第十章三羧酸循环

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发源自文库三羧酸循环
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。
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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。
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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）。
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。
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
三酯酰甘油
蛋白质
葡萄糖
脂酸+甘油
氨基酸
乙酰CoA
TCA 循环 CO2
ADP+Pi ATP
2H
呼吸链
H2O
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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。
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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 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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（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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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。
苹果酸脱氢酶催化此步反应，辅酶是NAD+。
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H2O
H2O
①
②
H2O
NADH+H+
CoASH
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。
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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。
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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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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。
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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。
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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 GDP 酸激酶
ADP
ATP
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（六）琥珀酸脱氢生成延胡索酸 • 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