课件：柠檬酸循环
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• C-C 间脱氢形成双键时，氧化所释放出来的 能量较低，只能使FAD还原不能使NAD+还原.
• 丙二酸是竞争性抑制剂，能阻断柠檬酸循 环。
COOH CHOH CH2 COOH malate
苹果酸
H2O fumarase COOH CH CH
延CO胡O索H 酸
fumarate
7: 延胡索酸酶
水合，形成 L-苹果酸
CoASH
4C
oxaloacetate
6C
citrate
cis-aconitate
4C
malate
6C
isocitrate
NAD+
NADH
CO2
H2O
4C
fumarate FADH
FAD
5C
ketoglutarate (oxo-glutarate)
CoASH
CoASH
NAD+
4C
succinate
GTP
• 异柠檬酸脱氢酶
– NADH,ATP 抑制, – NAD+ ，ADP， Ca2+激活
• a-酮戊二酸脱氢酶
– NADH 和琥珀酰CoA 抑制 – AMP Ca2+激活
主要调节因子 ADP/ATP ， NAD+/NADH
Ca2+
TCA 循环的双重作用
• 有化合物进入循环氧化分解也有一些离开 循环做其他的用途
6C
isocitrate
NAD+
NADH
CO2
H2O
4C
fumarate FADH
FAD
5C
ketoglutarate (oxo-glutarate)
CoASHCoASHNAD+4C
succinate
GTP
4C
succinyl CoA
GDP, Pi
NADH
CO2
1: 柠檬酸合酶催化乙酰CoA与草酰乙
CH2
CO
COOH a酮戊二酸
ketoglutarate (oxo-glutarate)
COOH
4:a-酮戊二酸脱氢酶 CH2 CH2
第二次氧化脱羧
CO COOH
5C→4C 不可逆
COOH CH2
ketoglutarate
(oxo-glutarate)
a-酮戊二酸
CoASH
NAD+
CH2 CO
NADH
丙酮酸脱氢酶是一个大的复合体，
包括三个酶: 丙酮酸脱氢酶 (E1),辅酶：焦磷酸硫胺素 （TPP） 二氢硫辛酰转乙酰基酶 (E2),辅酶：硫辛酸,
反应不可逆
丙酮酸脱氢酶的调节
1). 产物别构抑制， NADH ， acetyl CoA变构抑制
2).共价修饰调节
E1可被磷酸化修饰，该酶磷酸化后活性降低
柠檬酸循环只能在有氧情况下进行
• NADH 和 FADH2 必须通过电子传递链氧化， 最终电子交给氧产生水
• 琥珀酸脱氢酶是线粒体内膜电子传递链的 一部分
能量计算
• 柠檬酸循环产生的能量包括还原型辅酶 3NADH, FADH2 和一个GTP
• NADH, FADH2 通过电子传递链氧化，氧化磷 酸化产生ATP
8: 苹果酸脱氢酶
NADH NAD+
COOH
CO
malate
CH2
dehydrogenase COOH
oxaloacetate
草酰乙酸
氧化
COOH CHOH
CH2 COOH malate
苹果酸
+
该反应和前两步反应 形成反应三组合
reaction triad
NADH NAD+
TCA 循环
2C
acetyl CoA
糖的有氧代谢
呼吸（有氧分解）的三个阶段
• 第一阶段，所有的燃料分子氧化分解产生 一个共同的二碳单位，乙酰-CoA
• 第二阶段 乙酰-CoA 通过柠檬酸循环完全氧 化 （成线C粒O体2，）释放的电子被NAD+ 和 FAD收集
• 第三阶段 第二阶段产生的还原型辅酶通过 电子传递系统氧化，通过氧化磷酸化产生 ATP （线粒体）
底物水平磷酸化
COOH
CH
CH
COOH
6: 琥珀酸脱氢酶
fumarate
延胡索酸
氧化
COOH
FADH2 FAD
CH2 电子载体是FAD CH2 e- 载体是 FAD
COOH
succinate dehydrogenase
succinate
琥珀酸
琥珀酸脱氢酶
• 是线粒体内膜上电子传递链的一部分，位 于线粒体内膜上，柠檬酸循环其他的酶在 线粒体基质中
4C
succinyl CoA
GDP, Pi
NADH
CO2
• 每经历一次TCA循环
• 有2个碳原子通过乙酰CoA进入循环， 有2个碳原子通过脱羧反应以CO2离开循 环。
