生物化学 第23章 柠檬酸循环

第23章柠檬酸循环
三羧酸循环——糖的最后氧化途径
三羧酸循环（tricarboxylic acid circle),又称柠檬酸循环，Krebs循环，简又称柠檬酸循环Krebs循环简
写为TCA循环；是在有氧条件下，将酵解产
生的丙酮酸氧化脱羧成乙酰C A再经系生的丙酮酸氧化脱羧成乙酰CoA，再经一系列氧化，脱羧，最终生成二氧化碳和水并产生能量的过程。

三羧酸循环
•三羧酸循环的发现历史及实验依据
1.发现历史
2.实验依据
•丙酮酸(C3)氧化脱羧生成乙酰CoA(C2)
1.场所及酶
2.不可逆的关键步骤。

•三羧酸循环的过程
1.生成六碳三羧酸阶段(TCA1.mov)
2.生成四碳二羧酸阶段(TCA2.mov)
3.草酰乙酸的再生阶段(TCA3.mov)
•丙酮酸经三羧酸循环化学物质变化的结算•葡萄糖完全氧化时能量变化的结算(TCA4.mov)羧酸循环的意义
•三羧酸循环的生理意义
三羧酸循环发现的历史
(1)Albert Szent Gyorgyi观察用丙酮
()
酸与肌肉组织一起在有氧条件下保温，丙酮酸可以被彻底氧化，生成二氧化碳和水。

因此认为葡萄糖或糖原的有氧分解也循着糖酵解途径,有氧分解可以说是无氧分解的继续。

(2) H.Krebs通过总结大量的实验结果，认为糖的氧化过程不是直线进行的，而是以认为糖的氧化过程不是直线进行的而是以循环方式进行。

于是他1937年提出了三羧酸循环假设并用实验证明了三羧酸循环的存在。

循环假设并用实验证明了三羧酸循环的存在
三羧酸循环的实验依据
•1)Krebs首先证实六碳三羧酸(柠檬酸、顺乌头酸、异柠檬酸)和α-酮戊二酸，以及四碳二羧酸(琥珀酸、延胡索酸、苹
)
果酸、草酰乙酸)都能强烈刺激肌肉中丙酮酸氧化的活性，氧的消耗。

说明这些化合物都是丙酮酸氧化途径中的中间产合物是酸氧途中的中间产物。

•2)Krebs还发现在肌肉糜悬浮液加入丙二)
酸，有抑制丙酮酸氧化的作用，而且在肌肉糜悬浮液有琥珀酸的积累。

说明丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。

三羧酸循环的实验依据
•在被丙二酸抑制的肌肉糜悬浮液中直接加入六碳三羧酸或α-酮戊二酸等有机酸，同样有琥珀酸的积累。

说明在丙酮酸氧化途径中，上述物质都可转化成琥珀酸。

•在被丙二酸抑制的肌肉糜悬浮液中直接加入琥珀酸脱氢酶催化反应的产物如延胡索酸、苹果酸、草酰乙酸等有机酸，也可以引起琥珀酸的积累。

说明另有一条途径氧化生成琥珀酸，因此Krebs提出了环状氧化的概念
糖
酵的
有
解
偶氧
联
氧
化
—
三羧
酸
——循
环
COCOOH)+CoA SH+NAD 第一阶段
丙酮酸(CH 3COCOOH)+CoA-SH+NAD +
→乙酰CoA(CH 3CO~SCoA)+CO 2+NADH+H +
场所:
真核细胞的线粒体基质
丙酮酸脱羧酶—
丙酮酸脱
氢酶复合
体E1二氢硫辛酸乙酰转移酶—E2—体:二氢硫辛酸脱氢酶E3
丙酮酸脱氢酶复合体催化的反应（五个辅酶激活氧化脱羧反应调节
（五个辅酶，Mg2+激活，氧化脱羧反应。

调节酶，限速步骤。

）
乙酰～SCoA结构示意图
丙酮酸脱氢酶复合体催化的反应
砒霜中毒
三羧酸循环过程
三羧酸循环过程
（成三羧酸循环的各步反应（柠檬酸合成酶催化，不可逆，限速步骤。

