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1、三羧酸循环体系Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望有氧条件下有氧条件下: :丙酮酸可继续进行有氧分丙酮酸可继续进行有氧分解，最后完全氧化，形成解，最后完全氧化，形成COCO2 2和水。此和水。此途径分为柠檬酸循环和氧化磷酸化两途径分为柠檬酸循环和氧化磷酸化两个阶段。个阶段。无氧条件下无氧条件下: :葡萄糖经分解代谢形成丙葡萄糖经分解代谢形成丙酮酸，丙酮酸继续形成乳酸或乙醇。酮酸，丙酮酸继续形成乳酸或乙醇。柠檬酸循环的概念：柠檬酸循环的概念： 在有氧的情况下，葡萄糖酵解产生
2、的丙在有氧的情况下，葡萄糖酵解产生的丙酮酸氧化脱羧形成乙酰酮酸氧化脱羧形成乙酰CoACoA，乙酰，乙酰CoACoA经一经一系列氧化、脱羧，最终生成系列氧化、脱羧，最终生成COCO2 2和和H H2 2O O并产并产生能量的过程，称为生能量的过程，称为柠檬酸循环柠檬酸循环。由于柠。由于柠檬酸含三个羧基，所以亦称为檬酸含三个羧基，所以亦称为三羧酸循环三羧酸循环。(tricarboxylic acid cycle), (tricarboxylic acid cycle), 简称简称TCATCA循环。由于它是由循环。由于它是由H.A.KrebsH.A.Krebs（德国）正（德国）正式提出的，所以又称式
3、提出的，所以又称KrebsKrebs循环循环。 柠檬酸循环是糖、脂肪、和氨基酸等氧柠檬酸循环是糖、脂肪、和氨基酸等氧化所共同经历的途径。此外，柠檬酸循环化所共同经历的途径。此外，柠檬酸循环生成的中间物质也是许多生物合成的前体。生成的中间物质也是许多生物合成的前体。因此柠檬酸循环是因此柠檬酸循环是两用代谢途径两用代谢途径(amphibolic pathway)。地点：地点：三羧酸循环在三羧酸循环在线粒体基质线粒体基质中进行。中进行。 葡萄糖有氧氧化的反应过程葡萄糖有氧氧化的反应过程: :葡萄糖葡萄糖（EMP）COOHC=OCH3丙酮酸丙酮酸CH3-C-SCoAO( (乙酰乙酰CoA)CoA)三羧
4、酸三羧酸循环循环NADH+H+CO2 丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系CoASH NAD+ （细胞液）（细胞液）氧化磷酸化氧化磷酸化（线粒体）（线粒体）丙酮酸进入线粒体转变为乙酰丙酮酸进入线粒体转变为乙酰CoACoA，这是连接糖酵，这是连接糖酵解和三羧酸循环的纽带：解和三羧酸循环的纽带：丙酮酸丙酮酸+CoASH+NAD+CoASH+NAD+ + 乙酰乙酰CoA+ COCoA+ CO2 2+NADH+H+NADH+H+ +一、由丙酮酸形成乙酰一、由丙酮酸形成乙酰CoACoA反应不可逆，分反应不可逆，分4 4步进行，由步进行，由丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体（丙酮酸脱氢酶系）催化。（丙酮酸脱氢酶
5、系）催化。丙酮酸脱氢酶复合体是一个十分大的多酶丙酮酸脱氢酶复合体是一个十分大的多酶复合体，包括：复合体，包括：三种不同的酶三种不同的酶 丙酮酸脱氢酶组分丙酮酸脱氢酶组分(E1)(E1)二氢硫辛酰转乙酰基酶二氢硫辛酰转乙酰基酶(E2)(E2)六种辅助因子六种辅助因子焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素(TPP)(TPP)黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸( FAD )( FAD )NADNAD+ +CoASHCoASH硫辛酸硫辛酸二氢硫辛酸脱氢酶二氢硫辛酸脱氢酶(E3)(E3)MgMg2+2+大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体的内容大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体的内容 缩写缩写 肽链数肽链数 辅基辅基 催化反应催化反
