生物化学与分子生物学：第10章 三羧酸循环

1、第 十 章三羧酸循环,Tricarboxylic Acid Cycle,2,第 一 节 三羧酸循环的发现,Discovery of the Citric Acid Cycle,3,乙酰CoA,TCA循环,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,营养物在生物体内氧化的一般过程,一、三羧酸循环是三类营养物质氧化分解的（共同）第二阶段,4,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,5,三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

2、Krebs循环,二、Krebs发现三羧酸循环,6,1937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,7,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-酮戊二酸激活。上述有机酸的激活效应是显著的

3、，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,8,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、-酮戊二酸和琥珀酸的积累，这表明柠檬酸和-酮戊二酸通常为琥珀酸的前体,9,Krebs得出一个结论：有机三羧酸和二羧酸可以以一个

4、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,10,第 二 节三羧酸循环的反应过程Reactions of Tricarboxylic Acid Cycle Reactions,11,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

5、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,12,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,13,一、TCA循环由八步反应组成循环反应途径,14,一）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,15,二）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

6、；(2) 水合反应,16,三）异柠檬酸氧化脱羧转变为-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,17,四）-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)； 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,18,五）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

7、键的反应,20,六）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,21,七）延胡索酸加水生成苹果酸,延胡索酸酶催化此步反应,八）苹果酸脱氢生成草酰乙酸,苹果酸脱氢酶催化，辅酶是NAD,NADH+H,NAD,NAD,NADH+H,GTP,GDP+Pi,FAD,FADH2,NADH+H,NAD,柠檬酸合酶,顺乌头酸酶,异柠檬酸脱氢酶,酮戊二酸脱氢酶复合体,琥珀酰CoA合成酶,琥珀酸脱氢酶,延胡索酸酶,苹果酸脱氢酶,25,二、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

8、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,26,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,CH3COSCoA + 3NAD+ +FAD + GDP + Pi + 2H2O 2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + HSCoA + GTP,27,三、TCA循环的中间产物本身并无量的变

9、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,28,第 三 节三羧酸循环的调控Regulation of Tricarboxylic Acid Cycle,29,一、丙酮酸脱氢酶复合体,别构调节：AMP变构激活； 化学修饰调节：丙酮酸脱氢酶（E1）磷酸化失活,30,二、TCA循环受底物、产物和调节酶活性调节,底物的供应量 催化循

10、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,31,一）TCA循环中有个调节调节酶,TCA循环中个不可逆反应的酶：关键酶,柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氢酶 -酮戊二酸脱氢酶,32,异柠檬酸 脱氢酶,柠檬酸合酶,酮戊二酸 脱氢酶复合体,柠檬酸,Ca2,ATP、ADP的影响,产物堆积引起抑制,循环中后续反应中间产物别位反馈抑制前面反应中的酶,其他，如Ca2+可激活许多酶,三羧酸循环的调节,33,二）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,34,三、TCA循环的多种酶以复合体形式存在于线粒体,T

11、CA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,35,第四节三羧酸循环的生理意义 Physiologic Significance of Tricarboxylic Acid Cycle,36,一、TCA循环是一条“两用代谢途径,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,一）TCA循环参与合成和分解途径的组成,37,TCA中间产物,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,草酰乙酸,异生为葡萄糖,氨基酸,38,乙酰CoA,2. TCA循环中间产物可为脂酸合成提供原料,合成脂酸,柠檬酸-丙酮酸循环,39,酮戊二酸 + NH4,3. TCA循环中间产物可为非必需氨基酸合成提供碳架,谷氨酸,谷氨酸脱氢酶,NADH + H,NAD,41,三）添补反应补充T