第23章柠檬酸循环
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生物化学下-第23章 柠檬酸循环
乳酸或乙醇
③
柠檬酸循环 (线粒体基质)
糖酵解
( 胞液 )
有氧氧化 (aerobic oxidation)分四阶段，第一阶段
④
电子传递链 氧化磷酸化 (线粒体内膜)
在胞液(同糖酵解)，后三个阶段在线粒体中进行。
C6H12O6 + 6O2
6CO2 + 6H2O + 能量
H2O + ATP
CO2
第23章 柠檬酸循环(The Citric Acid Cycle)
第23章 柠檬酸循环(The Citric Acid Cycle)
三、柠檬酸循环的反应机制
草酰乙酸
乙酰CoA 柠檬酸合酶
⑧ 脱氢反应
苹果酸
苹果酸脱氢酶
① 缩合反应
柠檬酸
②a 脱水反应
顺乌头酸酶
顺乌头酸
⑦ 水化反应
延胡索酸酶
顺乌头酸酶
②b 加水反应
异柠檬酸
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1953
for his discovery of the citric acid cycle
for his discovery of co-enzyme A and its importance for intermediary metabolism
氧化形式 还原形式 乙酰化形式
β-巯基乙醇 硫酯
泛酸
乙酰CoA
TPP
3'-磷酸腺苷二磷酸
硫辛酸 (lipoate)
E2(二氢硫辛 酸乙酰转移酶) 的多肽链
第23章 柠檬酸循环(The Citric Acid Cycle)
一、丙酮酸进入柠檬酸循环的准备阶段
chapter23 柠檬酸循环
（苹果酸脱氢酶） 苹果酸脱氢酶）
TCA小结 小结
1） 循环从 4 物与乙酰 ） 循环从C 物与乙酰CoA缩合生成 6 物 缩合生成C 缩合生成 开始； 开始； 2) 每一次循环经历两次脱羧，放出 每一次循环经历两次脱羧，放出2CO2; 3） 每一循环经历四次脱氢 ， 其中 次以 ） 每一循环经历四次脱氢， 其中3次以 NAD+为氢受体，1次以 为氢受体， 次以 次以FAD为氢受体； 为氢受体； 为氢受体 4） 每循环一次 ， 底物水平磷酸化一次生 ） 每循环一次， 成1GTP(相当于一个 相当于一个ATP)； ； 相当于一个
氧化释放的能量贮存于硫酯键中
α-酮戊二酸脱氢酶复合体 酮戊二酸脱氢酶复合体
复合物的组成及作用非常相似， 与 Py dHE复合物的组成及作用非常相似 ， 包 复合物的组成及作用非常相似 括三个酶组分： ） 酮戊二酸 括三个酶组分： 1）α-酮戊二酸 dHE(E1’) 2） 琥珀酰转移酶 2’) ） 琥珀酰转移酶(E 3） 二氢硫辛酸 ） 二氢硫辛酸dHE(E3’) 还有六种辅助因子： 还有六种辅助因子：TPP, CoA, FAD, NAD+, 硫辛酸(Lipoamide)及Mg2+。催化反应： 催化反应： 硫辛酸 及 α-Ketoglutarate+CoA+NAD+→ succinyl CoA+CO2+NADH+H+ 酶也是调节酶，受产物NADH, succinyl CoA 酶也是调节酶，受产物 抑制； 对酶有反馈抑制； 和Ca2+抑制；ATP、 GTP对酶有反馈抑制；不 、 对酶有反馈抑制 受磷酸化的共价调节。 受磷酸化的共价调节。
（二）柠檬酸异构化生成异柠檬酸
（乌头酸酶） 乌头酸酶）
生物化学 第23章 柠檬酸循环
第23章柠檬酸循环三羧酸循环——糖的最后氧化途径三羧酸循环（tricarboxylic acid circle),又称柠檬酸循环，Krebs循环，简又称柠檬酸循环Krebs循环简写为TCA循环；是在有氧条件下，将酵解产生的丙酮酸氧化脱羧成乙酰C A再经系生的丙酮酸氧化脱羧成乙酰CoA，再经一系列氧化，脱羧，最终生成二氧化碳和水并产生能量的过程。
三羧酸循环•三羧酸循环的发现历史及实验依据1.发现历史2.实验依据•丙酮酸(C3)氧化脱羧生成乙酰CoA(C2)1.场所及酶2.不可逆的关键步骤。
