第23章 三羧酸循环
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9） L-苹果酸+NAD → 草酰乙酸+NADH 苹果酸脱氢酶(malate dehydrogenase)
COOCH2 HO C COOH O C H2C COOCOO-
+ NAD+
+ NADH
苹果酸
草酰乙酸
23.4 柠檬酸循环的化学总结算
乙酰—CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi → 2CO2 +3NADH+FADH2+GTP+2H++CoA-SH 1) 2) 3) 4) 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，形成3个NADH分子和1个FADH2分子。 每一次循环一GTP的形式产生一个高能磷酸键，并消耗2分子水。 能量结算： 一个NADH分子进入呼吸链，将电子传递给分子氧生成水， 可产生2.5个 ATP. 一个FADH2分子进入呼吸链，将电子传递给分子氧生成水， 可产生1.5 个ATP. 一个GTP等于一个ATP
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
硫辛酸 FADH2 E3
二氢硫辛酸 FAD
NAD+
NADH+H+
计算：
1.从一分子乙酰CoA开始，经柠檬酸循环，完全 氧化成CO2和 H2O, 能产生多少ATP ? 2.从一分子丙酮酸开始：多少ATP?
3.从一分子葡萄糖开始：多少ATP?
23.5 柠檬酸循环的调控
1） 柠檬酸循环本身制约系统的调节 关键作用的三种酶：柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和 α--酮戊二酸脱氢酶 底物浓度控制：乙酰 — CoA、草酰乙酸在线粒体中的浓 度 产物抑制：NADH、柠檬酸 对柠檬酸合酶，NADH、 琥珀酰—CoA对α--酮戊二酸脱氢酶， NADH对异柠檬酸脱氢酶。 2） ADP 和Ca2+对柠檬酸循环的调控 ADP是异柠檬酸脱氢酶的变构促进剂 Ca2+对异柠檬酸脱氢酶、α--酮戊二酸脱氢酶都有激 活作用
The reactional mechanism of TCA
The reactional mechanism of TCA
柠檬酸合酶(Citrate synthase)
调控酶：ATP 、NADH、琥珀酸—CoA、酯酰— CoA等抑制其活性 是柠檬酸循环中的限速酶
The reactional mechanism of TCA
23.6 柠檬酸循环的双重作用
柠檬酸循环是绝大多数生物体主要的分解代 谢途径，也是准备提供大量自由能的重要代谢 系统，在许多合成代谢中都利用柠檬酸循环的 中间产物作为生物合成的前体物质，因此柠檬 酸循环具有双重性。 直接利用柠檬酸循环中间产物的生物合成途径 有：葡萄糖生物合成（糖异生），脂类的生物 合成，包括脂肪酸和胆固醇的生物合成，氨基 酸的生物合成， 卟啉类的生物合成等。 图23-14 自读
1）产物调控：NADH和乙酰—CoA的竞争性抑制，与底 物NAD+ 和CoA竞争酶的活性中心。 2）磷酸化和去磷酸化的调控：E1的磷酸化和去磷酸化 是使丙酮酸脱氢酶复合体失活和激活的重要方式。
丙酮酸脱氢酶的活化和抑制是根据电荷的高低及生物合成相 对应中间物的需要，受到多种因素调节的。E2上有两种酶 ， 激酶和磷酸酶的活性,调节E1的活性。
CO2
C5α-酮戊二酸 C4琥珀酰-CoA
CO2 NADH
Sir Hans Adolf Krebs The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1953
23.3 柠檬酸循环的反应机制
The reactional mechanism of TCA
1） 草酰乙酸 + 乙酰-CoA → 柠檬酸 + CoASH
柠檬酸循环：三羧酸循环
（tricarboxylic acid cycle TCA 循 环） Krebs 循环(徳 Hans Krebs) 丙酮酸在有氧条件下继续进行有氧氧化，最后 形成CO2和水（柠檬酸循环，氧化磷酸化）。 柠檬酸循环在线粒体中进行。 柠檬酸循环不仅是丙酮酸氧化降解的途径，也 是脂肪酸、氨基酸等分子氧化分解所经历的共 同途径。
3.1.3 砷化物对硫辛酰胺的毒害作用
亚砷酸盐与二氢硫辛酸共价结合，使还原型硫辛酰胺 形成无催化能力的砷化物。
OH OH HS HS -O AS R S S
R
-O AS
亚砷酸
HS R AS
O
HS
R' R
AS
S S
R
有机砷化合物
23.1.4 丙酮酸脱氢酶复合体的调控
Regulation of the pyruvate dehydrogenase complex
三种酶：
E1 丙酮酸脱氢酶 (pyruvate dehydrogenase component) E2 二氢硫辛酸转乙酰基酶 (dihydrolipoyl transacetylase) E3 二氢硫辛酸脱氢酶 (dihydrolipoyl dehydrogenase) 六种辅助因子： TPP FAD 硫辛酸 NAD CoA Mg++
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 (Pyruvate dehydrogenase complex)
