王镜岩-生物化学-第23章_柠檬酸循环

2 延胡素酸 2 草酰乙酸
2 FADH2 3 2 NADH 5
• Total 25 ATP
丙酮酸只有4个氢， 但彻底氧化所放出的氢？ 6个H
加水加氢
糖酵解+三羧酸循环的效 率
糖酵解
1G → 2ATP+2NADH+2H++2丙酮酸
→ 7ATP
三羧酸循环 2丙酮酸 → 25ATP
———————————————————————
3.α—酮戊二酸脱氢酶系 抑制剂：ATP、 NADH、琥珀酰CoA 激活剂：AMP 、 ADP、Ca2+
乙酰CoA的主要来源和去路
糖原 G
三脂酰甘油 FA、甘油 乙酰CoA
蛋白质 氨基酸
胆固醇、FA 三羧酸循环 酮体
六、柠檬酸循环的生物意义
（ 1） 是好氧生物体内最主要的产能途径！ （2） 是脂类、蛋白质彻底分解的共同途径！ （3） 提供合成其他化合物的碳骨架
4、可逆磷酸化作用的调节：丙酮酸脱氢酶E1的磷酸化状 态无活性，反之有活性。
5、Ca2+激活
二、柠檬酸循环概貌
Citric Acid Cycle
三羧酸循环概况
丙酮酸 H3C CO COOH
NAD+
CoASH
+ NADH + H
(1)
CO 2
• (4)(7)(8)(10)
• 产能步骤 • 2NAD(P)H
O CH3C S
HS
乙酰二氢硫辛酸
E (CH2)4CO2OE2
(CH2)4COOHS
二氢硫辛酸
HS
硫辛酸乙酰转移酶
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
COA
2CO2
柠檬酸
异柠檬酸
琥珀酰 辅酶A
a-酮戊二酸
四、柠檬酸循环的化学计量
2 丙酮酸
2 acetyl-CoA
2 NADH 5
2 异柠檬酸
2α-酮戊二酸
2 NADH 5
2α-酮戊二酸 2 琥珀酰-CoA
2 NADH 5
2 2 琥珀酰-CoA底物磷酸化 2琥珀酸2 A/GTP
2
2琥珀酸 2苹果酸
多酶复合体位于线粒体内 原核细胞在胞液中
丙 酮
三种酶
酸脱
E1-丙酮酸脱氢／羧酶（组分） E2-二氢硫辛酰转乙酰基酶 E3-二氢硫辛酸脱氢酶
氢 酶 系
六种辅助因子
TPP、硫辛酸、 CoA-SH、FAD、NAD+、 Mg2+
丙酮酸脱氢酶复合体
E3 E1
E2
三种酶 60条肽链形成 的复合体
八聚体
乙酰CoA
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
FAD
CH(OH)COOH (1) 丙酮酸脱氢酶复合体
琥珀酸H2C COOH
C H2
COOHGTP
NAD(P)+
NAD(P)H+H+ (4)
(2) 柠檬酸合成酶 (3) 顺乌头酸酶 (4)(5)异柠檬酸脱氢酶
CoASH
(7) GDP+Pi
CH 2COOH CHCOOH
(6) α-酮戊二酸脱氢酶复合体
琥珀酰
H
2
O
CO~SCoA CH 2
CH 2
CoACOOH
NADH CO
2
+
+ H
NAD+
CH2COOH COCOOH
CH 2
(5) 草酰琥珀酸
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：乙酰CoA抑制乙酰转移酶E2组分，NADH 抑制二氢硫辛酸脱氢酶E3组分。抑制效应被CoA和 NAD+逆转。
2、核苷酸反馈调节：丙酮酸脱氢酶E1受GTP抑制，被 AMP活化。
3、砷化物与E2中的辅基硫辛酰胺形成无催化能力的砷化 物。
COOH
COOH
HO- CH
NAD+ NADH+H+
H+
CO
CH-COOH CH2
Mg 2+
CH-COOH CH2
COOH
COOH
草酰琥珀酸
△G0'= -20.9 kJ/mol
COOH
CO2
CO CH2 CH2 COOH
α -酮戊二酸
TCA中第一次氧化作用、脱羧过程
异柠檬酸脱氢酶为第二个调节酶
苹果酸
速率受细胞能量状态、生物 合成需求调节
2 ATP、NADH
异柠檬酸
抑制 ADP、Ca2+激
活
延胡索酸
琥珀酸
琥珀酰 辅酶A
a-酮戊二酸
3 ATP、NADH 琥珀酰-CoA抑制 ADP、Ca2+激活
限速酶： 1.柠檬酸合酶