•三羧酸循环的过程1.生成六碳三羧酸阶段(TCA1.mov)2.生成四碳二羧酸阶段(TCA2.mov)3.草酰乙酸的再生阶段(TCA3.mov)•丙酮酸经三羧酸循环化学物质变化的结算•葡萄糖完全氧化时能量变化的结算(TCA4.mov)羧酸循环的意义•三羧酸循环的生理意义三羧酸循环发现的历史(1)Albert Szent Gyorgyi观察用丙酮()酸与肌肉组织一起在有氧条件下保温，丙酮酸可以被彻底氧化，生成二氧化碳和水。
因此认为葡萄糖或糖原的有氧分解也循着糖酵解途径,有氧分解可以说是无氧分解的继续。
(2) H.Krebs通过总结大量的实验结果，认为糖的氧化过程不是直线进行的，而是以认为糖的氧化过程不是直线进行的而是以循环方式进行。
于是他1937年提出了三羧酸循环假设并用实验证明了三羧酸循环的存在。
循环假设并用实验证明了三羧酸循环的存在三羧酸循环的实验依据•1)Krebs首先证实六碳三羧酸(柠檬酸、顺乌头酸、异柠檬酸)和α-酮戊二酸，以及四碳二羧酸(琥珀酸、延胡索酸、苹)果酸、草酰乙酸)都能强烈刺激肌肉中丙酮酸氧化的活性，氧的消耗。
说明这些化合物都是丙酮酸氧化途径中的中间产合物是酸氧途中的中间产物。
•2)Krebs还发现在肌肉糜悬浮液加入丙二)酸，有抑制丙酮酸氧化的作用，而且在肌肉糜悬浮液有琥珀酸的积累。
说明丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。
TCA循环
TCA循环阶段
o 哺乳动物体内柠檬酸合成酶以二聚体形式存在。 o 与草酰乙酸的结合使酶发生有利于和乙酰CoA 结合的形变。
柠檬酸合成酶的 单聚体形式，绿 色原子为柠檬酸， 粉色原子为CoA
TCA循环阶段
草酰乙酸与乙酰辅酶A形成柠檬酸，反应的中间 产物为柠檬酰辅酶A。
柠檬酸形成机制
• 柠檬酸合酶与乙酰辅酶A的甲基作用， 形成负碳离子。 • 负碳离子攻击草酰乙酸的羰基碳， 形成柠檬酰辅酶A。
柠檬酸循环是糖、脂肪、蛋白质和氨基酸等氧化所共同经 历的途径。此外，柠檬酸循环生成的中间物质也是许多生 物合成的前体。因次柠檬酸循环是两用代谢途径。
糖的有氧氧化：葡萄糖或糖原在有氧的条件下，
彻底氧化成CO2和水的过程。
有氧氧化的反应过程
•
• •
第一阶段：葡萄糖→→→丙酮酸 （细胞液）
第二阶段：丙酮酸→乙酰CoA （线粒体）
有机砷化物和亚砷酸能与丙酮酸脱氢酶系中的 E2辅基硫辛酰胺共价结合，使还原型的硫辛酰 胺形成失去催化能力的砷化物。这类砷化物同 样表现在对酮戌二酸脱氢酶系的抑制上。
S
R-As=O + HS HS
R
R’-As S R
+ H2O
TCA概貌
2C
6C柠檬酸 4C草酰乙酸 6C异柠檬酸
4C苹果酸
5C 酮戌二酸
TCA准备阶段
丙酮酸脱氢酶系作用机理（2）
5. E3上的还原型的FADH将 H交给NAD+形成NADH， E3辅基又形成氧化型的 FAD
4. 还原型的E2将二个SH基H 转移到E3的辅酶FAD上形 成还原型FADH
TCA准备阶段
丙酮酸脱氢酶系反应图解
E1
E3
第二十三章 三羧酸循环
第二十三章 三羧酸循环
杨荣武 生物化 学原理 第二版
提纲
一、三羧酸循环概述 二、三羧酸循环的全部反应 三、三羧酸循环小结 四、三羧酸循环的生理功能 五、乙醛酸循环 六、三羧酸循环的回补反应 七、三羧酸循环的调控
1. 柠檬酸合酶的调控 2. 异柠檬酸脱氢酶的调控 3. α-酮戊二酸脱氢酶系的调控 4. 丙酮酸脱氢酶系的调控
TCA 循环总结
TCA循环中C的命运：乙酰CoA的羰基C只有在第2 轮循环转变成CO2 ，乙酰CoA的甲基C能完全留在 两轮循环中，但是以后每一轮循环有一半离开。
总反应：乙酰-CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O
→2CO2+3NADH+FADH2+GTP+2H＋+CoA
1个乙酰-CoA通过三羧酸循环产生：
的前体——苹果酸
