上海交大 中文翻译 生物化学课本：第17章-柠檬酸循环

第17章柠檬酸循环

环形交叉路，或者转盘，是有助于交通流动的中心。柠檬酸循环是细胞氧化碳原子的生化反应流中心。碳燃料以乙酰辅酶A的形式加入生化反应流中心，柠檬酸循环也是生物合成的前体。[（以上）Chris Warren/International Stock.]

概要

17.1 丙酮酸脱氢酶联结糖酵解途径和柠檬酸循环

17.2 柠檬酸循环氧化2-C单位

17.3 柠檬酸循环及其调控

17.4 柠檬酸循环提供生物合成的原料

17.5 乙醛酸循环使植物和细菌也能利用乙酸盐生长

葡萄糖经过厌氧的糖酵解途径代谢生成丙酮酸，只能得到一小部分的ATP。葡萄糖的

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大部分的ATP是耗氧代谢途径产生的。耗氧代谢途径能够将糖酵解产物完全氧化成二氧化碳。这一氧化作用由一系列反应（即柠檬酸循环，或称为三羧酸（TCA）循环、或Krebs 循环）完成。柠檬酸循环是能源分子——碳水化合物、脂肪酸、和氨基酸氧化过程最后的共同途径。大部分能源分子被加工成乙酰辅酶A的形式，进入三羧酸循环。

在有氧条件下，葡萄糖经糖酵解产生的丙酮酸被氧化脱羧生成乙酰辅酶A。柠檬酸循环在真核生物中的线粒体里进行（图17.1），而糖酵解反应在细胞质中进行。

乙酰辅酶A

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图17.1 线粒体。电子显微镜图片清晰地显示线粒体的双膜结构。线粒体内膜有很多内陷，这些内陷称为嵴。丙酮酸的氧化脱羧和柠檬酸循环在线粒体基质进行。[（左）Omikron/图片研究者]

柠檬酸循环捕获高能电子

柠檬酸循环是细胞的代谢中心。任何分子被转化成乙酰辅酶A 或三羧酸循环的其他组分就可以进行有氧代谢。这个循环也为许多生物分子（如氨基酸、核苷酸碱基、卜啉）的合成原料。草酰乙酸（柠檬酸循环的组分之一）也是葡萄糖合成的原料。

在燃料分子转化成ATP 过程中三羧酸循环起什么作用？我们知道燃料分子是可以被氧化（即失去电子）的碳化物（第15章）。柠檬酸循环含有一系列氧化-还原反应，导致乙酰基被氧化成两个CO 2。此氧化产生的高能电子用来驱动ATP 的合成。柠檬酸循环的功能是捕获碳燃料的高能电子。

图17.2显示柠檬酸循环的总况。草酰乙酸（四碳化合物）与乙酰基缩合形成六碳原子的三羧酸。这个六碳化合物连续丢失两分子CO 2，与此同时两次释放高能电子，形成四碳化合物。这个四碳化合物被进一步加工，又生成草酰乙酸，启动新一轮三羧酸循环。乙酰基（二碳单位）进入柠檬酸循环后被转化成两分子CO 2。

图17.2 柠檬酸循环总图。柠檬酸循环氧化二碳单位，形成两分子CO2，1分子GTP，和高能电子（高能电子以NADH和FADH2的形式存在）。

注意柠檬酸循环本身既不产生大量ATP，也不利用氧气作为反应物质（图17.3）。柠檬酸循环只是从乙酰辅酶A移去电子，并用这种电子形成NADH和FADH2。三个氢负离子（即六个电子）转移给3分子NAD+，形成3个NADH；还有一对氢原子（因此是两个电子）转移给核黄素腺苷二磷酸（即FAD）形成一分子FADH2。这些电子载体经氧化磷酸化（第18章）将电子传递给氧气，形成9分子ATP。NADH和FADH2携带的电子经过一系列的膜蛋白传递，本身被氧化并产生跨膜质子梯度。质子流过ATP合成酶将ADP和磷酸转化成ATP。