• 有4对氢原子通过脱氢反应离开循环， 其中3对由NADH携带，1对由FADH2携带。
• 产生1分子高能磷酸化合物GTP，通过 它可生成1分子ATP。
细菌） • 丙酮酸羧化酶- 转化丙酮酸为草酰乙酸 （哺
乳动物）
丙酮酸
PEP 羧化酶
草酰乙酸
丙酮酸羧化酶
乙醛酸循环The Glyoxylate Cycle
植物和微生物中存在
• TCA循环中涉及CO2产生的步骤被绕过去，另一个乙 酰CoA被利用
• 异柠檬酸裂合酶和苹果酸合酶是该途径的特有的酶 • 从乙酸净合成糖和其他物质，这在TCA循环中是不可
• 是连接糖酵解和柠檬酸循环的桥梁。
丙酮酸氧化
Pyruvate Dehydrogenase
OO
H3C C C
pyruvate
H SC oA
O
O
H3C C S CoA
NAD+ NADH acetyl-CoA
+ CO2
催化此过程的是丙酮酸脱氢酶复合体。
丙酮酸 + CoA + NAD+ 乙酰CoA + CO2 + NADH + H+
*
*
*
*
O* SCoA O * *
• 乙酰CoA的羧基碳在第二轮循环的时候变成 CO2
• 乙酰CoA的甲基碳在第二轮循环后还是全保 留，从第三轮起，每轮循环一半变成CO2
TCA循环 的调节
• 3 步反应是调节步骤 • 柠檬酸合酶
– 受底物的供给控制- 乙酰CoA 和草酰乙酸 – 变构抑制剂: - NADH , ATP,琥珀酰CoA
别构酶: 受 NADH,琥珀酰CoA,ATP抑制
5:琥珀酰 CoA 合成酶
COOH
COOH
CH2
CoASH
CH2
CH2
CH2
COOH
CO
succinate 琥珀酸
GTP
SCoA GDP, Pi 琥珀酰CoA
succinyl CoA
琥珀酰CoA是硫酯化合物，是高能化合物
succinyl CoA synthetase
• 是一个释放大量能量的途径（以GTP和 NADH，FADH2的形式，还原型辅酶通过电 子传递和氧化磷酸化产生大量ATP）
• 为生物合成提供大量前体
柠檬酸循环概况
NADH NAD+
2C
acetyl CoA
CoASH
4C
oxaloacetate
6C
citrate
cis-aconitate
4C
malate
酸缩合成柠檬酸
CH3 CO
乙酰CoA
SCoA acetyl CoA
CoASH
COOH CO
COOH citrate synthase CH2
CH2 COOH
HO C COOH CH2
oxaloacetate
草酰乙酸
COOH
citrate 柠檬酸
• 反应的能量由乙酰CoA的高能硫酯键提供， 使反应不可逆。
柠檬酸循环
• Hans Krebs 1937年提出丙酮酸在动物组织 中通过柠檬酸循环完全降解。 (1953 Nobel Prize laureate)
• 又称为三羧酸循环，Krebs 循环 • 是由于该循环的第一个产物是柠檬酸，
它含有三个羧基，故此得名。
柠檬酸循环的生理意义
• 是糖、脂、氨基酸等燃料分子完全降解为 CO2的共同代谢途径。
• 别构酶
• ATP,NADH,琥珀酰CoA别构抑制该酶
• 氟乙酸能转化成氟柠檬酸而抑制柠檬酸循 环
COOH
2:乌头酸酶 CH2 HO C COOH
脱水再加水
柠檬酸异构化成异柠 檬酸
CH2 COOH citrate
柠檬酸
aconitase
cis-aconitate
顺乌头酸
aconitase
COOH CH2 HC COOH HC OH COOH isocitrate
糖有氧代谢的三个阶段
• 糖酵解 glycolysis • 柠檬酸循环 citric acid cycle • 电子传递和氧化磷酸化 electron transport
and oxidative phosphorylation
丙酮酸氧化
• 糖酵解发生在细胞质，丙酮酸进入线粒体 进行氧化。
• 丙酮酸氧化脱羧转化为乙酰CoA和CO2。乙 酰CoA可进入三羧酸循环彻底氧化。
– 既是合成代谢途径 – 又是分解代谢途径
• 柠檬酸循环提供很多生物合成的前体
天冬氨酸
乙酰CoA 草酰乙酸 柠檬酸
脂肪酸
糖异生
苹果酸 α-酮戊二酸
琥珀酰CoA
谷氨酸
血红素
填补反应Anaplerotic reactions