6、应丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶 E1 24 TPP 丙酮酸氧化脱羧丙酮酸氧化脱羧二氢硫辛酰转乙二氢硫辛酰转乙 E2 24 硫辛酰胺硫辛酰胺 将乙酰基转移到将乙酰基转移到CoA 酰基酶酰基酶 二氢硫辛酸脱氢酶二氢硫辛酸脱氢酶 E3 12 FAD 将还原型硫辛酰胺将还原型硫辛酰胺 转变为氧化型转变为氧化型CHCH3 3C C COOHCOOHO O+ + TPPTPPE E1 1分步反应分步反应羟乙基羟乙基TPPTPPE E1 1：丙酮酸脱氢酶：丙酮酸脱氢酶C-C-CH3-C-COOHOHCO2丙酮酸丙酮酸易形成易形成C-离子离子嘧啶环嘧啶环噻唑环噻唑环焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素（TPPTPP）在丙酮酸
7、脱羧中的作用在丙酮酸脱羧中的作用VB1VB1硫辛酸：硫辛酸：CH3COSLHS+ TPPE2硫辛酸硫辛酸乙酰硫辛酸乙酰硫辛酸E2：转乙酰酶：转乙酰酶+SLSCH 3CTPPOHHE2E3E3E E3 3：二氢硫辛酸脱氢酶：二氢硫辛酸脱氢酶全过程：HSCoAHSCoAE E3 3：二氢硫辛酸脱氢酶：二氢硫辛酸脱氢酶E E2 2：转乙酰化酶：转乙酰化酶E E1 1：丙酮酸脱氢酶：丙酮酸脱氢酶E E3 3E E2 2E E1 1N NA AD D+ +NADH+HNADH+H+ +F FA AD DH H2 2F FA AD DC CH H3 3C CS C Co oA AO OH HS SL LH
8、 HS SS SL LS SL LH HS SC CH H3 3C CSO OC CH H3 3C CT TP PP PO OH HH HT TP PP PC CO O2 2C CH H3 3C CC CO OO OH HO O全过程全过程 砷化物对丙酮酸脱氢酶复合体砷化物对丙酮酸脱氢酶复合体E E2 2中的辅基硫辛酰胺的中的辅基硫辛酰胺的毒害作用。毒害作用。（由于（由于 - -酮戊二酸脱氢酶复合体也含硫辛酮戊二酸脱氢酶复合体也含硫辛酰胺辅基，因此，砷化物也有毒害作用）酰胺辅基，因此，砷化物也有毒害作用）- -O-AsO-AsOHOHOHOH+ +HSHSHSHSR R S S S SR R-
9、 -O-AsO-As+ +2H2H2 2O O亚砷酸亚砷酸二氢硫辛酰胺二氢硫辛酰胺R-As=O+ +HSHSHSHSR R S S S SR RR R - -AsAs+ +H H2 2O O有机有机砷化物砷化物丙酮酸脱氢酶复合体的调控丙酮酸脱氢酶复合体的调控 2.2.磷酸化和去磷酸化作用的调节：磷酸化和去磷酸化作用的调节：丙酮酸丙酮酸脱氢酶组分脱氢酶组分E E1 1的磷的磷酸化状态无活性，反之有活性。酸化状态无活性，反之有活性。其磷酸化受其磷酸化受E E2 2上结合的激酶和上结合的激酶和磷酸酶作用磷酸酶作用。CaCa2+2+通过激活磷酸酶，使通过激活磷酸酶，使丙酮酸丙酮酸脱氢酶组分活化。脱氢酶
10、组分活化。激酶激酶磷酸酶磷酸酶1.1.产物抑制：产物抑制：受乙酰受乙酰CoACoA和和NADHNADH的控制。乙酰的控制。乙酰CoACoA抑制转乙酰基抑制转乙酰基 酶酶E E2 2组分，组分，NADHNADH抑制二氢硫辛酰脱氢酶抑制二氢硫辛酰脱氢酶E E3 3组分。抑制效应被组分。抑制效应被CoACoA和和NADNAD+ +逆转。逆转。由丙酮酸到由丙酮酸到乙酰乙酰CoACoA是一个重要步骤，处于代谢途是一个重要步骤，处于代谢途径的分支点，所以此体系受到严密的调节控制：径的分支点，所以此体系受到严密的调节控制：使使E E1 1磷酸化（无活性形式）磷酸化（无活性形式）使磷酸化的使磷酸化的E E1
