16[1].柠檬酸循环

琥珀酸脱氢酶具有立体专一性
延胡索酸
马来酸
TCA 循 环 小 结 总 图
TCA
10 ATP
TCA
3-NADH+H+ (2.5ATP)
循 环 小 结 总 图
FADH2 (1.5ATP)
CO2
葡萄糖分解的能量代谢
葡萄糖（胞液） -2ATP 4ATP 2(NADH+H+) 2×丙酮酸（胞液） 2×丙酮酸（线粒体） NADH+H+ 2×乙酰CoA 3(NADH+H+) TCA FADH2 GTP CO2 2
尽管O2没有直接参与柠檬酸循环，但没有O2 的存在，柠檬酸循环就不能进行，为什么？
三羧酸循环特点:
一次底物水平磷酸化： 每循环一次，底物水平磷酸化 一次生成1GTP(ATP)； 二次脱羧：每一次循环经历两次脱羧，放出2CO2; 三个不可逆反应： 四次脱氢：每一循环经历四次脱氢，其中3次以NAD+ 为氢受体，1次以FAD为氢受体；
Krebs于1937年 提出TCA循环， 1931年提出氨基 酸代谢的鸟氨酸 循环。
柠檬酸循环概貌
柠檬酸循环反应过程
限速酶
柠檬酸合酶
*
+
草酰乙酸
乙酰CoA
⑴ H2O HSCoA 柠檬酸 顺乌头酸酶
氟乙酸（有毒植物叶）氟乙 酰CoA 致死性合成氟柠檬酸 抑制后一步酶的反应(灭鼠药)
限速酶
三点附着学说
CO2来自草酰乙酸而不是乙 酰CoA，但净结果是氧化 了1分子乙酰CoA p296 习题
TCA的物质变化
乙酰CoA→CO2总的反应式为： 乙酰CoA + 2H2O + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi 2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP+HSCoA
乙醛酸体 (glyoxysome)中进行
乙醛酸循环的生物学意义
COOH C O CH3
丙酮酸脱氢酶系
*
+CO2
丙酮酸
NAD+ +CoA-SH
NADH+H+ 乙酰-CoA
丙酮酸脱氢酶系（pyruvate dehydrogenase complex，PDH complex）是糖有氧氧化途径的关 键酶之一，反应不可逆。 丙酮酸脱氢酶系由三种酶单体构成： 丙酮酸脱氢酶组分（E1）（TPP） 二氢硫辛酸乙酰基转移酶（E2）（硫辛酸） 二氢硫辛酸脱氢酶（E3）（ FAD） 该多酶复合体还需两种底物： CoA-SH和NAD+
PDH复合物的活性调节
磷酸化和去磷酸化的共价调节
受蛋白激酶（磷酸化，失活）和磷酸酶（去磷酸化， 激活）控制；
E1分子上的Ser-OH被磷酸激酶催化磷酸化而失去活性，一旦磷 酸基团被磷酸酶催化水解（去磷酸化）可恢复活性。
受效应物调节
三羧酸循环——糖的最后氧化途径
三羧酸循环（Tricarboxylic acid circle，简写为 TCA循环）：在线粒体中，乙酰CoA与草酰乙酸缩合 生成柠檬酸，然后经过一系列的反应，乙酰基被氧化分 解，而草酰乙酸再生的循环反应过程。 因为在这个循环中几个主要的中间代谢物是含有三个羧 基的有机酸，所以叫做三羧酸循环； 又由于第一个生成物是柠檬酸，因此称为柠檬酸循环； 也以发现者Krebs命名为Krebs循环。
生物化学
第16章 柠檬酸循环
糖的有氧氧化
定义：葡萄糖在有氧的条件下彻底氧化生成CO2、 H2O和大量ATP的代谢过程，称为糖的有氧氧化。 C6H12O6 + 6O2 6 CO2 + 6 H2O + 36/38 ATP
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。 反应部位： 细胞质和线粒体
TCA循环在合成代谢 中的作用
利用代谢调节生产发酵产品 柠檬酸发酵原理 1. 阻断顺乌头酸酶催化的反应

Pyr
可以使用针对顺乌头酸酶
百度文库
的抑制剂 通过诱变使生产菌种顺乌 头酸酶缺失或活力很低 2. 强化草酰乙酸回补途径
我国生物化工行业规模最大的柠檬酸生产企业，亚洲最 大的柠檬酸生产和出口基地，柠檬酸生产能力达18万吨, 居世界第一，占世界柠檬酸生产份额的17。
1
糖 代 谢 调 节
1
三羧酸循环中草酰乙酸的来源
回补反应anaplerotic reaction 1、丙酮酸羧化
