第23章柠檬酸循环

Chapter23柠檬酸循环Tricarboxylicacidcycle〔TCA〕三羧酸循环,Krebs循环1/13/20241●德国，HansKrebs1937年提出，1953年获诺贝尔奖，ATP循环〔柠檬酸循环〕之父。一、TCA循环的发现1/13/20242TCA循环丙酮酸的有氧氧化葡萄糖通过糖酵解产生的丙酮酸，在有氧条件下，进行完全氧化，生成H2O和CO2，并释放出大量能量。两个阶段柠檬酸循环氧化磷酸化1/13/20243二、糖的有氧氧化〔好氧呼吸〕：三个步骤1、G或糖原氧化分解成丙酮酸〔即糖酵解，胞液〕2、丙酮酸氧化脱羧生成乙酰COA〔线粒体基质〕〔丙酮酸乙酰辅酶A，乙酰CoA〕3、乙酰COA→TCA〔线粒体〕乙酰CoAH2O+CO2，释放能量〕1/13/20244三、TCA循环〔一〕准备阶段丙酮酸氧化脱羧→乙酰-COA1/13/20245真核细胞线粒体基质(原核细胞:质膜〕进行丙酮酸脱氢酶系：非常复杂的多酶体系三种不同的酶丙酮酸脱羧酶E1二氢硫辛酸乙酰转移酶E2二氢硫辛酸脱氢酶E36种辅因子TTP、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA、Mg2+糖酵解、三羧酸循环的中间环节1/13/20246E2(dihydrolipoyltransacetylase):consistingthecore,24subunits;E1(pyruvatedehydrogenase):boundtotheE2core,24subunits;E3(dihydrolipoyldehydrogenase):boundtotheE2core,12subunits.1/13/20247丙酮酸脱氢酶复合体E2E3E1三种酶60条肽链形成的复合体乙酰二氢硫辛酸硫辛酸乙酰转移酶硫辛酸二氢硫辛酸丙酮酸脱羧酶二氢硫辛酸脱氢酶丙酮酸乙酰CoA

E1E3E2E2～1/13/20248形成酶复合体有什么好处呢？CO2CH3OCOOCTPPCH3CHOHTPPS(CH2)4COSOCH3CS(CH2)4COSHSH(CH2)4COSHFADH2FADNADNADH+H++SCoACH3CSCoAOHH乙酰二氢硫辛酸硫辛酸乙酰转移酶硫辛酸二氢硫辛酸丙酮酸脱羧酶二氢硫辛酸脱氢酶丙酮酸乙酰CoAE1E3E2E2多肽链中间产物在氨基酸臂作用下进入酶活性中心快速准确！1/13/20249相当于酶复合体由于第一步为不可逆反响，直接决定整个循环反响的速度，而且是许多其它反响体系的分支点，因而该酶复合物受到严密的调节控制；提问：有哪些物质可以调节该酶复合物的活性？答案：产物〔NAD(P)H、FADH2、GTP、ATP、乙酰CoA〕抑制该酶复合物的活性反响物〔NAD+、FAD、GDP、ADP、丙酮酸〕激活该酶复合物的活性Ca2+、胰岛素激活1/13/202410〔二〕TCA概貌〔98页〕乙酰CoA与草酰乙酸结合进入循环,经一系列反响再回到草酰乙酸的过程。在此过程中乙酰CoA被氧化成H2O和CO2并产生大量的能量。1/13/2024111/13/202412线粒体膜第三个碳以CO2形式失去四碳二羧酸第二个碳以CO2形式失去五碳二羧酸每个分子具有4个碳的草酰乙酸库（基质）丙酮酸每个分子具有3个碳的丙酮酸库〔基质〕六碳三羧酸三种羧酸！草酰乙酸大循环！第一个碳以CO2形式失去重新加入到草酰乙酸库三羧酸？

