11第十章 三羧酸循环

异生为葡萄糖
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2. TCA循环中间产物可为脂酸合成提供原料
柠檬酸-丙酮酸循环 乙酰CoA 合成脂酸
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3. TCA循环中间产物可为非必需氨基酸合成提供碳架 谷氨酸脱氢酶 α-酮戊二酸 + NH4+ NADH + H+ 谷氨酸 NAD+
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（三）添补反应补充TCA循环中间产物

参与其他代谢途径而消耗的TCA循环中间产物必 须及时补充，才能保持TCA循环顺利进行。这类 反应被称为添补反应（anaplerotic reaction）。 最重要的添补反应是由丙酮酸羧化酶催化的，从 丙酮酸生成草酰乙酸的反应。 丙酮酸 + CO2 丙酮酸羧化酶 草酰乙酸
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（一）乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸
• 乙酰辅酶A（acetyl CoA）与草酰乙酸 （oxaloacetate）缩合成柠檬酸（citrate）； • 反应由柠檬酸合酶（citrate synthase）催 化。
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（二）柠檬酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸
• 此反应是由顺乌头酸酶催化的异构化反应。 • 由两步反应构成，(1) 脱水反应；(2) 水合反 应。
经过4次脱氢 、2次脱羧，生成4分子还原当量 （reducing equivalent）和2分子CO2，重新生成 草酰乙酸的这一循环反应过程称为三羧酸循环。
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还原当量（reducing equivalent ）
一般是指以氢原子或氢离子形式存在的
一个电子或一个电子当量。
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一、TCA循环由八步反应组成循环反应途径
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ATP
ADP + Pi

乙酰CoA是丙酮酸羧化酶的激活剂；

TCA循环中的酶促反应可以将草酰乙酸转变为其 他中间产物；
此外，可由别的途径生成一些中间产物，如： 奇数碳链脂肪酸 某些氨基酸 琥珀酰CoA α-酮戊二酸、草酰乙酸

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二、TCA循环在三大营养物质代谢中 具有重要生理意义
（一）TCA循环是三大营养物质的最终代谢 通路
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TCA循环过程中，共有4次脱氢，其中3次脱氢由 NAD+接受，1次由FAD接受。 TCA循环本身每循环一次只能以底物水平磷酸化 生成1个ATP。

TCA循环总反应式： CH3CO~SCoA + 3NAD+ +FAD + GDP + Pi + 2H2O ↓ 2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + HS~CoA + GTP
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一、TCA循环是一条“两用代谢途径”
（一）TCA循环参与合成和分解途径的组成

TCA循环在大多数生物中是分解代谢途径; 多种生物合成途径也利用TCA循环的中间产物 作为合成反应的起始物。
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（二）TCA循环中间产物是合成糖、脂肪酸和 氨基酸的前体
1. TCA循环中间产物可以异生为糖 氨基酸 TCA中间产物 草酰乙酸
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（五）琥珀酰CoA合成酶催化底物水平磷酸化 反应
• 在琥珀酰CoA合成酶催化下，琥珀酰CoA的高能 硫酯键水解与GDP磷酸化偶联，生成琥珀酸、 GTP和辅酶A。 • 这是三羧酸循环中唯一直接生成高能磷酸键的反 应。
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GTP
核苷二磷 酸激酶
GDP
ADP
ATP
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（六）琥珀酸脱氢生成延胡索酸
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三、TCA循环的中间产物本身并无量的变化

TCA循环的中间产物包括草酰乙酸在内起着催化 剂的作用，本身并无量的变化。
不可能通过TCA直接从乙酰CoA合成草酰乙酸或 其他中间产物；同样，这些中间产物也不可能直 接在TCA循环中被氧化生成CO2和H2O。


TCA循环中的草酰乙酸主要来自丙酮酸的直接羧 化，也可通过苹果酸脱氢产生。无论何种来源， 其最终来源是葡萄糖。
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从这些简单的实验和逻辑推理中，Krebs假定他所 称的柠檬酸循环是肌肉中碳水化合物氧化的主要 途径。柠檬酸循环也称TCA循环，因为在Krebs 提出这个循环假说的若干年以后，还不确定柠檬 酸或者一些其它的三羧酸，例如异柠檬酸是否是 由丙酮酸和草酰乙酸反应所形成的第一个产物。 自Krebs提出TCA循环的假设后，研究发现该循 环不仅在肌肉组织中起作用，而且在需氧动物和 植物的所有组织中，以及许多需氧微生物中均发 挥着功能。
• 此步反应由琥珀酸脱氢酶催化，其辅酶是 FAD，是三羧酸循环中唯一与内膜结合的 酶。
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（七）延胡索酸加水生成苹果酸
• 延胡索酸酶催化此步反应
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（八） 苹果酸脱氢生成草酰乙酸

