大学精品课件：第10章 三羧酸循环
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第 十 章
三羧酸循环
Tricarboxylic Acid Cycle
生物化学与分子生物学系 陈瑜
第 一 节
三羧酸循环的发现
Discovery of the Citric Acid Cycle
2
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 三酯酰甘油 蛋白质
• 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）。
16
（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(succinyl-CoA)；
②
H2O
②
⑧
① 柠檬酸合酶 ②顺乌头酸酶
ADP
③ 异柠檬酸脱氢酶 ④α-酮戊二酸脱氢酶复合体 + NAD GTP GDP ⑤琥珀酰CoA合成酶 核苷二磷酸激酶 ⑥琥珀酸脱氢酶 NADH+H+ ⑦ ⑦延胡索酸酶 ③ ③ ⑧苹果酸脱氢酶 H2O FADH +
⑥
2 ATP
NAD
FAD
GDP+Pi GTP
CO2
（ 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。
Biblioteka Baidu
11
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。
12
一、TCA循环由八步反应组成循环反应途径
13
（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
• 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。
17
（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。
•三羧酸循环中唯一直接生成高能磷酸键的反应。
18
GTP
核苷二磷 酸激酶
9
第 二 节
三羧酸循环的反应过程
Reactions of Tricarboxylic Acid Cycle Reactions
10
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）， 再经过4次脱氢、2次脱羧，生成4分子还原当量
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
GDP
ADP
ATP
（六）琥珀酸脱氢生成延胡索酸
• 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。
20
（七）延胡索酸加水生成苹果酸
• 延胡索酸酶催化此步反应
21
（八）苹果酸脱氢生成草酰乙酸
苹果酸脱氢酶催化，辅酶是NAD+。
H2O
H2O
①
NADH+H+ NAD+ CoASH
5
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。
6
Albert Szent-Gyorgyi等已经发现动物肌肉组
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。
25
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。
（oxaloacetate）缩合成柠檬酸（citrate）； • 反应由柠檬酸合酶（citrate synthase）催化。
14
（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。
15
（三）异柠檬酸氧化脱羧转变为α-酮戊二酸
NADH+H+
⑤ CoASH CO2
④ CoASH
4×2[H]
2CO2
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。
葡萄糖 脂酸 + 甘油 氨基酸
乙酰CoA
TCA 循环
CO2 2H
3
ADP+Pi
ATP
H2O
呼吸链
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。
4
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 正式提出了三羧酸循环的 学说，故此循环又称为 Krebs 循 环。
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。
7
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。
8
Krebs 得出一个结论：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，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，即以 首尾相连在一起的。
现在 TCA循环已被公认为是营养物分解代谢的必 经途径。
三羧酸循环
Tricarboxylic Acid Cycle
生物化学与分子生物学系 陈瑜
第 一 节
三羧酸循环的发现
Discovery of the Citric Acid Cycle
2
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 三酯酰甘油 蛋白质
• 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）。
16
（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(succinyl-CoA)；
②
H2O
②
⑧
① 柠檬酸合酶 ②顺乌头酸酶
ADP
③ 异柠檬酸脱氢酶 ④α-酮戊二酸脱氢酶复合体 + NAD GTP GDP ⑤琥珀酰CoA合成酶 核苷二磷酸激酶 ⑥琥珀酸脱氢酶 NADH+H+ ⑦ ⑦延胡索酸酶 ③ ③ ⑧苹果酸脱氢酶 H2O FADH +
⑥
2 ATP
NAD
FAD
GDP+Pi GTP
CO2
（ 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。
Biblioteka Baidu
11
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。
12
一、TCA循环由八步反应组成循环反应途径
13
（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
• 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。
17
（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。
•三羧酸循环中唯一直接生成高能磷酸键的反应。
18
GTP
核苷二磷 酸激酶
9
第 二 节
三羧酸循环的反应过程
Reactions of Tricarboxylic Acid Cycle Reactions
10
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）， 再经过4次脱氢、2次脱羧，生成4分子还原当量
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
GDP
ADP
ATP
（六）琥珀酸脱氢生成延胡索酸
• 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。
20
（七）延胡索酸加水生成苹果酸
• 延胡索酸酶催化此步反应
21
（八）苹果酸脱氢生成草酰乙酸
苹果酸脱氢酶催化，辅酶是NAD+。
H2O
H2O
①
NADH+H+ NAD+ CoASH
5
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。
6
Albert Szent-Gyorgyi等已经发现动物肌肉组
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。
25
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。
（oxaloacetate）缩合成柠檬酸（citrate）； • 反应由柠檬酸合酶（citrate synthase）催化。
14
（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。
15
（三）异柠檬酸氧化脱羧转变为α-酮戊二酸
NADH+H+
⑤ CoASH CO2
④ CoASH
4×2[H]
2CO2
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。
葡萄糖 脂酸 + 甘油 氨基酸
乙酰CoA
TCA 循环
CO2 2H
3
ADP+Pi
ATP
H2O
呼吸链
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。
4
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 正式提出了三羧酸循环的 学说，故此循环又称为 Krebs 循 环。
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。
7
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。
8
Krebs 得出一个结论：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，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，即以 首尾相连在一起的。
现在 TCA循环已被公认为是营养物分解代谢的必 经途径。