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：
柠檬酸循环的双重作用
柠檬酸循环中间产物有补充作用的反应称为填补反应 （回补反应），如丙酮酸的羧化： 丙酮酸羧化酶催化： 丙酮酸+ CO2 +ATP +H2O ←→ 草酰乙酸+ADP+ Pi +2H+ 磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶： 磷酸烯醇式丙酮酸+CO2+GDP→草酰乙酸+GDP 转氨酶： 天冬氨酸 →草酰乙酸 谷氨酸 →a-酮戊二酸
COOCH2 CH2 C S O CoA COO-
GDP + Pi
GTP
CH2 CH2
CoASH
COO-
琥珀酰—CoA
琥珀酸
The reactional mechanism of TCA
6）琥珀酸 +FAD→ 延胡索酸+FADH2
COOCH2 CH2 COOCOO-
FAD
FADH2
CH HC COO-
本章要点
丙酮酸氧化脱羧形成乙酰-CoA的反应过程及酶系 三羧酸循环的反应机制 三羧酸循环的调节 三羧酸循环的脱氢部位及产能部位 三羧酸循环的能量结算 三羧酸循环的填补反应 说明生物体内H2O，CO2，ATP都是怎样生成的？
23 章完
琥珀酸脱氢酶
琥珀酸
延胡索酸
The reactional mechanism of TCA
琥珀酸脱氢酶 （succinate dehydrogenase） ①琥珀酸脱氢酶与FAD以共价键相连 ②丙二酸是竞争性抑制剂 ③催化琥珀酸脱氢有严格的立体专一性 ④是柠檬酸循环中唯一嵌入到线粒体内膜的酶
Succinate Dehydrogenase
α--酮戊二酸脱氢酶复合体：
三种酶：α--酮戊二酸脱氢酶 (E1) 二氢硫辛酰转琥珀酰酶(E2) 二氢硫辛酰脱氢酶(E3) 六因子：TPP 硫辛酸 CoA FAD NAD Mg++
The reactional mechanism of TCA
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
2）顺乌头酸酶 （aconitase）
COOH
-
H H OH
COO-
C C CH2 COO-
H2O
-
OOC OOC
C C CH2 COO-
H2O
-
H OOC
C C CH2 COO-
OH H
OOC
-
柠檬酸
顺乌头酸
异柠檬酸
The reactional mechanism of TCA
3) 异柠檬酸 + NAD →α--酮戊二酸 + NADH + CBiblioteka Baidu2 异柠檬酸脱氢酶
The reactional mechanism of TCA
异柠檬酸脱氢酶是变构调节酶：
受ADP变构激活
NADH、ATP变构抑制
The reactional mechanism of TCA
4）-Ketoglutarate Dehydrogenase Complex
The reactional mechanism of TCA
FADH2
The reactional mechanism of TCA
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
HO
CH2 C COOH
OOC
延胡索酸酶
H
延胡索酸
苹果酸
The reactional mechanism of TCA
第 23 章 柠檬酸循环
Aerobic respiration - the Krebs cycle
内容提要
丙酮酸进入三羧酸循环的准备阶段 柠檬酸循环概貌 柠檬酸循环的反应机制 柠檬酸循环的化学总结算 柠檬酸循环的调控 柠檬酸循环的双重作用
The location of citric cycle
23 柠檬酸循环
Ca2+通过激活磷酸酶的作用也使丙酮酸脱氢酶活化。
柠檬酸循环概貌
23.2 柠檬酸循环概貌
The profile of citric acid cycle
C2乙酰---CoA
NADH
C4草酰乙酸
C6柠檬酸 C6顺乌头酸
C4苹果酸
C4延胡索酸
FADH2
C6异柠檬酸
NADH
C4琥珀酸
GTP
C6草酰琥珀酸
COOCH2 HO C COOH O C H2C COOCOO-
+ NAD+
+ NADH
苹果酸
草酰乙酸
23.4 柠檬酸循环的化学总结算
乙酰—CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi → 2CO2 +3NADH+FADH2+GTP+2H++CoA-SH 1) 2) 3) 4) 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，形成3个NADH分子和1个FADH2分子。 每一次循环一GTP的形式产生一个高能磷酸键，并消耗2分子水。 能量结算： 一个NADH分子进入呼吸链，将电子传递给分子氧生成水， 可产生2.5个 ATP. 一个FADH2分子进入呼吸链，将电子传递给分子氧生成水， 可产生1.5 个ATP. 一个GTP等于一个ATP
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
硫辛酸 FADH2 E3
二氢硫辛酸 FAD
NAD+
NADH+H+
计算：
1.从一分子乙酰CoA开始，经柠檬酸循环，完全 氧化成CO2和 H2O, 能产生多少ATP ? 2.从一分子丙酮酸开始：多少ATP?