变构抑制剂：ATP、NADH、琥珀酰CoA AMP可解除抑制
2.异柠檬酸脱氢酶 变构抑制剂：ATP、NADH 变构激活剂： ADP
NH2
N
N
CH3
O
O
N
N
CO CH2 CH2 NH CO CH C CH2O P O P O CH2
NH
CH2 CH2
S O C CH3
OH CH3
O
O-
O
O
O- P O
OH
O-
β -巯基乙胺
泛酸
AMP
乙酰CoA
硫辛酸：
SS
H2C
CH
C
H2
(CH2)4 COOH
硫辛酰胺辅基 硫辛酰赖氨酰臂
砷化物共价结合-毒害作用
草酰乙酸
CH3CO~SCoA 乙酰 CoA
• 1FADH2
OC COOH
(10) C COOH
H
H2
L-苹果酸HOC COOH NADH+H+
(2)
C COOH
H 2O (9) H2
NAD+
H2O CoASH
HC COOH
延胡索酸 C COOH
H
(8) FADH2
• 1GTP
• (1)(6)-产能脱碳
8、 L-苹果酸脱氢形成草酰乙酸 Oxidation of Malate to Oxaloacetate
被草酰乙酸与乙酰CoA缩合（高度放能）反应所推动 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，
ຫໍສະໝຸດ Baidu
通过一个循环，可以认为乙酰
6 、琥珀酸脱氢生成延胡索酸
嵌入线粒体内膜
COOH CH2 CH2
COOH
琥珀酸脱氢酶 CH
+FAD
HC +FADH2
COOH
COOH
TCA中第三次氧化的步骤 丙二酸为该酶的竞争性抑制剂 开始四碳酸之间的转变
琥珀酸脱氢酶位于线粒体内膜 具有立体专一性
7 、 延胡索酸被水化生成苹果酸 （延胡索酸酶）
• 在好氧真核生物线粒体基质或好氧原核生 物细胞质中，酵解产物丙酮酸脱羧、脱氢， 彻底氧化为CO2、H2O并产生ATP的过程。
真 核 生 物
基质
（线粒体）
线粒体
细胞质 原核细胞
一、丙酮酸氧化脱羧形成乙酰-CoA
Pyruvate Is Oxidized to Acetyl-CoA and CO2
丙酮酸脱氢酶系
O C-CH3
S-COA
柠檬酸 合酶
C-SCOA
CH2 HO-C-COO-
CH2 COO-
单向不可逆
H2O
可调控的限速步骤
COO- COA
氟乙酰CoA导致致死 常作为杀虫药（与顺 乌头酸酶结合）
CH2 HO-C -COO- + HS-COA+H+
CH2
COO- 三羧酸
柠檬酸合酶是变构酶
α -酮戊二酸
谷氨酸
草酰乙酸
天冬氨酸
琥珀酰CoA
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(anaplerotic reaction)。
1、丙酮酸羧化(动物体内的主要回补反应)
生物素Mg2+
在线粒体内进行
草酰乙酸或循 环中任何一种 中间产物不足
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+CoA+NAD+ 乙酰CoA+ C2O+NADH+H+
反应不可逆，分5步进行，由丙酮酸脱氢酶 复合体催化。
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E1、二氢硫辛酸乙 酰转移酶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, NAD+,CoA 及Mg2+六种辅助因子组装而 成。
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
COOH
TCA中第四次氧化的步骤，最后一步。
被草酰乙酸与乙酰CoA缩合（高度放能）反应所推动
COO-
CH2 HO-C -COO-
CH2 COO-
H2O
COOCH H2O C -COOCH2 COO-
COO-
HO- CH CH-COOCH2 COO-
柠檬酸
顺乌头酸
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
乌头酸酶中的（Fe-S）蛋白
