4 柠檬酸循环

琥珀酸 + FAD
延胡索酸 +FADH2
⑺ 延胡索酸水化生成苹果酸
H2O
TCA循环
HOOC CH HC COOH
延胡索酸 (fumarate)
延胡索酸酶
H2C COOH HO CH COOH
苹果酸 (malate)
延胡索酸 + H2O
苹果酸
⑻
苹果酸脱氢生成草酰乙酸 TCA循环
苹果酸 Fra Baidu bibliotek NAD+
酰基结合 位点 SH
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（ NAD+ ）
递氢体作用：
NAD++2H
NADH+H+
R
NAD+:
R=H
NADP+: R=PO3H2
黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）
递氢体作用：FAD+2H
FADH2
丙酮酸氧化脱羧反应
丙酮酸+ CoA-SH+ NAD+
乙酰CoA + C O2 + NADH+H+
本章主要内容
一. 糖的有氧氧化 二. 由丙酮酸形成乙酰CoA 三. 三羧酸循环的过程 四. 五. 六. 七. 八. 三羧酸循环的化学计量 三羧酸循环的回补反应 三羧酸循环的调控 乙醛酸循环 三羧酸循环的生物学意义
需掌握的知识点
1、丙酮酸脱氢复合体的工作原理 2、掌握柠檬酸循环的基本反应过程、限速 酶、ATP的生成、生理意义及调节。 3、乙醛酸循环 4、了解关键反应步骤分子机制。
糖酵解
乳酸
线粒体内
葡萄糖→…→丙酮酸→丙酮酸→乙酰CoA
胞质
三羧酸循环
CO2+H2O+ATP 糖的有氧氧化
糖的有氧氧化与糖酵解
→→丙酮酸→乳酸(糖酵解) 葡萄糖→→……→→丙酮酸
丙酮酸 CO2+H2O+ATP
(糖的有氧氧化）
线粒体 胞质
细胞
糖有氧氧化的过程
三 个 阶 段
第一阶段： 丙酮酸的生成（胞质）
四. 三羧酸循环的化学计量
三羧循环的化学计量和能量计量
a、总反应式:
CH3COSCoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O
2CO2+CoASH+3NADH+3H+ +FADH2+GTP b、三羧酸循环的能量计量
能量“现金” : 1 GTP 能量“支票”: 3 NADH
兑换率 1：2.5 兑换率 1：1.5
① TAC运转一周的净结果是氧化1分子乙酰CoA， 草酰乙酸仅起载体作用，反应前后无改变。
②
14C标记乙酰CoA进行研究结果，第一周
循环中并无含14C的CO2出现，即CO2的碳 原子来自草酰乙酸而不是来自乙酰CoA， 第二周循环时，才有14 CO2 出现。
③ TAC中的一些反应在生理条件下是不可 逆的，所以整个三羧酸循环是一个不可 逆的系统
丙酮酸+ CoA-SH+ NAD+
乙酰CoA + C O2 + NADH+H+
丙酮酸脱氢酶系
3 种 酶：
E1: 丙酮酸脱羧酶 (TPP)
硫胺素焦磷酸
E2: 二氢硫辛酸乙酰基转移酶(硫辛酸、辅酶A)
E3: 二氢硫辛酸脱氢酶(FAD、NAD+)
5种辅助因子：
TPP、 硫辛酸、辅酶A、FAD、NAD+
（含B1、泛酸、B2 、PP四种维生素）
第二阶段： 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰
CoA（线粒体）
第三阶段： 乙酰CoA进入三羧酸循环
彻底氧化（线粒体）
二. 由丙酮酸形成乙酰CoA
丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A
COOH C O CH3
丙酮酸 NAD+ + CoA-SH NADH+H+
CO～SCoA + C O2
丙酮酸 CH 3 辅酶A 脱氢酶系 乙酰CoA
一、糖的有氧氧化
(aerobic oxidation)
糖的有氧氧化是指：
•
体内组织在有氧条件下，葡萄糖 彻底氧化分解生成CO2和H2O的过程。
6 CO2 + 6 H2O + 30/32 ATP
C6H12O6 + 6O2
有氧氧化是糖氧化的主要方式，绝大多数 组织细胞都通过有氧氧化获得能量。
糖有氧氧化概况
草酰乙酸 + NADH+H+
O
CoASH
CH3-C-SCoA
柠檬酸
三羧酸循环 （TCA）
NADH
草酰乙酸
NAD+
柠檬酸的 生成阶段
顺乌头酸
苹果酸
三羧酸循环总图
异柠檬酸
NAD+
NADH +CO2
H2O
草酰乙酸 再生阶段
延胡索酸
氧化脱 羧阶段
－酮戊二酸
