的形成。 在琥珀酰-CoA合成酶的催化下，二磷酸鸟苷（GDP）磷酸化成三磷 酸鸟苷（GTP）。
Succinyl-CoA + GDP + Pi
三羧酸循环的8个反应可写成一个化学平衡方程，总反应式为：
乙酰辅酶A + 2H2O + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi → 2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + CoA-SH + GTP
在动物中，琥珀酰CoA合成酶反应形成的GTP在能量上与ATP相等。在后面的讨论 中将用ATP代替GTP。
中保存下来。
三羧酸循环中碳骨架的不对称反应 乙酰CoA经三羧酸循环产生两分子CO2，草酰乙酸经循环可以再次生 成。用同位素14C，13C分别标记乙酰CoA的甲基及羧基碳，发现在第 一轮循环中没有标记的CO2释放，说明释放出的两个碳原子并非乙酰 CoA的碳原子。
柠檬酸是对称分子，经酶催化生成的α-酮戊二酸应可能有两个产 物。 若用标记乙酰CoA合成第一个羧基标记的柠檬酸，由此产生的α-酮 戊二酸应一半在α羧基上标记，另一半在γ羧基上标记，也就是 α-酮戊二酸的两个羧基都应标记，但是事实上从体内分离的α-酮 戊二酸只是γ羧基上有标记。
每一轮循环共产生1 + 9 + 2 = 12分子ATP 。 若从丙酮酸脱氢酶的反应开始计算，共产生15分子ATP。
每分子葡萄糖可以产生2分子丙酮酸，因此每分子葡萄糖经酵解，三羧酸循环及 氧化磷酸化3个阶段共产生6或8 + 2X15 = 36-38个ATP分子。
每摩尔葡萄糖完全氧化产生的ATP摩尔数
反应6：依赖于黄素的脱氢 反应6，7和8把4碳的琥珀酸转换成4碳的草酰乙酸。这三个反应的 第一个是由琥珀酸脱氢酶催化的，依赖于FAD的脱氢。这是三羧酸
循环中第三个氧化还原反应，琥珀酸脱氢生成延胡索酸。
氢的受体是酶的辅基FAD，这个反应自由能变化不足以还原NAD+。
FAD是通过异咯嗪环上的第8（7）位碳上的甲基与酶蛋白质中的组氨 酸残基上的咪唑环氮3连接。
酸脱水生成延胡索酸的逆反应。 延胡索酸酶分子量为200000，由4个相同亚基组成，每个亚基含3个自由巯基，是
酶活性所必需的。已从猪心制备了延胡索酸酶结晶。
反应8：脱氢产生进入下一轮循环的底物 苹果酸脱氢生成草酰乙酸。 这是三羧酸循环中第4次氧化还原反应。L-苹果酸脱氢酶催化依赖于NAD+的脱氢 ，完成循环。NAD+接受氢还原成NADH。
GDP + ATP
△G0’= 0.0 kJ/mol
在植物和细菌中，通过琥珀酰CoA和ADP直接合成ATP。
在合成GTP或ATP的反应中，先形成脱水的琥珀酰磷酸，然后通过使
琥珀酰-CoA合成酶的一个特定的组氨酸磷酸化使酶活化。
N-磷酸组氨酸再把其磷酸转移到核苷二磷酸底物。
琥珀酰-CoA合成酶催化的反应中N-磷酸组氨酸残基的结构
参加代谢，对有机体有毒性。 丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。
反应7：碳-碳双键的水合反应 延胡索酸水化生成苹果酸
延胡索酸酶催化这个立体专一水化反应。用标记氘的实验证明H+和OH- 以反式加
成，酶具有立体异构特异性，OH-只加入延胡索酸双键的一侧，因此只形成L-苹 果酸。延胡索酸的异构体马来酸不是这个酶的底物，这个酶也不能催化从D-苹果
2 2 2 2
葡萄糖氧化的△G0’是-2870kJ/mol, ATP水解的△G0’是30.5kJ/mol。葡萄糖完全氧化能量的利用效率为40% （38x30.5/2870）。
在标准条件下测定的值很可能要比在体内低。
糖，脂肪和某些氨基酸代谢最终产生乙酰CoA，通过三羧酸循环彻 底氧化成CO2。通过三羧酸循环进行氧化是体内最主要的产生ATP的途径，在生物进化
虽然柠檬酸是一个对称分子，但它以中间碳原子为中心形成一个四面体，且与顺乌头酸酶 有三个不同作用位点，是不对称结合。13CH214COO-与CH2COO-不一致，是由于不对称结合造 成的。柠檬酸脱水时氢原子仅来自草酰乙酸部分，所以三羧酸循环的第一轮没有标记的 CO2释出。
虽然第二轮循环开始有标记的CO2释出，也不表明是来自乙酰CoA，因为琥珀酸是对称分子， 所以使延胡索酸，苹果酸和草酰乙酸经第一轮循环后都出现同位素标记的碳原子。
-32.2
2a
柠檬酸 顺乌头酸 + H2O
顺乌头酸酶
2b
顺乌头酸 + H2O 异柠檬酸
顺乌头酸酶
+6.3
3.
异柠檬酸 + NAD+ α-酮戊二酸
异柠檬酸脱氢酶
-20.9
+ CO2 + NADH + H+
4
α-酮戊二酸 + NAD+ + CoASH
α-酮戊二酸脱氢酶
-33.5
琥珀酰辅酶A + CO2 + NADH + H+
葡萄糖氧化产生的ATP大多数不是直接从酵解和三羧酸循环产生的，而是通过还
原的电子载体在呼吸链中再氧化产生的。
三羧酸循环和氧化 磷酸化所生成的ATP
t
ADP ATP
葡萄糖完全氧化产生的ATP： 每一轮三羧酸循环由琥珀酰CoA合成酶催化的反应产生一分子GTP，GTP可产生ATP 。 共有4个脱氢反应，其中有3对电子经NADH进入电子传递链，最后传递给氧生成 H2O，每对电子产生3分子ATP，3对电子共产生9分子ATP。一对电子经FADH2进入电 子传递链，可产生2分子ATP。