3 、由异柠檬酸氧化脱羧生成 α-酮戊二酸（异柠檬酸脱氢酶）
三羧酸到二羧酸的转变
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
SCOA
CO CH2 +COASH+NAD+ CH2 COOH △G0' = -33.5 kJ/mol
CO CH2 +NADH+H+ +CO2 CH2 COOH 高能硫酯化物
TCA中第二次氧化作用、脱羧过程
S COA GDP+PiGTP+HSCOA
CO
COOH
CH2
CH2
CH2
CH2
COOH
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
GTP+ADP
哺乳动物— GDP+ATP GTP/ATP
底物磷酸化
植物、微生物—
• GTP参与蛋白质合成 • G蛋白活化（信号传导） • GTP+ADP 核苷二磷酸激酶 GDP+ATP
第23章 柠檬酸 循环
糖的有氧氧化（aerobic oxidation）
• 反应过程：
O2
O2
O2
O2 H++e
H2O
G
G-6-P PA
PA 乙酰CoA
CO2
胞液
线粒体
糖有氧氧化的反应过程
分三个阶段：
– 糖酵解途径：葡萄糖 丙酮酸
– 丙酮酸
乙酰CoA
– 三羧酸循环和氧化磷酸化
柠檬酸循环（Citric Acid Cycle) 三羧酸循环 （Tricarboxylic Acid Cycle ） Krebs循环
α-酮戊二酸脱氢酶复合体与丙酮酸脱氢酶复合体相似
α-酮戊二酸脱氢酶E1 NAD为辅酶，需Mg2+（线粒体
琥珀酰转移酶E2
NADP为辅酶（胞质也有）
二氢硫辛酸脱氢酶E3 、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）
变构抑制剂：ATP、NADH、 琥珀酰CoA、酯酰CoA
AMP可解除抑制
O
氟HS乙酰辅酶A ：底物，形
FHC2CH3
C～SCoA + 成氟柠L 檬酸，不能往下反 应HS，称致死性合成
O
HS
CH3CCHO3 C～SCoA + L HS
丙酮酰-CoA：竞争性抑制剂
2、柠檬酸异构化成异柠檬酸 （顺乌头酸 酶）
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
三、柠檬酸循环历程
Reactions of the Citric Acid Cycle
1 、乙酰COA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸 O
COO-
C=O CH2 + COO-
TCA循环 速度降低
产生更多的草酰乙酸
乙酰-CoA 浓度增加
高水平的乙酰CoA激活
丙酮酸羧化酶
2、PEP羧化（在植物、酵母、细菌）
反应在胞液中进行
3、苹果酸脱氢
丙酮酸
苹果酸
4、氨基酸转化
天冬氨酸
α-酮戊二酸
草酰乙酸 谷氨酸
五、柠檬酸循环的调控
乙酰辅酶A 草酰乙酸
2CO2
柠檬酸
1 ATP、NADH 琥珀酰-CoA抑制
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
+ 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
丙酮酸氧化脱羧的调控
功能——
脱羧酶辅酶
将底物移入
+
（出）脱羧
酶的活性中
心。
TPP的 作用
Ⅰ.丙酮酸脱氢酶复合体
E1
E3
E2
三种酶
60条肽链形 成的复合体
丙酮酸
CO2
CH3 CO
丙酮酸脱羧酶
CH3 HC OH
(CH2)4COOS
TPP
E1
S
硫辛酸
TPP
二氢硫辛酸脱氢酶
FADH2
+ NAD
E3
FAD
NADH+H+
COO H
32ATP
• 储能效率=32 ×7.3/686= 34.05 %
其余能量以热量形式： 一部分维持体温，一部分散失。
总反应式
注意： 每次循环的CO2直接来自草酰乙酸
而不是乙酰CoA
但净结果是氧化了1分子乙酰CoA
补充：柠檬酸循环的回补反应
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，