第23章 柠檬酸循环

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,
HC COOH
延胡索酸 C COOH
H
FADH 2
(8)
H2 NADH+H+
NAD+
(2)
H2O CoASH
• (1)(6)-产能脱碳
CH 2COOH
•
C(OH)COOH 柠檬酸
CH 2COOH
(3) CH2COOH 异柠檬酸
CHCOOH
2NADH + 2 CO2 •(5)-脱碳-1CO2 → 3步不可逆反应
CH2
COO-
O
=
丙酮酰-CoA CH3-C-CH2-SCo是A 另一抑制剂
2、 柠檬酸异构化成异柠檬酸（顺乌 头酸酶）
COO-
HO-CCH-C2OOCH2 COO-
H2O
COO-
CH H2O C-COO-
CH2
COO-
柠檬酸
顺乌头酸
COOHO- CH
CH-COOCH2 COO-
异柠檬酸
在pH7.0，25C的平衡态时，柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90：4：6
第23章 柠檬酸循环
在无氧条件下，葡萄糖经分解代谢形成丙酮酸，丙酮酸继续 形成乳酸或乙醇。在有氧条件下，丙酮酸可继续进行有氧分 解，最后完全氧化，形成CO2和水。此途径分为柠檬酸循环和 氧化磷酸化两个阶段。
柠檬酸循环的概念：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CO2和H2O 并产生能量的过程，称为柠檬酸循环，由于柠檬酸含三个羧基，所以亦称 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。
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)。
❖ GTP+ADP
GDP+ATP
6 、 琥珀酸脱氢生成延胡索酸（反丁烯二酸）
嵌入线粒体内膜
COOH
CH2 CH2
琥珀酸脱氢酶
+FAD
COOH CH HC +FADH2
COOH
COOH
❖ TCA中第三次氧化的步骤
COOH
❖ 丙二酸为该酶的竞争性抑制剂 CH2 ❖该酶含FAD外，还有三种铁硫聚簇，COOH 2Fe-2S， 3Fe-4S，4Fe-4S
NADH3ATP，FADH2 2ATP)
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。
四、三羧酸循环的回补反应
❖三羧酸循环不仅是产生ATP的途径，它的中间产物也 是生物合成的前体，如
α-酮戊二酸 草酰乙酸 琥珀酰CoA
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。
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+
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
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。
1GTP 1ATP。
4、循环中消耗两分子水。
5、3NADH 个GTP
7.5 ATP ，
1FADH2
1.5ATP，再加上1
6、单向进行
7、整个循环不需要氧，但离开氧无法进行。
1分子乙酰CoA通过TCA循环被氧化，可生成10分子
ATP。
若从丙酮酸开始，加上纽带 生成的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，
大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体的内容
缩写 肽链数 辅基 催化反应
丙酮酸脱氢酶
二氢硫辛酰转乙 酰基酶
E1 24
TPP 丙酮酸氧化脱羧
E2 24 硫辛酰胺 将乙酰基转移到CoA
二氢硫辛酸脱氢酶 E3 12
FAD 将还原型硫辛酰胺 转变为氧化型
Ⅰ.丙酮酸脱氢酶复合体 E1
E3 三种酶 60条肽链形
E2
成的复合体
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
❖ 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
丙酮酸 H3C CO COOH
NAD+
CoASH
+ NADH + H
(1)
CO 2
草酰乙酸
CH3CO~SCoA 乙酰 CoA
(4)(7)(8)(10)
• 产能步骤 • 2NAD(P)H • 1FADH2
OC COOH
• 1GTP
(10) C COOH
H
L-苹果酸 HOC COOH
C COOH
H 2O (9) H2
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
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
琥珀酰
H CO~SCoA 2 O CH2
CoA
源自文库
CH 2 COOH
NADH CO 2
+
+ H
NAD+
CH2COOH COCOOH
CH 2
(5) 草酰琥珀酸
COCOOH CO2
(6)
CoASH
α-酮戊二酸
(7) 琥珀酰CoA合成酶 (8) 琥珀酸脱氢酶 (9) 延胡索酸酶 (10)L-苹果酸脱氢酶
1 、乙酰-COA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸
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
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
+ 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）
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+
COOH
❖ TCA中第四次氧化的步骤，最后一步。
苹果酸
乙酰辅酶A 草酰乙酸
延胡索酸 琥珀酸
三羧酸循环的过程
❖ TCA经四次氧化，二次脱羧， 通过一个循环，可以认为乙酰CoA
2CO2
柠檬酸
异柠檬酸
琥珀酰 辅酶A
a-酮戊二酸
三、三羧酸循环的化学计量
乙酰CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+3NADH+FADH2+GTP+CoA+3H+
-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
-OAs
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。
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
（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