FADH2
NAD+
NADH +CO2
琥珀酸
知识扩展
柠檬酸：一个发生不对称反应的对称分子
TCA第三阶段：草酰乙酸再生
FAD FADH2 H2 O
琥珀酸脱氢酶
延胡索酸酶
苹果酸 脱氢酶
NAD +
NADH+H+ 草酰乙酸
总结
一次底物水平磷酸化 二次脱羧 两个不可逆反应 P 四次脱氢（3NADH + FADH2）
一分子乙酰CoA经三羧酸循 环彻底氧化净生成10ATP。
可见由糖酵解和TCA循环相连构成的糖的 有氧氧化途径，是机体利用糖氧化获得能量 的最有效的方式，也是机体产生能量的主要 方式。
五. 三羧酸循环的回补反应
丙酮酸羧化支路（回补途径）
• 三羧酸循环不仅是产生ATP的途径，它产 生的中间产物也是生物合成的前体。例 如卟啉的主要碳原子来自琥珀酰CoA，谷 氨酸、天冬氨酸是从α-酮戊二酸、草酰 乙酸衍生而成。一旦草酰乙酸浓度下降， 势必影响三羧酸循环的进行。
第四章 柠檬酸循环
三羧酸循环、Kreb循环，TCA
概念：在有氧的情况下，葡萄糖酵解产生的丙酮酸 氧化脱羧形成乙酰CoA。乙酰CoA经一系列氧化、脱 羧，最终生成C2O和H2O并产生能量的过程，称为柠檬 酸循环，亦称为三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle), 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。
1ATP 7.5ATP 1.5ATP 10ATP
1 FADH2
若从丙酮酸开始，加上生成草酰乙酸时的 1个NADH，则共产生10+2.5=12.5个ATP。 若从葡萄糖开始，共可产生 12.5×2+7=32个ATP。(二版及其他教材为38个ATP，
NADH3ATP，FADH2 2ATP)
GDP＋Pi
GTP
CoASH
知识扩展
顺乌头酸酶只能与柠檬酸两种旋光异构方式中的一种结合， 结果，它催化的第一步脱水反应中的氢全来自草酰乙酸部分 ，第二步的水合反应中的 OH 也只加在草酰乙酸部分。这种酶 与底物以特殊方式结合（只选择两种顺反异构或旋光异构中 的一种结合方式）进行的反应称为不对称反应。结果，TCA第 一轮循环释放的CO2全来自草酰乙酸部分，乙酰CoA羰基碳在第 二轮循环中释放，甲基碳在第三轮循环中释放 50%，以后每循 环一轮释放余下的50%。 柠檬酸上的羟基是个叔醇，无法进一步被氧化。因此，柠檬 酸需转变成异柠檬酸，将不能被氧化的叔醇，转化成可以被 氧化的仲醇。
3.天冬氨酸及谷氨酸的转氨作用可以形成草 酰乙酸和α-酮戊二酸。异亮氨酸、缬氨酸、 苏氨酸和甲硫氨酸也会形成琥珀酰CoA。其 反应将在氨基酸代谢中讲述。
六. 三羧酸循环的调控
(1)AMP 和ADP是多种酶的别构激活剂。 (2)ATP 是丙酮酸激酶、异柠檬酸脱氢 AMP能激活丙酮酸脱氢酶、柠檬酸合酶和 酶的别构抑制剂，细胞内 ATP大量积聚 1、底物供应的调节 异柠檬酸脱氢酶，促进有氧氧化和三羧酸循环， 时能有效地抑制有氧氧化。
三. 三羧酸循环的过程
三羧酸循环碳 原子数目变化
三羧酸循环
⑴ 乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸
TCA循环
乙酰CoA+草酰乙酸
柠檬酸 + CoA-SH
知识扩展
⑵ 柠檬酸异构化生成异柠檬酸
TCA循环
柠檬酸
异柠檬酸
⑶异柠檬酸氧化脱羧生成α -酮戊二酸
TCA循环
柠檬酸循环中的第一个氧化-还原步骤
异柠檬酸 CO2
HO-C COOH
HC COOH
CH2 COOH
H2C O=C COOH α-酮戊二酸
CH2 COOH 2H
2H
H2C COOH 琥珀酸
GTP
H2C CO～SCoA 2H CO 2
三羧酸循环小结
乙酰辅酶A+3NAD+ +FAD+Pi+2 H2O+GDP 2 CO2+3(NADH+H+ )+FADH2+ HSCoA+GTP
1.由丙酮酸作为底物合成草酰乙酸
由丙酮酸合成草酰乙酸 (1)
COOH H3C 丙酮酸羧化酶 H2C + CO +ATP + ADP + Pi C=O 2 生物素、Mg 2+ C=O COOH COOH
丙酮酸 + CO2 + ATP
草酰乙酸 + ADP + Pi
知识扩展
