第23章 柠檬酸循环

高等动植物及大多数微生物中异柠檬酸脱氢酶有两 类：一类以NAD+为辅酶，存在于线粒体中，一类 以NAPD+为辅酶，存在与线粒体和细胞质中。 异柠檬酸脱氢酶是一个变构酶，活性受ADP变构 激活。该酶与异柠檬酸、Mg2+、NAD+、ADP的 结合有相互协同作用。NADH、ATP对该酶起变 构抑制作用。细菌中的异柠檬酸脱氢酶还受磷酸化 （活化形式）和去磷酸化（失活形式）作用调节。 异柠檬酸的转变有两条途径：一是当需要能量时， 进行氧化脱羧形成-酮戊二酸，二是在能量充足 时，经异柠檬酸裂解酶作用，生成琥珀酸和乙醛酸
3 、 由异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸 （异柠檬酸脱氢酶）
COOH
NADP+
NADPH+H+
COOH
HO- CH
NAD+ NADH+H+
H+
CO
CH-COOH CH2
Mg 2+
CH-COOH CH2
COOH
COOH
草酰琥珀酸
COOH
CO2
C=O CH2 CH2 COOH
α-酮戊二酸
❖ TCA中第一次氧化脱羧过程 ❖ 异柠檬酸脱氢酶为第二个调节酶 ❖三羧酸到二羧酸的转变
+ NAD NADH+H+
NH
(CH 2)4CO
二氢硫辛酸
硫辛酸乙酰转移酶
O
中间产物在氨基H酸SCoA臂作用C下H3C 进SC入oA 酶活性
中心快速准确！
乙酰CoA
砷化物与丙酮酸脱氢酶复合体E2中的辅基硫辛酰胺的 毒害作用。（由于酮戊二酸脱氢酶复合体也含硫辛酰 胺辅基，因此，砷化物也有毒害作用）
三羧酸循环在线粒体基质中进行。
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） 第三阶段：三羧酸循环及氧化磷酸化 （线粒体）
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。
由氟乙酸形成的氟乙酰-CoA可被柠檬酸合酶催化与草酰乙酸
缩合生成氟柠檬酸，氟柠檬酸结合到顺-乌头酸酶的活性部位
上，抑制柠檬酸循环向下进行。氟乙酸和氟乙酰-CoA可做杀
虫剂或灭鼠药。各种有毒植物的叶子大部分含有氟乙酸，可
作为天然杀虫剂。 F-CH2CO氟O乙H酸
COO-
F-CH HO-C-COO- 氟柠檬酸
乙酰CoA+
CO2+NADH+H+
▪反应不可逆，分5步进行，由丙酮酸脱氢酶复合体（丙 酮酸脱氢酶系）催化。 ▪丙酮酸脱氢酶复合体是一个十分大的多酶复合体，包 括丙酮酸脱氢酶组分E1、二氢硫辛酰转乙酰基酶E2、二 氢硫辛酸脱氢酶E3三种不同的酶及焦磷酸硫胺素(TPP)、 硫辛酸，FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸), NAD+,CoASH 及Mg2+六种辅助因子组装而成。
谷氨酸 天冬氨酸
卟啉环
上述过程均可导致草酰乙酸浓度下降，从而影响三羧酸循 环的运转，因此必须不断补充才能维持其正常进行，这种补 充称为回补反应或填补反应(anaplerotic reaction)。
（2）乙醛酸循环——三羧酸循环支路
CoASH
乙酰CoA 草酰乙酸 CoASH 乙酰CoA 乙 醛 ②酸
三羧酸循
环在异柠
柠檬酸
檬酸与苹
果酸间搭
了一条捷 ① 异柠檬酸 径。（省
了6步）
苹果酸 三羧酸循环
琥珀酸
4 、 α-酮戊二酸氧化脱羧成为琥珀酰 COA（ α-酮戊二酸脱氢酶复合体）
COOH
C=O CH2 +COASH+NAD+ CH2 COOH ❖ TCA中第二次氧化作用、脱羧过程
COO-
C=O CH2 + COO-
O C-CH3 S-COA
O C-SCOA
柠檬酸合酶
CH2
HO-C-COO-
CH2
COO-
H2O
❖ 单向不可逆 ❖ 可调控的限速步骤 ❖ 氟乙酰CoA导致致死合成
常作为杀虫药
COO- COA
HO-CCH-C2OOCH2
+ HS-COA+H+
COO- 三羧酸
柠檬酸合酶是柠檬酸循环的关键酶。活性受ATP、 NADH、琥珀酰-CoA、酯酰-CoA等的抑制。
循环有以下特点：