乙醛酸循环与三羧酸循环的比较
植物细胞内的乙醛酸循环体及线粒体的亚显微结构
三羧酸循环可能的“同化作用”
三羧酸循环的调控
为了适应细胞对能量的需求，细胞内的TCA循 环受到严格的调控。对TCA循环本身的调控集 中在柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二 酸脱氢酶，其中最重要的调控位点是异柠檬酸 脱氢酶，其次是α-酮戊二酸脱氢酶，至于柠檬 酸合酶，对它的调控多见于原核生物。
八、TCA循环的起源和进化
TCA 循环概述
也称为柠檬酸循环和Krebs循环
发生在有氧生物体内（真核细胞的线粒体基 质，原核细胞的细胞质基质）
是糖、氨基酸和脂肪酸最后共同的代谢途径 糖酵解产生的丙酮酸（实际上是乙酰-CoA）
被降解成CO2 产生一些ATP 产生更多的NADH NADH进入呼吸链，通过氧化磷酸化产生更多
杨荣武 生物化 学原理 第二版
提纲
一、三羧酸循环概述 二、三羧酸循环的全部反应 三、三羧酸循环小结 四、三羧酸循环的生理功能 五、乙醛酸循环 六、三羧酸循环的回补反应 七、三羧酸循环的调控
1. 柠檬酸合酶的调控 2. 异柠檬酸脱氢酶的调控 3. α-酮戊二酸脱氢酶系的调控 4. 丙酮酸脱氢酶系的调控
TCA 循环总结
TCA循环中C的命运：乙酰CoA的羰基C只有在第2 轮循环转变成CO2 ，乙酰CoA的甲基C能完全留在 两轮循环中，但是以后每一轮循环有一半离开。
总反应：乙酰-CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O
→2CO2+3NADH+FADH2+GTP+2H＋+CoA
1个乙酰-CoA通过三羧酸循环产生：
的前体——苹果酸
乙醛酸循环与三羧酸循环的比较
植物细胞内的乙醛酸循环体及线粒体的亚显微结构
三羧酸循环可能的“同化作用”
三羧酸循环的调控
为了适应细胞对能量的需求，细胞内的TCA循 环受到严格的调控。对TCA循环本身的调控集 中在柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二 酸脱氢酶，其中最重要的调控位点是异柠檬酸 脱氢酶，其次是α-酮戊二酸脱氢酶，至于柠檬 酸合酶，对它的调控多见于原核生物。
八、TCA循环的起源和进化
TCA 循环概述
也称为柠檬酸循环和Krebs循环
发生在有氧生物体内（真核细胞的线粒体基 质，原核细胞的细胞质基质）
是糖、氨基酸和脂肪酸最后共同的代谢途径 糖酵解产生的丙酮酸（实际上是乙酰-CoA）
被降解成CO2 产生一些ATP 产生更多的NADH NADH进入呼吸链，通过氧化磷酸化产生更多
生物化学第23章柠檬酸循环
丙酮酸TPP加成化合物
羟乙基-TPP共振形式
（丙酮酸脱羧反应）
E2
E2的硫辛酰胺辅基 羟乙基-TPP
丙 酮 酸 的 转 反 变 应 为 步 乙 骤 酰
CoA
乙酰二氢硫辛酰胺
TPP-E1
丙酮酸转变为乙酰CoA 的反应步骤
（乙酰基转移到CoA分子上形成乙酰CoA）
乙酰二氢硫辛酰胺
乙酰CoA
二氢硫辛酰胺
1．[ATP]/[ADP]的比值。 [ATP]/[ADP]的比值对柠 檬酸循环中的酶有调节作用，ADP是异柠檬酸脱氢 酶的别构促进剂，可降低该酶的Km值，促进酶与
二、柠檬酸循环概貌
柠 檬 酸 循 环 总 图
return
三、柠檬酸循环的反应
草酰乙酸与乙酰CoA缩合 形成柠檬酸
1 2 2 柠檬酸合酶 1
①
草酰乙酸 乙酰CoA 柠檬酰CoA
2 1
CoA
柠檬酸
柠檬酸异构化形成异柠檬酸
2
乌头酸酶
1
②
柠檬酸
2
乌头酸酶
2
1
1
顺-乌头酸
异柠檬酸
乌头酸酶中的Fe-S聚簇（中心）
在 E2 的外面。 E2 有一个由赖氨酸残基与硫辛酰 胺相连的长链，这个长臂伸长后可达1.4nm，它
具有极大的转动灵活性，可将底物从一个酶转送
到另一个酶。
丙酮酸脱氢酶复合体
硫辛酰赖氨酰臂
丙酮酸转变为乙酰CoA的总图
砷化物对硫辛酰胺的毒害作用
丙酮酸脱氢酶复合体的调控