循环？1/13/202413

(4)(7)(8)(10)CH3COCOOHNAD+NADH

+

H+CoASHCO2CH3CO~SCoAOCCOOHCH2COOHCH2COOHC(OH)COOHCH2COOHCH2COOHCHCOOHCH(OH)COOHNAD(P)NAD(P)H+HCH2COOHCHCOOHCOCOOHCH2COOHCH2COCOOHNADH+HNADNADH

+

H++CO~SCoACH2CH2COOHGDP+PiGTPCoASHH2OCH2COOHCH2COOHFADH2FADCHCOOHCHCOOHHOCCOOHCH2COOHH+NAD+CO2++CoASHH2OCoASHCO2丙酮酸乙酰CoA(2)(1)(7)(8)(9)(10)(5)(6)(3)(4)柠檬酸异柠檬酸草酰琥珀酸α-酮戊二酸琥珀酰CoA琥珀酸延胡索酸L-苹果酸草酰乙酸HO2(1)丙酮酸脱氢酶复合体(2)柠檬酸合成酶(3)顺乌头酸酶(4)(5)异柠檬酸脱氢酶(6)α-酮戊二酸脱氢酶复合体(7)琥珀酰CoA合成酶(8)琥珀酸脱氢酶(9)延胡索酸酶(10)L-苹果酸脱氢酶三羧酸循环产能步骤2NAD(P)H1FADH21GTP(1)(6)-产能脱碳2NADH+2CO2(5)-脱碳-1CO2→3步不可逆反响1/13/202414乙酰草酰成柠檬，柠檬又成α-酮

琥酰琥酸延胡索，苹果落在草丛中1/13/202415〔三〕柠檬酸循环的化学途径〔98页〕1．草酰乙酸→α-酮戊二酸

1/13/2024161)乙酰CoA+草酰乙酸→柠檬酸反响能量:乙酰CoA的高能硫酯键提供——反响不可逆醇醛缩合，先缩合成柠檬酰CoA，水解，C4→C61/13/202417Citratesynthase.CitrateisshowningreenandCoApink1/13/2024182〕柠檬酸异构化成异柠檬酸Iron-sulfur(red),cysteines(yellow)andisocitreate(white)1/13/2024193〕异柠檬酸氧化脱羧放出1分子CO2，C6→C5；产生1分子NADH1/13/202420NAD+(gold);Ca2+(red))1/13/2024212．α-酮戊二酸→琥珀酰CoA

α-酮戊二酸脱氢酶系：3种酶辅助因子：NAD+、CoA、TPP、硫辛酰胺、FAD和Mg2+等1/13/202422Decarboxylatedfirst,thenoxidized;thecarbonreleasedasCO2isnotfromtheacetylgroupjoined;The

a-ketoglutaratedehydrogenasecomplex

closelyresemblesthe

pyruvatedehyrogenasecomplex

instructureandfunction(thetwoE1sandtwoE2saresimilar,thetwoE3sareidentical).1/13/202423又放出1分子CO2，C5→C4；又产生1分子NADH；形成1个高能硫酯键1/13/2024243、琥珀酰-CoA→琥珀酸琥珀酰CoA合成酶合成1分子高能磷酸化合物GTPMalonate(丙二酸)isastrongcompetitiveinhibitor1/13/2024254、琥珀酸→草酰乙酸1〕琥珀酸氧化→延胡索酸C4的变化；产生1分子FADH2、1分子NADH三步反响——脱氢、加水、脱氢脱氢1/13/2024262〕延胡索酸→苹果酸加水1/13/2024273〕苹果酸→草酰乙酸〔再生〕脱氢Oxaloacetateisregenerated!1/13/202428Theactivesiteofmalatedehydrogenase.Malateisshowninred;NAD+blue.1/13/202429TCA总反响1/13/202430草酰乙酸PCH2CO～SoA(乙酰辅酶A)苹果酸琥珀酸琥珀酰CoAα-酮戊二酸异柠檬酸柠檬酸CO22HCO22HGTP延胡索酸三羧酸循环总图2H2H1/13/202431丙酮酸→乙酰CoA，脱出两个H脱氢：脱氢酶NAD、NADP、FAD、TPP、硫辛酸各辅酶起重要作用。脱水〔2〕加水〔1、3、9〕脱羧〔5、6〕脱氢〔4、6、8、10〕1/13/202432丙酮酸+CoA-SH+NAD+→乙酰CoA+NADH+H++CO2乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O