3.从一分子葡萄糖开始：多少ATP?
23.5 柠檬酸循环的调控
1） 柠檬酸循环本身制约系统的调节 关键作用的三种酶：柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和 α--酮戊二酸脱氢酶 底物浓度控制：乙酰 — CoA、草酰乙酸在线粒体中的浓 度 产物抑制：NADH、柠檬酸 对柠檬酸合酶，NADH、 琥珀酰—CoA对α--酮戊二酸脱氢酶， NADH对异柠檬酸脱氢酶。 2） ADP 和Ca2+对柠檬酸循环的调控 ADP是异柠檬酸脱氢酶的变构促进剂 Ca2+对异柠檬酸脱氢酶、α--酮戊二酸脱氢酶都有激 活作用
The reactional mechanism of TCA
The reactional mechanism of TCA
柠檬酸合酶(Citrate synthase)
调控酶：ATP 、NADH、琥珀酸—CoA、酯酰— CoA等抑制其活性 是柠檬酸循环中的限速酶
The reactional mechanism of TCA
23.6 柠檬酸循环的双重作用
柠檬酸循环是绝大多数生物体主要的分解代 谢途径，也是准备提供大量自由能的重要代谢 系统，在许多合成代谢中都利用柠檬酸循环的 中间产物作为生物合成的前体物质，因此柠檬 酸循环具有双重性。 直接利用柠檬酸循环中间产物的生物合成途径 有：葡萄糖生物合成（糖异生），脂类的生物 合成，包括脂肪酸和胆固醇的生物合成，氨基 酸的生物合成， 卟啉类的生物合成等。 图23-14 自读
1）产物调控：NADH和乙酰—CoA的竞争性抑制，与底 物NAD+ 和CoA竞争酶的活性中心。 2）磷酸化和去磷酸化的调控：E1的磷酸化和去磷酸化 是使丙酮酸脱氢酶复合体失活和激活的重要方式。
丙酮酸脱氢酶的活化和抑制是根据电荷的高低及生物合成相 对应中间物的需要，受到多种因素调节的。E2上有两种酶 ， 激酶和磷酸酶的活性,调节E1的活性。
CO2
C5α-酮戊二酸 C4琥珀酰-CoA
CO2 NADH
Sir Hans Adolf Krebs The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1953
23.3 柠檬酸循环的反应机制
The reactional mechanism of TCA
1） 草酰乙酸 + 乙酰-CoA → 柠檬酸 + CoASH
柠檬酸循环：三羧酸循环
（tricarboxylic acid cycle TCA 循 环） Krebs 循环(徳 Hans Krebs) 丙酮酸在有氧条件下继续进行有氧氧化，最后 形成CO2和水（柠檬酸循环，氧化磷酸化）。 柠檬酸循环在线粒体中进行。 柠檬酸循环不仅是丙酮酸氧化降解的途径，也 是脂肪酸、氨基酸等分子氧化分解所经历的共 同途径。
3.1.3 砷化物对硫辛酰胺的毒害作用
亚砷酸盐与二氢硫辛酸共价结合，使还原型硫辛酰胺 形成无催化能力的砷化物。
OH OH HS HS -O AS R S S
R
-O AS
亚砷酸
HS R AS
O
HS
R' R
AS
S S
R
有机砷化合物
23.1.4 丙酮酸脱氢酶复合体的调控
Regulation of the pyruvate dehydrogenase complex
三种酶：
E1 丙酮酸脱氢酶 (pyruvate dehydrogenase component) E2 二氢硫辛酸转乙酰基酶 (dihydrolipoyl transacetylase) E3 二氢硫辛酸脱氢酶 (dihydrolipoyl dehydrogenase) 六种辅助因子： TPP FAD 硫辛酸 NAD CoA Mg++
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 (Pyruvate dehydrogenase complex)
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：
柠檬酸循环的双重作用