丙酮酸脱氢酶复合体催化的这个反应是哺乳动物 体内使丙酮酸转变为乙酰 CoA 的唯一途径。乙酰 CoA 既是柠檬酸循环的入口，又是脂类生物合成的起始物 质。 1．产物控制 产物NADH抑制E3，乙酰CoA抑制E2。 2．磷酸化和去磷酸化的调控 E2分子上结合着两种特殊的酶，一种是激酶，另 一种是磷酸酶，它们分别使 E1磷酸化和去磷酸化，去 磷酸化形式是 E1 的活性形式。 Ca2+通过激活磷酸酶的 作用，也能使E1活化。
三羧酸循环 柠檬酸循环
4C延胡索酸 4C琥珀酰CoA 4C琥珀酸
TCA循环阶段
1、草酰乙酸与乙酰辅酶A形成柠檬酸
S-CoA
intermediate
—催化此反应的酶为柠檬酸合酶； —反应的中间产物为柠檬酰辅酶A；
—柠檬酸合酶属于调控酶，其活性受ATP、NADH、琥珀酰 CoA、酯酰CoA等的抑制；另一种抑制剂是丙酮酰CoA。
• 顺乌头酸酶催化柠檬酸异构化为柠檬酸，反应分两步 进行，经历一个顺乌头酸中间体。 • 反应具有严格的空间特异性。
TCA循环阶段
• 顺乌头酸酶活性位点的铁硫聚簇。
TCA循环阶段
• 氟乙酸到氟柠檬酸的转化
TCA循环阶段
３、异柠檬酸氧化生成－酮戌二酸
-脱羧反应
—催化此反应的酶为异柠檬酸脱氢酶； —反应为TCA二次氧化脱羧中的第一个反应；
TCA循环阶段
苹果酸脱氢酶的结构
TCA循环阶段
乙酰草酰成柠檬，柠檬易成α-酮 琥酰琥酸延胡索，苹果落在草丛中。
TCA Cycle
TCA能量计算
1、总反应
Acetyl CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O 2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + 2 H + + CoA
TCA背景知识
2、细胞呼吸（cell respiration） 要经历三个阶段：糖酵解阶 段、柠檬酸循环阶段、氧化 磷酸化阶段。 3、糖酵解的产物丙酮酸进入 TCA之前有一准备过程，即 形成乙酰CoA。
TCA准备阶段
丙酮酸在丙酮酸脱氢酶系催化下氧化脱羧形 成乙酰辅酶A。
IRREVERSIBLE
柠檬酸循环1
H2O
CO2
丙酮酸进入线粒体反应概况
C 架变化与递氢
C3
跨线粒体膜
CO2 C2
NADH
进入循环
C6
C6 CO2 NADH
C5
CO2 C4 ….. FADH2 NADH 1次直接产能 ATP NADH 4次 脱氢
2种递 氢体
一. 柠檬酸循环的准备过程 ——丙酮酸脱羧形成乙酰CoA
1.1 生物转化总反应式
一.柠檬酸循环的准备过程 二.柠檬酸循环反应机制 三.柠檬酸循环的调控 四.柠檬酸循环的生物学意义
柠檬酸循环：在有氧的情况下，葡萄糖酵解产生 的丙酮酸跨越线粒体膜时氧化脱羧形成乙酰CoA， 在线粒体基质中乙酰CoA经一系列氧化、脱羧，最 终生成CO2和H2O并产生能量的过程. 因为在循环的一系列反应中,关键的化合物是柠 檬酸,所以称为柠檬酸循环,又因为它有三个羧 基,所以亦称为三羧酸循环, 简称TCA循环。由 于它是由H.A.Krebs（德国）正式提出的，所以 又称Krebs循环。 葡萄糖有氧氧化总反应：
H CHCOOH 柠檬酸
H2C C
COOH COOH
H2C COOH H C COOH HO CHCOOH 异柠檬酸
HC COOH
顺乌头酸 顺乌头酸酶
平衡状态下浓度比：90 : 4 : 6 柠檬酸 异柠檬酸
顺-乌头酸酶
铁原子
硫原子
是铁-硫蛋白，催化可逆反应 （脱水与水合） 形成的中间产物顺-乌头酸与酶的脱离缓慢
C6H12O6 + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O + 30/32 ATP
糖的有氧氧化代谢途径（三阶段）
• 葡萄糖酵解
G（Gn） 胞液 丙酮酸
第23章 柠檬酸循环
（一）催化丙酮酸转变为乙酰－ CoA的反应步骤
二、柠檬酸循环概貌
加乳酸 加丙酮酸 -------与PH值无关
脱氢四次
三、草酰乙酸与乙酰－CoA形成柠檬酸