11、1去磷酸化（有活性形式）去磷酸化（有活性形式）CaCa2+2+激活激活E E1 1 OCH3-C-SCoACoASHH2OGTP 草酰乙酸草酰乙酸 再生阶段再生阶段 柠檬酸生柠檬酸生成阶段成阶段 氧化脱氧化脱 羧阶段羧阶段柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸顺乌头酸顺乌头酸 酮戊二酸酮戊二酸琥珀酸琥珀酸琥珀酰琥珀酰CoA延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸NADH +CO2NAD+NADHNAD+FADH2FAD+CO2NADHNAD+二、三羧酸循环的过程二、三羧酸循环的过程HO-C-COO-1.1.乙酰乙酰-CoA-CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸与草酰乙酸缩合形成柠檬酸v 单向不可逆单向不可
12、逆v 可调控的限速步骤可调控的限速步骤 v 氟乙酰氟乙酰CoACoA导致致死合成常作为杀虫药导致致死合成常作为杀虫药柠檬酸合酶柠檬酸合酶乙酰乙酰CoACoA草酰乙酸草酰乙酸+柠檬酸柠檬酸 柠檬酸合酶是柠檬酸循环的柠檬酸合酶是柠檬酸循环的关键酶关键酶，活性受，活性受ATPATP、NADHNADH、琥珀酰琥珀酰-CoA-CoA、酯酰、酯酰-CoA-CoA等的抑制。等的抑制。由氟乙酸形成的氟乙酰由氟乙酸形成的氟乙酰-CoA-CoA可被柠檬酸合酶催化与草酰乙酸可被柠檬酸合酶催化与草酰乙酸缩合生成氟柠檬酸，氟柠檬酸结合到顺缩合生成氟柠檬酸，氟柠檬酸结合到顺- -乌头酸酶的活性部位乌头酸酶的活性部位上，抑
13、制柠檬酸循环向下进行。氟乙酸和氟乙酰上，抑制柠檬酸循环向下进行。氟乙酸和氟乙酰-CoA-CoA可做杀可做杀虫剂或灭鼠药。各种有毒植物的叶子大部分含有氟乙酸，可虫剂或灭鼠药。各种有毒植物的叶子大部分含有氟乙酸，可作为天然杀虫剂。作为天然杀虫剂。F F-CH-CH2 2-COOH-COOHF-CHCOO-HO-C-COO-COO-CH2氟乙酸氟乙酸氟柠檬酸氟柠檬酸丙酮酰丙酮酰-CoA: CH-CoA: CH3 3-C-CH-C-CH2 2-SCoA,-SCoA,O O=是另一抑制剂是另一抑制剂柠檬酸柠檬酸顺乌头酸顺乌头酸异柠檬酸异柠檬酸 2. 2. 柠檬酸异构化形成异柠檬酸（乌头酸酶催化）柠檬酸异
14、构化形成异柠檬酸（乌头酸酶催化）90 : 4 : 690 : 4 : 6NAD+ NADH+H+ CO2异柠檬酸异柠檬酸脱氢酶脱氢酶异柠檬酸异柠檬酸 - -酮戊二酸酮戊二酸 ( ( -KG)-KG)NAD+ NADH+H+(NADP+ NADPH+H+） H+ CO2异柠檬酸异柠檬酸脱氢酶脱氢酶草酰琥珀酸草酰琥珀酸3. 3. 异柠檬酸氧化脱羧形成异柠檬酸氧化脱羧形成 - -酮戊二酸酮戊二酸 （异柠檬酸脱氢酶催化）（异柠檬酸脱氢酶催化） 高等动植物及大多数微生物中异柠檬酸脱氢高等动植物及大多数微生物中异柠檬酸脱氢 酶有两类酶有两类 NADNAD+ +为辅酶为辅酶 （线粒体）（线粒体） NADPN
15、ADP+ +为辅酶为辅酶 （线粒体和细胞质）（线粒体和细胞质）异柠檬酸脱氢酶是一个异柠檬酸脱氢酶是一个变构酶变构酶 ADPADP变构激活变构激活 异柠檬酸异柠檬酸 MgMg2+2+ NAD NAD+ + ADP ADP 相互协同作用相互协同作用变构抑制作用变构抑制作用NADHNADHATPATP植物，微生物中植物，微生物中细菌中细菌中异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶磷酸化磷酸化失活失活去磷酸化去磷酸化活化活化异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶 -酮戊二酸酮戊二酸琥珀酸琥珀酸+乙醛酸乙醛酸氧化脱羧氧化脱羧异柠檬酸裂解酶异柠檬酸裂解酶NAD+ NADH+H+HSCoA CO2 -KG-KG脱氢酶脱氢酶 复合