柠檬酸循环中间产物有补充作用的反应称为填补反应 （回补反应），如丙酮酸的羧化： 丙酮酸羧化酶催化： 丙酮酸+ CO2 +ATP +H2O ←→ 草酰乙酸+ADP+ Pi +2H+ 磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶： 磷酸烯醇式丙酮酸+CO2+GDP→草酰乙酸+GDP 转氨酶： 天冬氨酸 →草酰乙酸 谷氨酸 →a-酮戊二酸
COOCH2 CH2 C S O CoA COO-
GDP + Pi
GTP
CH2 CH2
CoASH
COO-
琥珀酰—CoA
琥珀酸
The reactional mechanism of TCA
6）琥珀酸 +FAD→ 延胡索酸+FADH2
COOCH2 CH2 COOCOO-
FAD
FADH2
CH HC COO-
本章要点
丙酮酸氧化脱羧形成乙酰-CoA的反应过程及酶系 三羧酸循环的反应机制 三羧酸循环的调节 三羧酸循环的脱氢部位及产能部位 三羧酸循环的能量结算 三羧酸循环的填补反应 说明生物体内H2O，CO2，ATP都是怎样生成的？
23 章完
琥珀酸脱氢酶
琥珀酸
延胡索酸
The reactional mechanism of TCA
琥珀酸脱氢酶 （succinate dehydrogenase） ①琥珀酸脱氢酶与FAD以共价键相连 ②丙二酸是竞争性抑制剂 ③催化琥珀酸脱氢有严格的立体专一性 ④是柠檬酸循环中唯一嵌入到线粒体内膜的酶
Succinate Dehydrogenase
α--酮戊二酸脱氢酶复合体：
三种酶：α--酮戊二酸脱氢酶 (E1) 二氢硫辛酰转琥珀酰酶(E2) 二氢硫辛酰脱氢酶(E3) 六因子：TPP 硫辛酸 CoA FAD NAD Mg++
The reactional mechanism of TCA
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
2）顺乌头酸酶 （aconitase）
COOH
-
H H OH
COO-
C C CH2 COO-
H2O
-
OOC OOC
C C CH2 COO-
H2O
-
H OOC
C C CH2 COO-
OH H
OOC
-
柠檬酸
顺乌头酸
异柠檬酸
The reactional mechanism of TCA
3) 异柠檬酸 + NAD →α--酮戊二酸 + NADH + CBiblioteka Baidu2 异柠檬酸脱氢酶
The reactional mechanism of TCA
异柠檬酸脱氢酶是变构调节酶：
受ADP变构激活
NADH、ATP变构抑制
The reactional mechanism of TCA
4）-Ketoglutarate Dehydrogenase Complex
The reactional mechanism of TCA
FADH2
The reactional mechanism of TCA
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
HO
CH2 C COOH
OOC
延胡索酸酶
H
延胡索酸
苹果酸
The reactional mechanism of TCA
第 23 章 柠檬酸循环
Aerobic respiration - the Krebs cycle
内容提要
丙酮酸进入三羧酸循环的准备阶段 柠檬酸循环概貌 柠檬酸循环的反应机制 柠檬酸循环的化学总结算 柠檬酸循环的调控 柠檬酸循环的双重作用
The location of citric cycle
23 柠檬酸循环
Ca2+通过激活磷酸酶的作用也使丙酮酸脱氢酶活化。
柠檬酸循环概貌
23.2 柠檬酸循环概貌
The profile of citric acid cycle
C2乙酰---CoA
NADH
C4草酰乙酸
C6柠檬酸 C6顺乌头酸
C4苹果酸
C4延胡索酸
FADH2
C6异柠檬酸
NADH
C4琥珀酸
GTP
C6草酰琥珀酸