（一）草酰乙酸与乙酰CoA缩合形成柠檬酸 柠檬酸循环的起始步骤。通过这一反应，含有两个碳 原子的化合物以乙酰－CoA形式进入柠檬酸循环。 该反应由柠檬酸合酶催化。
抑制停止
抑制剂
整个糖代谢
物质转换
催化反应的是：苹果酸脱氢酶。
连续两次脱羧脱氢
四、柠檬酸循环的化学总结算
柠檬酸循环的每一次循环都纳入一个乙酰 CoA分子。又有两个碳原子以CO2的形式 离开循环。 每一次循环共有4次氧化反应。参加这4次 氧化反应的有3个NAD＋分子和一个FAD分 子，同时有4对氢原子离开循环，形成3个 NADH和一个FADH2分子。 每一次循环以GTP的形式产生一个高能磷 酸键，并消耗两个水分子。
第23章 柠檬酸循环
一、丙酮酸进入柠檬酸循环的准备 阶段－－形成乙酰－CoA
丙酮酸脱氢酶复合体或丙酮酸脱氢酶系 （由三种酶高度组合在一起）
O 丙酮酸 辅酶A
+ CH3CCOOH + HS-CoA + NAD
丙酮酸脱氢酶系 O CH3C SCoA ＋ CO2 ＋ NADH 乙酰辅酶A
参与反应的3种酶分别是：丙酮酸脱氢酶组分、二氢硫 辛酰转乙酰基酶、二氢硫辛酸脱氢酶。 辅助因子：辅酶A、NAD+、硫胺素焦磷酸（TPP）、 硫辛酰胺和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）等。
氧化脱羧过程 产物
柠檬酸循环两次氧化脱羧作用中的第一次氧化脱羧过程
（四）α－酮戊二酸氧化脱羧形成琥 珀酸－CoA
这是柠檬酸循环两次氧化脱羧作用中的第 二次脱羧。 该反应需要NAD+和CoA作为辅助因子。 催化反应的酶称为α－酮戊二酸脱氢酶。该 酶和丙酮酸脱氢酶复合体类似，也是一个 多酶复合体，有α－酮戊二酸脱氢酶（E1）、 二氢硫辛酸转琥珀酰酶（E2）、二氢硫辛 酰脱氢酶（E3）组成。
糖酵解柠檬酸循环
第17页/共57页
第18页/共57页
四. 丙酮酸的去路
1.变为乙酰CoA，进入三羧酸循环（在有氧条件下）
O
丙酮酸脱氢酶系 O
CH3CCOOH + HS-CoA+ NAD+
CH3C SCoA＋ CO2 ＋NADH
丙酮酸
辅酶A
乙酰辅酶A
2.生成乳酸（在无氧或暂时缺氧条件下）
乳酸脱氢酶
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糖类代谢
二.糖的中间代谢
• 糖酵解途径 ( EMP) • 柠檬酸循环 (TCA) • 磷酸戊糖途径 (HMP) • 糖异生作用 • 植物体内乙醛酸循环 • 糖原的合成与分解
第2页/共57页
第二十二章：糖 酵 解
第3页/共57页
一. 糖酵解的研究历史
1897年，Hans Buchner和Eduard Buchner兄弟发现，酵母汁可以把蔗糖变成酒 精，证明了发酵可以在细胞以外进行 1905年ArhurHarden和WilliamYoung把酵母汁加入葡萄糖中，发现发酵过程中无 机磷酸盐逐渐消失，只有不断补充无机磷酸盐才能使发酵速度不降低，因此推测发 酵与无机磷将糖磷酸化有关。他们还发现当将酵母汁透析或加热到50℃后，就会失 去发酵能力，当加热失活的酵母汁与透析失活的酵母汁混合后又恢复了发酵能力。 由此证明，发酵活性取决于两类物质，一类是热不稳定的，不可透析的组称为酿酶， 一类是热稳定，可透析的组分称为辅酶，还有金属离子。 1940年，酵解的全过程才被全面了解。Gustar Embden和Otto Meyerhof等人发 现肌肉中也存在着与酵母发酵十分类似的不需氧的分解葡萄糖并产生能量的过程， 他们称此为酵解过程；因此有时称酵解为Embden—Meyerhof途径（ EMP ）。
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四. 丙酮酸的去路
1.变为乙酰CoA，进入三羧酸循环（在有氧条件下）
O
丙酮酸脱氢酶系 O
CH3CCOOH + HS-CoA+ NAD+
CH3C SCoA＋ CO2 ＋NADH
丙酮酸
辅酶A
乙酰辅酶A