苹果酸脱氢酶催化此步反应，辅酶是NAD+。
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H2O
H2O
①
NADH+H+ NAD+ CoASH
②
H2O
②
ADP
①柠檬酸合酶 ②顺乌头酸酶 ③异柠檬酸脱氢酶 ④α-酮戊二酸脱氢酶复合体 GTP GDP ⑤琥珀酰CoA合成酶 核苷二磷酸激酶 ⑥琥珀酸脱氢酶 ⑦ ⑦延胡索酸酶 ⑧苹果酸脱氢酶 H2O FADH ⑧ ⑥
2 ATP
NAD+
NADH+H+ NAD+
③
③
FAD
GDP+Pi GTP
CO2
NADH+H+
⑤ CoASH CO2
④ CoASH
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4×2[H]
2CO2
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二、一次TCA循环生成2分子CO2

在TCA循环反应过程中，从2个碳原子的乙酰 CoA与4个碳原子的草酰乙酸缩合成6个碳原子的 柠檬酸开始， 反复地脱氢氧化。 TCA循环中通过脱羧方式生成CO2 。1个二碳单 位进入TCA后，有2次脱羧反应，生成2分子CO2， 这是体内CO2的主要来源。 TCA循环过程中，共有4次脱氢，其中3次脱氢由 NAD+接受，1次由FAD接受。
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第三节 三羧酸循环的调控
Regulation of Tricarboxylic Acid Cycle
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一、丙酮酸脱氢酶复合体的活性变化 可影响乙酰CoA的生成


别构调节 当 脂 肪 酸 或 乙 酰 CoA 充 足 时 ， 或 [ATP]/[ADP] 和 [NADH]/[NAD_]比值增高时，该酶活性被别构抑制； 而当机体需要能量时，或[ATP]/[ADP]降低时，该酶被 AMP等变构激活。 化学修饰调节 当胞内ATP增高时，丙酮酸脱氢酶复合体成分中的丙 酮酸脱氢酶（E1）由于磷酸化而失活； 当ATP减少时，磷蛋白磷酸酶去除E1上的磷酸基团而 激活该复合体。
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（三）异柠檬酸氧化脱羧转变为α-酮戊二酸 • 异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶 （Isocitrate dehydrogenase）作用下， 氧化脱羧而转变成 -酮戊二酸（ Ketoglutarate）。
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（四）α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰 CoA
• 在-酮戊二酸脱氢酶复合体催化下-酮戊 二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA(succinylCoA)； • 该脱氢酶复合体的组成及催化机制与丙酮 酸脱氢酶复合体类似。
乙酰CoA
TCA 循环
CO2 2H
ADP+Pi
呼吸链
ATP
H2O
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在真核生物，TCA循环在线粒体中进行， 与呼吸链在功能和结构上相偶联。
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二、Krebs发现三羧酸循环
三羧酸循环亦称柠檬酸循
环（citric acid cycle），这是
因为循环反应中的第一个中间
产物是一个含三个羧基的柠檬
酸。由于Krebs正式提出了三
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TCA循环最初只是建立在实验基础上的假说。随 后，在体外对参与循环中酶的研究证实并阐明了 该循环的细节。但是这些酶是否在完整的活细胞 的循环中真正发挥功能？细胞内该循环的效率是 否足以解释动物组织中葡萄糖氧化的效率？这些 问题已经通过用同位素标记的代谢物研究（如丙 酮酸或乙酸酯分子中特定碳原子的 13C或 14C标记 等同位素示踪实验），证实TCA循环确实以很高 的效率在活细胞中存在。现在TCA循环已被公认 为是营养物分解代谢的必经途径。
羧酸循环的学说，故此循环又
称为Krebs循环。
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1937年，Hans Krebs利用鸽子胸肌（这块肌肉在
飞行中有相当高的呼吸频率，因此特别适合于氧 化过程的研究）的组织悬液，测定了在不同的有 机酸作用下，丙酮酸氧化过程中的耗氧率，首次 提出在动物组织中丙酮酸氧化途径的假说。
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Albert Szent-Gyorgyi等已经发现动物肌肉组织中 某些4碳二羧酸（琥珀酸、延胡索酸、苹果酸和草 酰乙酸）能刺激氧的消耗。 Krebs证实了这项发现，并且发现它们也可刺激丙 酮酸的氧化过程。而且他还发现肌肉中丙酮酸的 氧化还可被6碳三羧酸，如柠檬酸、顺乌头酸和异 柠檬酸及5碳的α-酮戊二酸激活。上述有机酸的激 活效应是显著的，任何一种这些有机酸的增加， 甚至是很少量的增加都能大大激活丙酮酸的氧化 过程。
（二）TCA循环是糖、脂肪和氨基酸代谢联 系的枢纽
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第五节
三羧酸循环关键反应的分析 原理
Analytical Principles of Key Reactions of Tricarboxylic Acid Cycle
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一、采用分光光度法测定硫氢辅酶A 生成量分析柠檬酸合酶活性
反 应 生 成 的 辅 酶 A 和 5,5'- 二 硫 代 双 （ 2- 硝 基 苯 甲 酸 ） （DNTB）在pH 7.4、0.1 M 三乙醇胺和 0.2 M 乙二胺四乙酸 钙钠（EDTA ）溶液中反应生成硫氢辅酶A，其在412 nm时 有吸收峰，通过分光光度计测定吸光度，测定硫氢辅酶A的 生成量。以此反映柠檬酸合酶酶活性。
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第二节
三羧酸循环的反应过程
Reactions of Tricarboxylic Acid Cycle
Reactions
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TCA循环是一个由一系列酶促反应构成的循环反
应系统，在该反应过程中，首先由乙酰CoA（主
要来自于三大营养物质的分解代谢）与草酰乙酸
缩合生成含3个羧基的柠檬酸（citric acid），再
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三羧酸循环的调节
① ATP、ADP的影响
乙酰CoA
– ATP 柠檬酸 NADH 琥珀酰CoA + ADP
柠檬酸合酶
草酰乙酸
② 产物堆积引起抑制
柠檬酸
异柠檬酸 苹果酸 ③循环中后续反应 FADH2 中间产物别位反 馈抑制前面反应 中的酶
④其他，如Ca2+可 激活许多酶
NADH 异柠檬酸 脱氢酶
– ATP + ADP
第
十
章
三羧酸循环
Tricarboxylic Acid Cycle
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第 一 节
三羧酸循环的发现
Discovery of the Citric Acid Cycle
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一、三羧酸循环是三类营养物质氧化分 解的（共同）第二阶段
* 营养物在生物体内氧化的一般过程
糖原 葡萄糖 三酯酰甘油 脂酸+甘油 蛋白质 氨基酸
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根据上述实验观察和一些其他的证据，Krebs得出 一个结论：上述有机三羧酸和二羧酸可以以一个 符合化学逻辑的序列排列。因为用丙酮酸和草酰 乙酸与肌组织共同孵育，即可导致溶液介质中柠 檬酸的堆积，所以Krebs推理这一系列反应是以循 环的方式而不是以线性的方式存在，即它的开始 和结尾是连在一起的。
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二、TCA循环受底物、产物和调节酶 活性调节