• 补充柠檬酸循环的中间代谢物 • PEP 羧化酶 – 转化 PEP 为草酰乙酸（植物，
异柠檬酸
3: 异柠檬酸脱氢酶
COOH CH2 HC COOH
HC OH
异柠檬酸氧化脱羧
形成a酮戊二酸， 不可逆。
COOH 异柠檬酸
isocitrate
NAD+
isocitrate dehydrogenase
C6 → C5
CO2
NADH
别构酶 ATP,NADH抑制 ADP ,NAD+激活
COOH
CH2
**
对称分子
Cycle 1
HO
**
**
O SCoA
O
第二轮循环 后放射性损 失多少？
羧基碳全 部脱下来 ，甲基碳 全部保留
O*** * ** **
HO * *
** **
**
SCoA
Methyl carbons Carboxyl Carbons
HO
** **
Cycle 2
Cycle 1
**
HO
**
**
能的，对植物种子萌发和以乙酸为碳源生长的微生 物具有重要意义
乙酰CoA
柠檬酸
草酰乙酸 苹果酸 苹果酸合酶
异柠檬酸 异柠檬酸 裂合酶
乙醛酸
乙酰CoA
琥珀酸
SCoA succinyl CoA
CO2
琥珀酰CoA ketoglutarate dehydrogenase
a-酮戊二酸脱氢酶是一个复合体，与丙酮酸脱氢酶 复合体非常相似。
包含三个酶： a-酮戊二酸脱氢酶，二氢硫辛酰转琥 珀酰基酶，二氢硫辛酰脱氢酶
•利用了5个辅酶 – -TPP, CoA, 硫辛酸,NAD+, FAD
3 NADH
3 NAD+
电子传递和氧
化磷酸化
3X2.5=7.5 ATP
FADH2
FAD
电子传递和氧化
磷酸化
1.5 ATP
底物水平磷酸化 1 GTP
10 ATP 一轮循环
TCA循环中碳原子的命运
• 用同位素标记乙酰COA碳原子，发现乙酰 COA从草酰乙酸碳骨架的一端掺入，而从另 一端发生脱羧反应，说明反应是不对称的。
2.乌头酸酶
对称的柠檬酸转化成手性 的异柠檬酸
柠檬酸是前手性分子
总是来自 乙酰 CoA
如果对乙酰CoA
的羧基碳或者甲
基碳进行放射性
标记，第一轮循 O 环后放射性损失
*
*
多少？
** HO * *
零
**
**
** **
* * SCoA
**
Methyl carbons
HO
立体特异性
Carboxyl Carbons
• 丙二酸是竞争性抑制剂，能阻断柠檬酸循 环。
COOH CHOH CH2 COOH malate
苹果酸
H2O fumarase COOH CH CH
延CO胡O索H 酸
fumarate
7: 延胡索酸酶
水合，形成 L-苹果酸
CoASH
4C
oxaloacetate
6C
citrate
cis-aconitate
4C
malate
6C
isocitrate
NAD+
NADH
CO2
H2O
4C
fumarate FADH
FAD
5C
ketoglutarate (oxo-glutarate)
CoASH
CoASH
NAD+
4C
succinate
GTP
• 异柠檬酸脱氢酶
– NADH,ATP 抑制, – NAD+ ，ADP， Ca2+激活
• a-酮戊二酸脱氢酶
– NADH 和琥珀酰CoA 抑制 – AMP Ca2+激活
主要调节因子 ADP/ATP ， NAD+/NADH
Ca2+
TCA 循环的双重作用
• 有化合物进入循环氧化分解也有一些离开 循环做其他的用途
6C
isocitrate
NAD+
NADH
CO2
H2O
4C
fumarate FADH
FAD
5C
ketoglutarate (oxo-glutarate)
CoASHCoASHNAD+4C
succinate
GTP
4C
succinyl CoA
GDP, Pi
NADH
CO2
1: 柠檬酸合酶催化乙酰CoA与草酰乙
CH2
CO
COOH a酮戊二酸
ketoglutarate (oxo-glutarate)
COOH
4:a-酮戊二酸脱氢酶 CH2 CH2
第二次氧化脱羧
CO COOH
5C→4C 不可逆
COOH CH2
ketoglutarate
(oxo-glutarate)
a-酮戊二酸
CoASH
NAD+
CH2 CO
NADH
丙酮酸脱氢酶是一个大的复合体，
包括三个酶: 丙酮酸脱氢酶 (E1),辅酶：焦磷酸硫胺素 （TPP） 二氢硫辛酰转乙酰基酶 (E2),辅酶：硫辛酸,