2.生成乳酸（在无氧或暂时缺氧条件下）
乳酸脱氢酶
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糖类代谢
二.糖的中间代谢
• 糖酵解途径 ( EMP) • 柠檬酸循环 (TCA) • 磷酸戊糖途径 (HMP) • 糖异生作用 • 植物体内乙醛酸循环 • 糖原的合成与分解
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第二十二章：糖 酵 解
第3页/共57页
一. 糖酵解的研究历史
1897年，Hans Buchner和Eduard Buchner兄弟发现，酵母汁可以把蔗糖变成酒 精，证明了发酵可以在细胞以外进行 1905年ArhurHarden和WilliamYoung把酵母汁加入葡萄糖中，发现发酵过程中无 机磷酸盐逐渐消失，只有不断补充无机磷酸盐才能使发酵速度不降低，因此推测发 酵与无机磷将糖磷酸化有关。他们还发现当将酵母汁透析或加热到50℃后，就会失 去发酵能力，当加热失活的酵母汁与透析失活的酵母汁混合后又恢复了发酵能力。 由此证明，发酵活性取决于两类物质，一类是热不稳定的，不可透析的组称为酿酶， 一类是热稳定，可透析的组分称为辅酶，还有金属离子。 1940年，酵解的全过程才被全面了解。Gustar Embden和Otto Meyerhof等人发 现肌肉中也存在着与酵母发酵十分类似的不需氧的分解葡萄糖并产生能量的过程， 他们称此为酵解过程；因此有时称酵解为Embden—Meyerhof途径（ EMP ）。
细胞呼吸——柠檬酸循环课件
TCA背景知识
2、细胞呼吸（cell respiration） 要经历三个阶段：糖酵解阶 段、柠檬酸循环阶段、氧化 磷酸化阶段。 3、糖酵解的产物丙酮酸进入 TCA之前有一准备过程，即 形成乙酰CoA。
TCA准备阶段
丙酮酸在丙酮酸脱氢酶系催化下氧化脱羧形 成乙酰辅酶A。
IRREVERSIBLE
• In 1937, Krebs found that citrate could be formed in muscle suspensions if oxaloacetate and either pyruvate or acetate were added. Now, he get a cycle:
• In 1932, Krebs was studying the rates of oxidation of small organic acids by kidney and liver tissue. Only a few of substances were active in these experiments---notably succinate, fumarate, acetate, malate, and citrate.
Brief history of TCA
• The first major investigation into the intermediary metabolism of oxidation was that of Thunberg, who examined systematically the oxidizability of organic substances in isolated animal tissues. Between 1906 and 1920 he tested the oxidation of over 60 organic substances, chiefly in muscle tissue. He discovered the rapid oxidation of the salts of a number of acids, such as lactate(乳酸盐), succinate(琥珀酸盐), fumarate(延胡索酸盐), malate(苹果酸盐), citrate(柠檬酸盐), and glutamate(谷氨酸盐).