别构酶，受产物ATP NADH C A ATP,NADH 反馈抑制及其它琥珀酰CoA,长链脂
酰CoA 抑制。

）
三羧酸循环的各步反应（顺乌头酸酶催化，具几何异构专一性。

三羧酸循环的各步反应（异柠檬酸脱氢酶，氧化脱羧。

调节酶。

脱的碳不是乙酰COA 上
的碳，而是草酰乙酸上的碳1。

）
a 三羧酸循环的各步反应（a-酮戊二酸脱氢酶系，五个辅酶，镁离子激活。

不可逆，限速步骤氧化脱羧产生个高能键脱的碳不是步骤。

氧化脱羧。

产生一个高能键。

脱的碳不是乙酰COA 上的碳，而是草酰乙酸上的碳4。

为调
节酶）节酶。

）
三羧酸循环的各步反应（琥珀酸硫激酶。

产生1个GTP 和水。

琥珀酸为一对称分子。

四个
碳为草酰乙酸两个和乙酰COA 两个）
（琥珀酸脱氢酶
三羧酸循环的各步反应（琥珀酸脱氢酶，氧化反应。

延胡索酸为反式。

）
三羧酸循环的各步反应（延胡索酸酶，具几何异构专一性。

L-苹果酸。

含羟基的两个碳
为乙酰COA 的碳。

）
三羧酸循环的各步反应（苹果酸脱氢酶。

氧反应生草酰酸酰中的个碳氧化反应。

再生草酰乙酸。

乙酰COA 中的两个碳变成新的草酰乙酸的3，4位碳，上次草酰乙酸的位碳）
2，3位碳变成新的草酰乙酸的1，2位碳。

）
三羧酸循环的各步反应
物质变化
总的反应式为：
丙酮酸→CO
2
CH3COCOOH+2H2O+4NAD++FAD+GDP+Pi
3CO2+4NADH+4H++FADH2+GTP 碳原子
氧原子
氢原子
水分子
GDP+Pi
(即在第五步发生底物水平磷酸化反应)
碳原子的去向
•形成乙酰CoA时生成一个CO 2释放。

•乙酰CoA进入三羧酸循环释放两个CO2，分
别在三羧酸循第三步和第四步反应
但经同位素标记实验发现，三羧酸循环中释
放的两个CO
2中的碳原子并不是直接来自进入循
环的乙酰基，而是原先草酰乙酸中的两个碳原子。

这是由于酶与底物以特殊方式结合，经酶催化进行了不对称反应
催进行了不对称反。

碳原子的去向
氧原子的来源
的六个氧原子来自:
释放出的三个CO
2
•丙酮酸中的三个氧原子
•三羧酸循环中消耗两个水分子中的
两个氧原子
O时产生的一个•在GDP+Pi→GTP+H
2
水分子中的一个氧原子
氢原子的来源与去向
来源:
丙酮酸中的两对氢原子、消耗两个水分子中的
O时产生的一个两对氢原子、GDP+Pi→GTP+ H
2
水分子中的一对氢原子
中的
去向:
•形成乙酰CoA时，一对氢原子给了受氢体NAD+
•在三羧酸循环第三步、第四步和第八步反应中有
三对氢原子分别给了受氢体NAD+
•在三羧酸循环第六步反应中有一对氢原子给了受
氢体FAD
水分子的产生和消耗
产生:
O反应产生一个水分子GDP+Pi→GTP+ H
2
消耗:
水解一步反应中，乙酰CoA的高能硫酯键水解•第一
水合反应
七步反应中，延胡索酸的水合
•第七
水解•第五
五步反应中，琥珀酰CoA的高能硫酯键水解
能量变化
•三羧酸循环是葡萄糖完全
•氧化的前奏
经氧化磷酸化过程后葡萄糖完全氧
化的能量变化
能量变化(1)
糖酵解途径（胞浆）
•葡萄糖→2丙酮酸
C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi
→2CH COCOOH+2H O+2NADH++2H++2ATP C3COCOO2O N
能量变化(2)
22C A（）•2丙酮酸→2乙酰CoA（线粒体基质）2CH3COCOOH +2CoA-SH+2NAD +2CH3CO~SCoA+2CO +→2CH3CO SCoA+2CO 2+2NADH+2H
能量变化(3)
•三羧酸循环：
2乙酰CoA→4CO
（线粒体基质）
2
2CH CO~SCoA+4H O+6NAD++2FAD+2GDP+2Pi
C3CO SCo2O6N G
→4CO2+2CoA-SH＋6NADH+6H++2FADH2+2GTP 有氧氧化能量变化
2分子ATP和2分子GTP(底物水平磷酸化反应形成)
NADH+H
胞浆中2（NADH +H+）
中
线粒体中8（NADH +H+）和2 FADH
还原型辅酶或辅基必须通过电子传递系统和氧化磷酸
化系统被分子氧氧化成水
能量变化（4）P/O比值指每消耗一原子O，掺入有机物的无机P的摩尔数，常作为氧化磷酸化的指标。

当电子进入呼吸链的复合物I，1/2 O 2还原为H 2O时，ATP合成的比率（P/O）为NADH +H + 2.5，所以：25
(氧化) 2.5个ATP
(5)能量变化()
当电子进入呼吸链的CoQ，1/2 O 2还原为H 2O时，ATP合成的比率（P/O）为1.5，所以：FADH 2
15
(氧化) 1.5个ATP
能量变化(6)
GTP ATP
•其反应方程式为：
GTP+ADP→GDP+ATP
每分子葡萄糖氧化成CO+H O时合成的ATP
22
底物水平磷酸化：4ATP
+胞浆2NADH+2H+氧化：3或5ATP
+
8NADH+10H+氧化：20ATP
+
2FADH2氧化：3ATP
=30或32ATP
每分子葡萄糖氧化成CO +H O时合成的ATP 22
TCA的生理意义
•糖的有氧代谢是生物机
体获得能量的主要途径•三羧酸循环是有机物质完全氧化的共同途径
•三羧酸循环是分解代谢和合成代谢途径的枢纽
•三羧酸循环产生的CO 2，其中一部分排出体外，其余部分供机体生物合
成需要
三羧酸循环是中心代谢途径
三羧酸循环的调节
癌细胞生长繁殖中的代谢调控。