生物素、Mg2+
2、PEP羧化（大脑和心脏）
PEP羧激酶
3、Asp脱氨
Asp
草酰乙酸
回补反应总表
三羧酸循环的生理意义
• 1.三羧酸循环基本生理功能是氧化供能：
三羧酸循环中只有一个底物水平磷酸化反应生成高 能磷酸键。循环本身并不是释放能量、生成ATP的主 要环节。其作用在于通过4次脱氢，为氧化磷酸化反应 生成ATP提供还原力。
GDP+Pi ⑸ HSCoA+GTP
琥珀酸脱氢酶 ⑹ 延胡索酸 FADH2 丙二酸 FAD
抑制剂
琥珀酸
延胡索酸酶 ⑺ 延胡索酸 H2O NAD+ ⑻ NADH+H+ 苹果酸脱氢酶 苹果酸
草酰乙酸
草酰乙酸
柠 檬 酸 合 酶
酶构象 结合草酰乙酸的构象
•催化TCA的第一步反应，不可逆。 •是TCA的一个限速酶，活性受ATP、NADH、琥 珀酰CoA及长链脂肪酰CoA的抑制。 •AMP可解除抑制
有氧氧化的反应过程
糖的有氧氧化代谢途径可分 为四个阶段： 葡萄糖酵解 丙酮酸氧化脱羧 三羧酸循环 呼吸链的氧化磷酸化
Glc 丙酮酸 胞质 1
丙酮酸 线粒体 乙酰CoA 2
TCA循环 H2O [O] ATP ADP NADH+H+ FADH2 呼吸链 4 CO2
3
丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA
• 丙酮酸经线粒体内膜上特异载体转运进入线粒体， 在丙酮酸脱氢酶系(pyruvate dehydrogenase complex) 的催化下氧化脱羧生成乙酰CoA 。
甘油磷酸 穿梭系统 苹果酸 穿梭系统
2×1.5 2×2.5
呼吸链，进行 氧化磷酸化
3或5
2×4×2.5=20 2×1.5=3 2
1分子葡萄糖彻底氧化共产生30或32个ATP
甘油磷酸穿梭系统图
苹果酸穿梭系统图
碳原子的去向
• 乙酰CoA进入三羧酸循环释放两个CO2 ，分别在三羧酸 循第三步和第四步的氧化脱羧反应 但经同位素标记实验发现，三羧酸循环中释放的两 个CO2中的碳原子并不是直接来自进入循环的乙酰辅酶 A，而是原先草酰乙酸中的两个碳原子。
碳原子的去向
• 乙酰CoA进入三羧酸循环释放两个CO2 ，分别在三羧酸 循第三步和第四步的氧化脱羧反应
这是由于顺乌头酸酶与底物以特 殊方式结合，酶催化了不对称反 应。
顺乌头酸酶的催化作用
柠檬酸投影式
a键垂直并伸向 b键垂直并伸向 平面里 平面里 pro-S pro-R S: sinister R: rectus 原/前手性（pro-chiral)
• 2. 三羧酸循环是三大营养素的最终代谢通路：
糖、脂肪、氨基酸在体内进行生物氧化都将产生乙 酰CoA，然后进入三羧酸循环进行降解。
三羧酸循环是三大营养素的最终代谢通路
糖原 Glc 三脂酰甘油 FA、甘油 乙酰CoA 三羧酸循环 胆固醇，酮体 NADH/ FADH CO2 蛋白质 氨基酸
H2O
• 3. TCA是糖、脂肪、氨基酸代谢联系的枢纽：
• 糖转变成脂肪：在能量供应充足的条件下，从食物摄取 的糖相当一部分转变成脂肪储存。 • 三羧酸循环中的羧酸可用于合成一些非必需氨基酸如天 冬氨酸、谷氨酸等。 • 琥珀酰CoA可用以与甘氨酸合成血红素； • 乙酰CoA是合成胆固醇的原料。 因而，三羧酸循环在提供生物合成的前体中起重要作用。
4. 许多氨基酸的碳骨架是TCA的中间产物，通过草 酰乙酸等可转变为葡萄糖（参见糖异生）
三羧酸循环小结 三羧酸循环小结
①真核生物发生在线粒体，原核生物发生在胞质。为不可逆反 应，三个限速酶（柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、-酮戊二 酸脱氢酶系） ② 1分子乙酰-CoA经TCA两次脱羧反应，生成2分子CO2，循 环的中间产物既不能通过TCA生成，也不被TCA所消耗。 ③循环中有4次脱氢反应（生成3 NADH和1 FADH2）；一次 底物水平磷酸化（生成1 GTP（ATP））。每完成一次循 环，1分子乙酰-CoA可氧化生成10 ATP ④ TCA循环中碳骨架的不对称反应，用同位素标记乙酰CoA 碳原子，发现乙酰CoA从碳骨架的一端掺入，而从另一端 发生脱羧反应，反应是不对称的。