1、乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸，使两个C原子进入循环。在以后
的两步脱羧反应中，有两个C原子以CO2的形式离开循环，相当于乙酰CoA的 2个C原子形成CO2。
2、在循环中有4对H原子通过4步氧化反应脱下，其中3对用以还原NAD+生
成3个NADH+H+,1对用以还原FAD,生成1个FADH2。 3、由琥珀酰CoA形成琥珀酸时，偶联有底物水平磷酸化生成1个GTP,
FAD
CH(OH)COOH (1) 丙酮酸脱氢酶复合体
琥珀酸H2C COOH
C H2
COOHGTP
CoASH
(7) GDP+Pi
+ NAD(P)
+ (4)
NAD(P)H+H
CH 2COOH CHCOOH
(2) 柠檬酸合成酶 (3) 顺乌头酸酶 (4)(5)异柠檬酸脱氢酶 (6) α-酮戊二酸脱氢酶复合体
丙酮酸
CO2
CH3 CO
丙酮酸脱羧酶
CH3 HC OH
(CH2)4COOS
TPP
E1
S
硫辛酸酰胺
TPP
二氢硫辛酸脱氢酶
FADH2
+ NAD
E3
FAD
NADH+H+
COO H
O CH3C S
E (CH2)4CO2O-
HS
乙酰二氢硫辛酰胺
E2
(CH2)4COOHS
二氢硫辛酰胺
HS
硫辛酸转乙酰基酶
HSCoA
O
CH3C ～ SCoA
乙酰CoA
形成酶复合体有什么好处呢？
丙酮酸
CO 2
CH 3 CO COO H
丙酮酸脱羧酶
CH 3 HC OH
TPP
E1
(CH 2)4CO S
NH
S
硫辛酸
TPP
E2
O
(CH 2)4CO NH
CH 3C S
HS
多肽链
HS
乙酰二氢硫辛酸
HS
E2
二氢硫辛酸脱氢酶
FADH 2
E3
FAD
5 、琥珀酰COA转化成琥珀酸，并产生 GTP（琥珀酰COA 合成酶）
S COA
GDP+Pi
C=O
CH2 CH2
COOH
GTP+HSCOA
COOH CH2 CH2 COOH
❖ TCA中唯一底物水平磷酸化直接产生高能磷酸化合物的步骤
❖ 产生一个高能磷酸键，哺乳动物中形成一分子GTP，植物和 微生物中直接形成ATP
柠檬酸循环
一. 由丙酮酸形成乙酰CoA 二. 三羧酸循环的过程 三. 三羧酸循环的化学计量 四. 三羧酸循环的回补反应 五. 三羧酸循环的调控 六. 三羧酸循环的生物学意义
一、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：
丙酮酸+CoASH+NAD+
2、磷酸化和去磷酸化作用的调节：丙酮酸脱氢酶组分 E1的磷酸化状态无活性，反之有活性。其磷酸化受E2 上结合的激酶和磷酸酶作用。Ca2+通过激活磷酸酶， 使丙酮酸脱氢酶组分活化。
E 激酶
2 磷酸酶
Ca2+激活
使E1磷酸化（无活性形式） 使磷酸化的E1去磷酸化（有活性形式）
二 TCA循环的过程
三羧酸循环
SCOA
C=O CH2 +NADH+H+ +CO2 CH2 COOH
❖ α-酮戊二酸脱氢酶复合体（受产物琥珀酰-CoA和NADH抑制，受高能荷抑 制）与丙酮酸脱氢酶复合体相似
➢α-酮戊二酸脱氢酶E1（不受磷酸化和去磷酸化调节） ➢氢硫辛酰转琥珀酰酶E2 ➢二氢硫辛酰脱氢酶E3 ➢辅助因子：TPP、硫辛酸、CoA、FAD、NAD+、Mg2+
❖ 开始四碳酸之间的转变
7 、 延胡索酸被水化生成L-苹果酸（延 胡索酸酶）
COOH
COOH
CH
延胡索酸酶 HO-CH
CH +H2O
H-C-H
COOH
COOH
8 、 苹果酸脱氢生成草酰乙酸（苹果酸 脱氢酶）
COOH HO-CH
H-C-H +NAD+
COOH
COOH C=O +NADH+H+ CH2
-OAs
O HO H
亚砷酸
H
+
S 二HS氢硫辛R酰胺
H
R-As=O
+
S H
有机砷化物 S
R
S
-OAsபைடு நூலகம்
S
+ 2H2 RO
S
RAs
S
+ H2O R
丙酮酸脱氢酶复合体的调控
由丙酮酸到乙酰CoA是一个重要步骤，处于代谢途径 的分支点，所以此体系受到严密的调节控制：
1、产物抑制：受乙酰CoA和NADH的控制。乙酰CoA 抑制转乙酰基酶E2组分，NADH抑制二氢硫辛酰脱 氢酶E3组分。抑制效应被CoA和NAD+逆转。