丙酮酸羧化酶需要生物素（biotin）这种维生素， 它是此酶的辅基，它通过一个裂解ATP的反应而 被激活，此反应将CO2连接到与酶结合的生物 素分子上，然后活化了的CO2在一个羧化反应 中被转移到一个受体分子上。 生物素是一种人类必须从饮食中获取的维生素， 它在许多食物中含量都很丰富，也可以通过肠 道细菌合成，缺乏很少见，只是当人食用生鸡 蛋过量时，鸡蛋蛋清中大量抗生物素蛋白可结 合生物素，阻止肠道吸收。
三羧酸循环在线粒体基质中进行。
Hans Adolf Krebs (1900～1981) 英籍生物化学家。1925年在汉堡 大学获医学博士学位。1933年逃亡英 国。在剑桥大学获得硕士学位后，便 在霍普金斯手下从事研究。1954年起 在牛津大学任生物化学教授并受聘为 该校研究细胞代谢的医学研究中心的 主任。 1932年，他与其同事共同发现了 脲循环，1937年他发现了柠檬酸循环。 他于1947年被选为英国皇家学会会员。 1953年荣获诺贝尔生理医学奖。1964 年被选为美国科学院外籍院士。他曾 获得欧美14所大学的荣誉学位，还被 选为法国、荷兰等许多国家科学院的 外籍院士。
琥珀酰CoA + GDP + Pi
琥珀酸+ GTP + CoA-SH
⑹ 琥珀酸氧化脱氢生成延胡索酸 TCA循环
⑹ 琥珀酸氧化脱氢生成延胡索酸 TCA循环
FAD H CH COOH FADH2
HOOC CH HC COOH
H CH COOH
琥珀酸脱氢酶
延胡索酸 琥珀酸 (fumarate) (succinate) 琥珀酸脱氢酶是 TCA 循环中唯一嵌入 线粒体内膜的酶。 丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑 制剂，可阻断三羧酸循环。
由丙酮酸合成草酰乙酸 (2)
NADH+H NAD+
+
H3C C=O + CO2 COOH
丙酮酸 +
NADPH+H+
NADP+
COOH H2C CHOH COOH
苹果酸
COOH H2C C=O COOH
草酰乙酸
CO2
苹果酸酶
苹果酸脱氢酶
2、磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧 化激酶的催化下形成草酰乙酸。在大脑和心 脏中存在这个反应。
焦磷酸硫胺素（TPP）在丙酮酸脱羧中的作用
H+ C 丙酮酸
CCH3-C-COOH
OH
CO2
硫辛酸的氢载体作用和酰基载体作用
S S C C
(CH2)4COO(CH2)4COO-
C
氧化型硫辛酸
S
-2H
C C
+2H
HS
(CH2)4 COO-
C
乙酰二氢硫辛酸
HS HS
C C
C
二氢硫辛酸
泛酸和 辅酶 A （CoASH）
FAD
GTP
琥珀酰CoA
CH2CO～SoA (乙酰辅酶A)
O C COOH
草酰乙酸
H2C COOH
CH2 COOH HO-C COOH
2H
HO CHCOOH 苹果酸 H2C COOH
柠檬酸
H2C COOH
HOOC CH
延胡索酸
三羧酸循环总图 P
琥珀酰CoA CH2 COOH
CH2 COOH HC COOH
（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NADH
硫胺素
知识扩展
乙酰辅酶A进入三羧酸循环
三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TAC) 又称柠檬酸循环(citric acid cycle)/ Krebs循环(Krebs cycle)。 乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成含3个羧 基的柠檬酸开始，经过一系列代谢反应， 乙酰基被彻底氧化，草酰乙酸得以再生的 过程称为三羧酸循环。
TCA循环
β裂解
异柠檬酸+NAD(P)+
α-酮戊二酸 +CO2+NAD(P)H+H+
⑷ α -酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰辅酶A
NAD+还原
储存
放能致反 应不可逆
α-酮戊二酸 + CoA-SH+ NAD+
琥珀酰CoA + CO2 + NADH+H+
⑸ 琥珀酰CoA转变为琥珀酸
TCA循环
哺乳动物为GTP， 植物/微生物为ATP
④ TAC的中间产物可转化为其他物质，故 需不断补充
TCA第一阶段：柠檬酸生成
O
CH3-C-SCoA
CoASH
柠檬酸合成酶 草酰乙酸
顺乌头 酸酶 H2O
H2 O
TCA第二阶段：氧化脱羧
NAD+ NADH+H+ NAD+ NADH+H+ CO2 －酮戊二酸 脱氢酶
CO2
异柠檬酸脱氢酶
琥珀酸 硫激酶