反应不可逆
丙酮酸脱氢酶的调节
1). 产物别构抑制， NADH ， acetyl CoA变构抑制
2).共价修饰调节
E1可被磷酸化修饰，该酶磷酸化后活性降低
柠檬酸循环只能在有氧情况下进行
• NADH 和 FADH2 必须通过电子传递链氧化， 最终电子交给氧产生水
• 琥珀酸脱氢酶是线粒体内膜电子传递链的 一部分
能量计算
• 柠檬酸循环产生的能量包括还原型辅酶 3NADH, FADH2 和一个GTP
• NADH, FADH2 通过电子传递链氧化，氧化磷 酸化产生ATP
8: 苹果酸脱氢酶
NADH NAD+
COOH
CO
malate
CH2
dehydrogenase COOH
oxaloacetate
草酰乙酸
氧化
COOH CHOH
CH2 COOH malate
苹果酸
+
该反应和前两步反应 形成反应三组合
reaction triad
NADH NAD+
TCA 循环
2C
acetyl CoA
糖的有氧代谢
呼吸（有氧分解）的三个阶段
• 第一阶段，所有的燃料分子氧化分解产生 一个共同的二碳单位，乙酰-CoA
• 第二阶段 乙酰-CoA 通过柠檬酸循环完全氧 化 （成线C粒O体2，）释放的电子被NAD+ 和 FAD收集
• 第三阶段 第二阶段产生的还原型辅酶通过 电子传递系统氧化，通过氧化磷酸化产生 ATP （线粒体）
底物水平磷酸化
COOH
CH
CH
COOH
6: 琥珀酸脱氢酶
fumarate
延胡索酸
氧化
COOH
FADH2 FAD
CH2 电子载体是FAD CH2 e- 载体是 FAD
COOH
succinate dehydrogenase
succinate
琥珀酸
琥珀酸脱氢酶
• 是线粒体内膜上电子传递链的一部分，位 于线粒体内膜上，柠檬酸循环其他的酶在 线粒体基质中
4C
succinyl CoA
GDP, Pi
NADH
CO2
• 每经历一次TCA循环
• 有2个碳原子通过乙酰CoA进入循环， 有2个碳原子通过脱羧反应以CO2离开循 环。
• 有4对氢原子通过脱氢反应离开循环， 其中3对由NADH携带，1对由FADH2携带。
• 产生1分子高能磷酸化合物GTP，通过 它可生成1分子ATP。
细菌） • 丙酮酸羧化酶- 转化丙酮酸为草酰乙酸 （哺
乳动物）
丙酮酸
PEP 羧化酶
草酰乙酸
丙酮酸羧化酶
乙醛酸循环The Glyoxylate Cycle
植物和微生物中存在
• TCA循环中涉及CO2产生的步骤被绕过去，另一个乙 酰CoA被利用
• 异柠檬酸裂合酶和苹果酸合酶是该途径的特有的酶 • 从乙酸净合成糖和其他物质，这在TCA循环中是不可
• 是连接糖酵解和柠檬酸循环的桥梁。
丙酮酸氧化
Pyruvate Dehydrogenase
OO
H3C C C
pyruvate
H SC oA
O
O
H3C C S CoA
NAD+ NADH acetyl-CoA
+ CO2
催化此过程的是丙酮酸脱氢酶复合体。
丙酮酸 + CoA + NAD+ 乙酰CoA + CO2 + NADH + H+
*
*
*
*
O* SCoA O * *
• 乙酰CoA的羧基碳在第二轮循环的时候变成 CO2
• 乙酰CoA的甲基碳在第二轮循环后还是全保 留，从第三轮起，每轮循环一半变成CO2
TCA循环 的调节
• 3 步反应是调节步骤 • 柠檬酸合酶
– 受底物的供给控制- 乙酰CoA 和草酰乙酸 – 变构抑制剂: - NADH , ATP,琥珀酰CoA
别构酶: 受 NADH,琥珀酰CoA,ATP抑制
5:琥珀酰 CoA 合成酶
COOH
COOH
CH2
CoASH
CH2
CH2
CH2
COOH
CO
succinate 琥珀酸
GTP
SCoA GDP, Pi 琥珀酰CoA
succinyl CoA
琥珀酰CoA是硫酯化合物，是高能化合物
succinyl CoA synthetase
• 是一个释放大量能量的途径（以GTP和 NADH，FADH2的形式，还原型辅酶通过电 子传递和氧化磷酸化产生大量ATP）
• 为生物合成提供大量前体
柠檬酸循环概况
NADH NAD+
2C
acetyl CoA
CoASH
4C
oxaloacetate
6C
citrate
cis-aconitate
4C
malate