CO2 1. -羟乙基TPP的生成 NADH+H+ 5. NADH+H+ 的生成 NAD+ 2.乙酰硫辛酰 胺的生成
CoASH 3.乙酰CoA 的生成
4. 硫辛酰胺的生成
乙酰CoA的形成
此反应是一个不可逆反应，可分5步进行： ① 丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP； ②二氢硫辛酰转乙酰基酶催化羟乙基氧化为乙酰基，并转移 给硫辛酰胺形成乙酰硫辛酰胺； ③二氢硫辛酸转乙酰酶催化乙酰硫辛酰胺上的乙酰基转移给 CoA生成乙酰CoA； ④二氢硫辛酸脱氢酶催化二氢硫辛酰胺的再氧化，并将氢交 给FAD生成FADH2-E； ⑤ NADH+被FADH2还原，得到NADH。
⑵
* 异柠檬酸脱氢酶
-酮戊二酸 ⑶ NADH+H++CO2 NAD+ 异柠檬酸
限速酶
α-酮戊二酸脱 氢酶系 ⑷ - 酮戊二酸 NAD+ +HSCoA
*
NADH+H+ +CO2
琥珀酰CoA 琥珀酰CoA 合成酶
底物水平磷酸化
E1：-酮戊二酸脱氢酶 E2：二氢硫辛酰转琥珀酰酶 E3：二氢硫辛酸脱氢酶
乙醛酸循环——三羧酸循环支路
• 植物细胞内乙酰 CoA在乙醛酸体内 生成琥珀酸、乙醛 酸和苹果酸
草酰乙酸
柠檬酸 异柠檬酸 苹果酸 合酶 乙醛酸 异柠檬酸 裂解酶
• 因为以乙醛酸为 中间代谢物，故 称乙醛酸循环。
象在三羧酸循环 中异柠檬酸与苹 果酸间搭了一条 捷径。
苹果酸
只 有 一 次 脱 氢
乙醛酸循环
顺乌头酸酶 的铁硫中心
氟柠檬酸
经顺乌头酸生成异柠檬酸
TCA的第一次氧化脱羧
NAD为辅酶，需Mg2+（线粒体） 异柠檬酸脱氢酶
别构酶，ATP及NADH对酶有抑制作用
NADP为辅酶（胞质、线粒体）
包括三个酶组分： 1）-酮戊二酸 dHE(E1’) 2） 琥珀酰转移酶(E2’) 3） 二氢硫辛酸dHE(E3’) 3种辅助因子：TPP, FAD, Lipoic acid(Lipoamide) 该酶也是调节酶，受产物NADH, succinyl CoA抑制； ATP、 GTP对酶有反馈抑制；不受磷酸化的共价调节。
丙酮酸脱氢酶复合体的组成
八聚体 丙酮酸脱氢酶复合体
硫辛酰胺辅基
砷化物对硫辛酸的毒害作用 亚砷酸盐和有机砷化物与E2上的 硫辛酰胺上的-SH结合，使酶失 去催化能力。
有机砷化物对微生物的 酶的毒害比人类更大， 过去曾将砷化物作为抗 菌药物用于治疗锥虫病
硫辛酰赖氨酰臂 与二氢硫辛酰转乙酰基酶的Lys残基相连
丙酮酸脱氢 酶复合体
柠檬酸合酶
TCA 循 环 的 调 节
-酮戊二酸脱氢酶系 异柠檬酸脱氢酶
有氧氧化的调节
① 酵解途径：己糖激酶 关 键 酶 磷酸果糖激酶 丙酮酸激酶 ② 丙酮酸的氧化脱羧：丙酮酸脱氢酶复合体 ③ 三羧酸循环：柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氢酶 α-酮戊二酸脱氢酶复合体
糖 代 谢 调 节
丙氨酸 苏氨酸 甘氨酸 丝氨酸 半胱氨酸
柠檬酸循环 CoASH 柠檬酸 乙酰CoA 异柠檬酸
精氨酸 组氨酸 谷氨酰胺 脯氨酸 谷氨酸 异亮氨酸 甲硫氨酸
丙酮酸
草酰乙酸
乙酰乙酰CoA 天冬酰胺 苯丙氨酸 酪氨酸 亮氨酸 赖氨酸 色氨酸 谷氨酰胺
α-酮戊二酸
缬氨酸
琥珀酰CoA 苹果酸 三羧酸循环 延胡索酸
苯丙氨酸 酪氨酸
5. TCA循环的双重作用
TCA循环不仅是产生ATP的途径，其产生的中间物也 是生物合成的前体，具有分解代谢和合成代谢双重性。这 些中间物必需不断补充才能保证TCA循环的正常进行。对 柠檬酸循环中间产物有补充作用的反应称为回补反应。
The citric acid cycle is ampibolic.
• GTP参与蛋白质合成 • G蛋白活化（信号传导） • GTP+ADP GDP+ATP
哺乳动物—GTP 植物、微生物—ATP
琥珀酸脱氢酶（Succinate dHE）
丙二酸
琥珀酸
丙二酸（malonate）是酶的竞争性抑制剂
琥珀酸脱氢酶（Succinate dHE）
• 催化琥珀酸生成延胡索酸，H受体是FAD， FAD 与酶共价连接。琥珀酸dHE是TCA中唯一一个掺 入线粒体内膜的酶（真核生物）（原核生物参入 质膜），直接与呼吸链相连。