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图17.3 细胞呼吸。柠檬酸循环构成细胞呼吸的第一阶段，将碳燃料的电子转移给电子载体形成NADH和FADH2（左边）。这些高能电子转移给氧气分子产生跨膜质子梯度(红色）。随后利用质子梯度合成ATP(绿色）。氧气还原和ATP合成构成氧化磷酸化。

柠檬酸循环与氧化磷酸化过程一起给有氧细胞提供了大量的能量——在人体内，超过90%的能量以这种方式制造。有限数量的柠檬酸循环分子氧化能产生大量的NADH和FADH2，因此柠檬酸循环和氧化磷酸化产能的效率非常高效。图17.2中指出，柠檬酸循环由一个四碳分子——草酰乙酸开始，依次反应至循环结束时重新生成一分子的草酰乙酸。因此，一分子草酰乙酸可以参与很多乙酰基分子的氧化过程。

17.1丙酮酸脱氢酶联结糖酵解途径和柠檬酸循环

碳水化合物，多数是葡萄糖，经过糖酵解过程变成丙酮酸（第16章）。在厌氧条件下，丙酮酸转化成乳酸或者乙醇（实际情况取决于生物体自身类型）。在有氧条件下，丙酮酸由线粒体膜上特定的载体蛋白质运输到线粒体内。在线粒体基质，丙酮酸在丙酮酸脱氢酶的作用下氧化脱羧生成乙酰辅酶A。

丙酮酸+ 辅酶A + NAD+ →乙酰辅酶A + CO2 + NADH + H +

这个不可逆反应是糖酵解和柠檬酸循环之间的连接纽带（图17.4）。注意：此反应丙酮酸脱氢酶复合物催化产生二氧化碳、并将俘获的高能电子以NADH形式储存。因此，因此丙酮酸脱羧酶促反应有柠檬酸循环反应所具有的很多关键特征。

图17.4 糖酵解和柠檬酸循环间的联系。糖酵解产生的丙酮酸转化成乙酰辅酶A，后者是柠檬酸循环的燃料。

丙酮酸脱羧酶复合物是由3种活性不同的酶构成的、高度整合的、巨型复合物（表17.1）。丙酮酸脱氢酶复合物属于同源复合物家族的成员。这个家族包括柠檬酸循环酶酮戊二酸脱氢酶复合物。这些复合物巨大，分子质量从400万到1000万道尔顿（图17.5），其复杂的结构能够将待转移基团（活性基团用绳状结构与酶复合物结构的核心连接）从一个活性位点转移到另一活性位点。

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表17.1 大肠杆菌的丙酮酸脱氢酶复合物

酶简称链的数目辅基催化的反应丙酮酸脱氢酶组分E124 TPP 丙酮酸的氧化脱羧

二氢硫辛酸转乙酰酶E224 硫锌酰胺转移乙酰基团给辅酶A

二氢硫辛酰胺脱氢酶E312 FAD 重新形成氧化型硫锌酰胺

图17.5 大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合物的电子显微图谱。

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机理：从丙酮酸合成乙酰辅酶A需要三种酶和五种辅酶

丙酮酸脱氢酶促反应机理很复杂（比丙酮酸脱氢酶的化学反应式复杂多了）。这个反应需要丙酮酸脱氢酶复合体的三种酶活性和五种辅酶的参与。辅酶硫胺焦磷酸（thiamine pyrophosphate，TPP）、硫辛酸（lipoic acid)、和FAD是酶催化的辅助因子，CoA和NAD+是定量反应的协助因子。

硫胺焦磷酸（TPP）硫辛酸

丙酮酸转化成乙酰辅酶A有三步：脱羧反应、氧化反应、和乙酰基团转移给辅酶A的化学反应。

这些反应步骤必需偶联才能保存脱羧反应所释放的自由能，驱动后续的NADH和乙酰

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