TCA循环的速度和流量主要受３种因素的调控： • 底物的供应量 • 催化循环最初几步反应的酶的反馈别构抑制 • 产物堆积的抑制作用
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（一）TCA循环中有３个调节调节酶

TCA循环中催化３个不可逆反应的酶： • 柠檬酸合酶 • 异柠檬酸脱氢酶 • α-酮戊二酸脱氢酶

TCA循环中的酶在线粒体中是以多种酶组成的 复合体形式存在，这种酶复合体被称为代谢区 室（metabolons），它在细胞内能够有效地将 代谢中间产物从一种酶传递给另一种酶。这些 复合体具有高效介导中间产物流通的功能，因 此也可影响代谢的速率。
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第四节 三羧酸循环的生理意义
Physiologic Significance of Tricarboxylic Acid Cycle
Ca2+
α-酮戊二酸 脱氢酶复合体
α-酮戊二酸
琥珀酰CoA
GTP
–
+
Ca2+ NADH
琥珀酰CoA
ATP
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（二）TCA循环与上游和下游反应协调

在正常情况下，（糖）酵解途径和TCA循环的 速度相协调； 氧化磷酸化的速率对TCA循环的运转也起着非 常重要的作用。

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三、TCA循环的多种酶以复合体形式 存在于线粒体

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Krebs的第二项重大发现是观察到丙二酸对丙酮酸 有氧氧化的抑制作用。 丙二酸是琥珀酸的类似物，是琥珀酸脱氢酶的竞争 性抑制剂，在肌肉悬浮液中，无论加入上述哪一种 有机酸，只要丙二酸存在，丙酮酸的有氧氧化过程 就会被抑制。这表明在涉及丙酮酸氧化的酶促反应 中，琥珀酸和琥珀酸脱氢酶必定是很关键的成分。 Krebs进一步发现，当用丙二酸去抑制肌肉组织悬 液中的丙酮酸的有氧氧化时，在这个悬液介质中就 会有柠檬酸、α-酮戊二酸和琥珀酸的积累，这表明 柠檬酸和α-酮戊二酸通常为琥珀酸的前体。