→2CO2+CoA-SH+3NADH+3H++FADH2+GTP总反响式净反响：1/13/202433

+4NAD(P)+

+FAD+GDP+Pi+3H2O

3CO2+4NAD(P)H+4H+FADH2+GTP4NAD(P)H+4H+10ATP4H2OFADH21.5ATP1H2OADPATP-3H2OGTPGDP1ATP1H2O

12.5ATP3H2O氧化磷酸化作用O2总反响方程式1/13/202434〔四〕特点：〔1〕TCA循环一次消耗一个乙酰基。即两个碳原子进入循环。又有两个碳原子以CO2的形式离开循环。但这两个碳原子并不是刚刚进入循环的那两个碳原子〔代谢更新〕。〔2〕四次氧化脱氢〔三次NAD+为受氢体，一次FAD为受氢体〕、一次底物水平磷酸化反响以GTP形式产生一个高能键、二次脱羧反响。糖的有氧氧化过程中能量和CO2主要在TCA循环中产生。〔3〕TCA循环所产生的3个NADH和一个FADH2分子只能通过电子传递链和氧分子〔氧化磷酸化〕才能够再被氧化，释放的能量ATP形式产生。

TCA在线粒体中进行，整个循环不可逆。一次循环、二次脱羧、三次加水、四次脱氢1/13/2024351、氧化供能能量计算：每次循环：3×2.5+1×1.5+1=10分子ATP丙酮酸开始：10+2.5=12.5分子ATP葡萄糖开始：2+2.5×2+12.5×2=32分子ATP

而糖的无氧酵解仅产生2分子ATP2、三大营养物质分解代谢的最终共同途径糖代谢的重要途径也是甘油、脂肪酸和氨基酸氧化分解的必经途径3、糖、脂肪和氨基酸代谢联系的枢纽四、糖的有氧氧化及TCA循环的意义〔107页〕1/13/202436糖酵解+TCA的效率糖酵解1G→2ATP+2NADH+2H++2丙酮酸

=2+2×2.5=7ATP三羧酸循环：2丙酮酸→25ATP+6CO2+4H2O———————————————————————32ATP储能效率=32×7.3/686=34%比世界上任何一部热机的效率都高！提问：其余能量何处去？答案：以热量形式。一局部维持体温，一局部散失1/13/202437〔一〕TCA是各种好氧生物体内最主要的产能途径！也是脂类、蛋白质彻底分解的共同途径！三羧酸循环—焚烧炉〔二〕中间酸是合成其他化合物的碳骨架—百宝库。例如草酰乙酸→天冬氨酸、天冬酰胺等等α-酮戊二酸→谷氨酸→其他氨基酸琥珀酰CoA→血红素既是“燃烧炉又是百宝库〞生物意义1/13/202438五、TCA循环中碳骨架的不对称反响用同位素标记乙酰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响，说明反响不对称六、TCA循环的双重作用和回补反响TCA循环不仅是产生ATP的途径，中间物也是生物合成的前体，分解代谢和合成代谢双重性〔两用性，110页〕。这些中间物必需不断补充才能保证TCA的正常进行。对柠檬酸循环中间产物有补充作用的反响称为回补反响。1/13/2024391分子葡萄糖转化为2分子乳酸净生成

2

分子ATP糖酵解过程中有3个不可逆的酶促反响，催化这3步反响的酶分别是葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶。丙酮酸复原为乳酸，反响中的NADH来自于3-磷酸甘油醛的氧化延胡索酸在延胡索酸酶作用下可生成苹果酸，该酶属于EC分类中的氧化复原酶类1/13/202440糖酵解在细胞的细胞质中进行，该途径是将葡萄糖转变为丙酮酸，同时生成ATP和NADH的一系列酶促反响1/13/20