代谢生物化学第二十三章 三羧酸循环
NAD+、FAD « 也是亚砷酸的作用对象
α-酮戊二酸的氧化脱羧
反应5：底物水平的磷酸化
TCA循环唯一的一步底物水平磷酸化反应
« 琥珀酰-CoA合成酶 « ATP或GTP被合成 « 它的催化过程牵涉到一系列高能分子的形成，
因此能量的损失微乎其微 « 反应机制涉及一个磷酸组氨酸
底物水平的磷酸化
反应6：琥珀酸的脱氢
« 由苹果酸脱氢酶催化 «ΔGo‘ = +30 kJ/mol，意味着在热力学上极不
利于正反应的进行，但在体内，反应产物草 酰乙酸可以迅速被下一步不可逆反应消耗， NADH则进入呼吸链被彻底氧化，因此，整 个反应被“强行拉向”正反应。 tca_cycle_v9.swf
草酰乙酸的再生
TCA 循环总结
ó 脂肪酸的β氧化 ó 氨基酸的氧化分解 ó 丙酮酸的氧化脱羧——由丙酮酸脱氢酶系催化
反应1：柠檬酸的合成
« 这是一步不可逆反应 « 由柠檬酸合酶催化 « 柠檬酸合酶由两个相同的亚基组成，它被视为酶“诱导
契合”学说又一代表性的例子
« 在无底物结合时，酶两个亚基的构象呈开放型；当结合 底物以后，则被诱导为紧密型。在反应中，OAA首先与 酶活性中心结合，这种结合迅速诱导活性中心的构象发 生变化，从而创造出乙酰-CoA的结合位点。随后，乙酰CoA结合到酶活性中心，并与OAA形成柠檬酰-CoA。这 时，酶的构象再次发生变化，远离活性中心的一个关键 的Asp残基被拉入到柠檬酰-CoA上的硫酯键，很快硫酯键 被切开，终产物辅酶A和柠檬酸被依次释放。
« 乙酰-CoA是TCA循环第一步反应的底物，因此，机体 还可以通过控制它的形成来控制TCA循环，而这必然 牵涉到细胞内参与乙酰-CoA合成的酶，例如丙酮酸脱 氢酶系和参与脂肪酸β-氧化的酶。
α-酮戊二酸的氧化脱羧
反应5：底物水平的磷酸化
TCA循环唯一的一步底物水平磷酸化反应
« 琥珀酰-CoA合成酶 « ATP或GTP被合成 « 它的催化过程牵涉到一系列高能分子的形成，
因此能量的损失微乎其微 « 反应机制涉及一个磷酸组氨酸
底物水平的磷酸化
反应6：琥珀酸的脱氢
« 由苹果酸脱氢酶催化 «ΔGo‘ = +30 kJ/mol，意味着在热力学上极不
利于正反应的进行，但在体内，反应产物草 酰乙酸可以迅速被下一步不可逆反应消耗， NADH则进入呼吸链被彻底氧化，因此，整 个反应被“强行拉向”正反应。 tca_cycle_v9.swf
草酰乙酸的再生
TCA 循环总结
ó 脂肪酸的β氧化 ó 氨基酸的氧化分解 ó 丙酮酸的氧化脱羧——由丙酮酸脱氢酶系催化
反应1：柠檬酸的合成
« 这是一步不可逆反应 « 由柠檬酸合酶催化 « 柠檬酸合酶由两个相同的亚基组成，它被视为酶“诱导
契合”学说又一代表性的例子
« 在无底物结合时，酶两个亚基的构象呈开放型；当结合 底物以后，则被诱导为紧密型。在反应中，OAA首先与 酶活性中心结合，这种结合迅速诱导活性中心的构象发 生变化，从而创造出乙酰-CoA的结合位点。随后，乙酰CoA结合到酶活性中心，并与OAA形成柠檬酰-CoA。这 时，酶的构象再次发生变化，远离活性中心的一个关键 的Asp残基被拉入到柠檬酰-CoA上的硫酯键，很快硫酯键 被切开，终产物辅酶A和柠檬酸被依次释放。
« 乙酰-CoA是TCA循环第一步反应的底物，因此，机体 还可以通过控制它的形成来控制TCA循环，而这必然 牵涉到细胞内参与乙酰-CoA合成的酶，例如丙酮酸脱 氢酶系和参与脂肪酸β-氧化的酶。
第23章_三羧酸循环.
3
4 Si
其甲基失去一个氢离子而成负碳离 子。负碳离子由于CoA相接的硫酯的 存在,能发生烯醇化作用[3→4]。它们
之间的共振使负碳离子中间体得以
稳定。
第二步: 乙酰-CoA负碳离子向草酰乙酸的羰
草酰乙酸
基进行亲核攻击,形成柠檬酰-CoA
(仍连接在酶分子上)。
第三步: 柠檬酰-CoA水解为柠檬酸和CoA。
氟乙酸 (fluoroacetate)
氟柠檬酸 (fluorocitrate)
丙酮酰-CoA (acetony1-CoA)
2、柠檬酸异构化成异柠檬酸
2.1 反应方程式
在pH7.0，25C的平衡态时，柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90：4：6, 由于异柠檬酸在下一步反应中极迅速地被氧化,从而推动此反应向异柠檬酸的方 向进行。
O2
CO2 & ATP
綫粒体:降解脂肪酸,氧化丙酮酸以提供能量
MITOCHONDRION: reduce fatty acid and oxidize Pyruvate to produce ATP.