酸缩合成柠檬酸
CH3 CO
乙酰CoA
SCoA acetyl CoA
CoASH
COOH CO
COOH citrate synthase CH2
CH2 COOH
HO C COOH CH2
oxaloacetate
草酰乙酸
COOH
citrate 柠檬酸
• 反应的能量由乙酰CoA的高能硫酯键提供， 使反应不可逆。
柠檬酸循环
• Hans Krebs 1937年提出丙酮酸在动物组织 中通过柠檬酸循环完全降解。 (1953 Nobel Prize laureate)
• 又称为三羧酸循环，Krebs 循环 • 是由于该循环的第一个产物是柠檬酸，
它含有三个羧基，故此得名。
柠檬酸循环的生理意义
• 是糖、脂、氨基酸等燃料分子完全降解为 CO2的共同代谢途径。
• 别构酶
• ATP,NADH,琥珀酰CoA别构抑制该酶
• 氟乙酸能转化成氟柠檬酸而抑制柠檬酸循 环
COOH
2:乌头酸酶 CH2 HO C COOH
脱水再加水
柠檬酸异构化成异柠 檬酸
CH2 COOH citrate
柠檬酸
aconitase
cis-aconitate
顺乌头酸
aconitase
COOH CH2 HC COOH HC OH COOH isocitrate
糖有氧代谢的三个阶段
• 糖酵解 glycolysis • 柠檬酸循环 citric acid cycle • 电子传递和氧化磷酸化 electron transport
and oxidative phosphorylation
丙酮酸氧化
• 糖酵解发生在细胞质，丙酮酸进入线粒体 进行氧化。
• 丙酮酸氧化脱羧转化为乙酰CoA和CO2。乙 酰CoA可进入三羧酸循环彻底氧化。
– 既是合成代谢途径 – 又是分解代谢途径
• 柠檬酸循环提供很多生物合成的前体
天冬氨酸
乙酰CoA 草酰乙酸 柠檬酸
脂肪酸
糖异生
苹果酸 α-酮戊二酸
琥珀酰CoA
谷氨酸
血红素
填补反应Anaplerotic reactions
• 补充柠檬酸循环的中间代谢物 • PEP 羧化酶 – 转化 PEP 为草酰乙酸（植物，
异柠檬酸
3: 异柠檬酸脱氢酶
COOH CH2 HC COOH
HC OH
异柠檬酸氧化脱羧
形成a酮戊二酸， 不可逆。
COOH 异柠檬酸
isocitrate
NAD+
isocitrate dehydrogenase
C6 → C5
CO2
NADH
别构酶 ATP,NADH抑制 ADP ,NAD+激活
COOH
CH2
**
对称分子
Cycle 1
HO
**
**
O SCoA
O
第二轮循环 后放射性损 失多少？
羧基碳全 部脱下来 ，甲基碳 全部保留
O*** * ** **
HO * *
** **
**
SCoA
Methyl carbons Carboxyl Carbons
HO
** **
Cycle 2
Cycle 1
**
HO
**
**
能的，对植物种子萌发和以乙酸为碳源生长的微生 物具有重要意义
乙酰CoA
柠檬酸
草酰乙酸 苹果酸 苹果酸合酶
异柠檬酸 异柠檬酸 裂合酶
乙醛酸
乙酰CoA
琥珀酸
SCoA succinyl CoA
CO2
琥珀酰CoA ketoglutarate dehydrogenase
a-酮戊二酸脱氢酶是一个复合体，与丙酮酸脱氢酶 复合体非常相似。
包含三个酶： a-酮戊二酸脱氢酶，二氢硫辛酰转琥 珀酰基酶，二氢硫辛酰脱氢酶
•利用了5个辅酶 – -TPP, CoA, 硫辛酸,NAD+, FAD
3 NADH
3 NAD+
电子传递和氧
化磷酸化
3X2.5=7.5 ATP
FADH2
FAD
电子传递和氧化
磷酸化
1.5 ATP
底物水平磷酸化 1 GTP
10 ATP 一轮循环
TCA循环中碳原子的命运
• 用同位素标记乙酰COA碳原子，发现乙酰 COA从草酰乙酸碳骨架的一端掺入，而从另 一端发生脱羧反应，说明反应是不对称的。
2.乌头酸酶
对称的柠檬酸转化成手性 的异柠檬酸
柠檬酸是前手性分子
总是来自 乙酰 CoA
如果对乙酰CoA
的羧基碳或者甲
基碳进行放射性
标记，第一轮循 O 环后放射性损失
*
*
多少？
** HO * *
零
**
**
** **
* * SCoA
**
Methyl carbons
HO
立体特异性
Carboxyl Carbons