二、由丙酮酸形成乙酰CoA
丙酮酸进入线粒体转变为乙酰CoA,这是连 接糖酵解和三羧酸循环的纽带： ● 反应不可逆，分4步进行，由丙酮酸脱氢酶复
(1). Krebs H A发现:
●肌肉、肾脏、肝脏等组织的匀浆悬浮液或切片的材料中，发现柠檬 酸、琥珀酸、延胡索酸及乙酸等化合物在各不同组织中的氧化速率 均最快。 ●向肌肉悬浮液中加入草酰乙酸，能迅速生成柠檬酸,又发现柠檬酸 是草酰乙酰和一种来自丙酮酸或乙酸的化合物合成的。
(2). Albert Szent-Gyorgyi发现:
3 、由异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸
3.1 反应方程式
第23章 三羧酸循环
六种辅助因子：
TPP FAD 硫辛酸 NAD CoA Mg++
23.1.2 丙酮酸脱氢酶复合体催化反应
O H3C C COOH
TPP
O H3C C S L SH
CoA SH O H3C C S C o A
丙酮酸 E1
S
乙酰二氢硫辛酸 E2
L H3C CHOH TPP S
CO2
LSH
SH
羟乙基-TPP
柠檬酸循环的反应机制
5） 琥珀酰—CoA+GDP+Pi → 琥珀酸+GTP+CoAH 琥珀酰—CoA合成酶（琥珀酰硫激酶）催化
COOCH2 CH2 C S O CoA COO-
GDP + Pi
GTP
CH2 CH2
CoASH
COO-
琥珀酰—CoA
琥珀酸
柠檬酸循环的反应机制
6）琥珀酸 +FAD→ 延胡索酸+FADH2
23.1 丙酮酸进入柠檬段循环的准备阶段 —形成乙酰—CoA
丙酮酸脱氢酶复合体催化
O H3C C COO+ + CoASH + NAD
丙酮酸
辅酶A
O H3C C SCoA
+ CO2
+ NADH
乙酰辅酶A
23.1.1 丙酮酸脱氢酶复合体：
三种酶：
E1 丙酮酸脱氢酶 E2 二氢硫辛酸转乙酰基酶 E3 二氢硫辛酸脱氢酶
柠檬酸循环的反应机制
8）延胡索酸 +H2O→ L--苹果酸
延胡索酸酶，催化的反应具有严格的立体专一性。
COO H C C
-
COO-
H2O
糖酵解和柠檬酸循环
动画
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ADP ATP
ADP ATP
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糖酵解:
葡萄糖 + 2ADP + 2Pi +2NAD+ →
2丙酮酸 + 2ATP +2NADH +2H+ + 2H2O
两个阶段：
准备阶段(前5步)：葡萄糖→2个磷酸三碳糖+消耗2ATP 实施阶段(后5步)：2个磷酸三碳糖→2丙酮酸+产生4ATP
硫胺素焦磷酸（TPP）——VB1 硫辛酰胺——硫辛酸
Mg2+
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大肠杆菌的丙酮酸脱氢酶复合体组成
丙酮酸脱氢酶
二氢硫辛酰胺 乙酰转移酶
二氢硫辛酰胺 脱氢酶
缩写 E1 E2
E3
辅基 TPP 硫辛酰胺
FAD
催化反应 丙酮酸氧化脱羧
将乙酰基转移到 CoA
将还原型硫辛酰胺 转变为氧化型
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ADP ATP
ADP ATP
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第1阶段： ⑴ 葡萄糖被磷酸化形成6-磷酸葡萄糖（G-6-P）
需ATP供能，第一个限速步骤,不可逆。
由己糖激酶或葡萄糖激酶催化。
己糖激酶：第一个调节酶，
受6-磷酸葡萄糖的别构抑制。
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已糖激酶I、II、III 葡萄糖激酶
分布
不同组织
肝脏
由8种酶催化完成。
由乙酰辅酶A和草酰乙酸缩合开始，经过一连串反 应使一分子乙酰基完全氧化,再生成草酰乙酸而完成 一个循环。
每循环一次，经历两次脱羧，使乙酰辅酶A氧化生 成CO2和水。
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三羧酸循环——精选推荐
三羧酸循环第23章三羧酸循环(⽣物化学下册p92) 3学时学习重点：◆熟悉柠檬酸循环途径中的各步酶促反应，以及各步反应酶的作⽤特点。
◆会分析和计算酵解和柠檬酸循环中产⽣的能量，以及底物分⼦中标记碳的去向。
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CoA③三羧酸循环（CO2、H2O、A TP、NADH）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在线粒体中⼀、丙酮酸脱羧⽣成⼄酰CoA1、反应式：2、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。
3、反应步骤反应过程（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NADH4、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（E A）（可被ATP激活）丙酮酸脱氢酶磷酸酶（E B）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E1CoA抑制E2NADH抑制E35、能量1分⼦丙酮酸⽣成1分⼦⼄酰CoA，产⽣1分⼦NADH（2.5A TP）。
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