16、体复合体琥珀酰琥珀酰CoACoA4. 4. - -酮戊二酸氧化脱羧形成琥珀酰酮戊二酸氧化脱羧形成琥珀酰CoACoA （ - -酮戊二酸脱氢酶复合体催化）酮戊二酸脱氢酶复合体催化） ( -KG)该酶与丙酮酸该酶与丙酮酸脱氢酶复合体相似脱氢酶复合体相似GDP GTP Pi HSCoA琥珀酰琥珀酰CoACoA合合成酶成酶琥珀酰琥珀酰CoACoA 琥珀酸琥珀酸 5. 5. 琥珀酰琥珀酰CoACoA转化成琥珀酸转化成琥珀酸（琥珀酰（琥珀酰CoACoA合成酶催化）合成酶催化）底物水平磷酸化底物水平磷酸化GTP+ADPGDP+ATP核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶6.6.琥珀酸脱氢生成延胡索酸（反丁烯二酸）琥珀
17、酸脱氢生成延胡索酸（反丁烯二酸）v 该酶含该酶含FADFAD外，还有三种铁硫聚簇，外，还有三种铁硫聚簇， 2Fe-2S2Fe-2S， 3Fe-4S3Fe-4S，4Fe-4S4Fe-4S 开始四碳酸之间的转变开始四碳酸之间的转变v TCA TCA中第三次氧化的步骤中第三次氧化的步骤v丙二酸为该酶的竞争性抑制剂丙二酸为该酶的竞争性抑制剂琥珀酸琥珀酸琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶FAD FADH2延胡索酸延胡索酸7.7.延胡索酸被水化生成延胡索酸被水化生成L-L-苹果酸苹果酸（延胡索酸酶催化）（延胡索酸酶催化）H2O 延胡索酸酶延胡索酸酶苹果酸苹果酸延胡索酸延胡索酸8. 8. 苹果酸脱氢生成草酰乙酸苹果酸
18、脱氢生成草酰乙酸（苹果酸脱氢酶催化）（苹果酸脱氢酶催化）苹果酸苹果酸NAD+ NADH+H+ 苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶草酰乙酸草酰乙酸 OCH3-C-SCoACoASHNADH +CO2FADH2H2ONADH+CO2NADHGTP柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸顺乌头酸顺乌头酸 酮戊二酸酮戊二酸琥珀酸琥珀酸琥珀酰琥珀酰CoA延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸NAD+NAD+FADNAD+三、三、TCATCA循环的化学计量循环的化学计量 乙酰乙酰CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+3NADH+FADH2+GTP+CoA+3H+ 循环有以下特点：循环有以下特点：乙酰
19、乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸，使两个与草酰乙酸缩合形成柠檬酸，使两个C原子进入循环。在以后的两原子进入循环。在以后的两步脱羧反应中，有两个步脱羧反应中，有两个C原子以原子以CO2的形式离开循环，相当于乙酰的形式离开循环，相当于乙酰CoA的的2个个C原子形成原子形成CO2。在循环中有在循环中有4对对H原子通过原子通过4步氧化反应脱下，其中步氧化反应脱下，其中3对用以还原对用以还原NAD+生成生成3个个NADH+H+,1对用以还原对用以还原FAD,生成生成1个个FADH2。由琥珀酰由琥珀酰CoA形成琥珀酸时，偶联有底物水平磷酸化生成形成琥珀酸时，偶联有底物水平磷酸化生成1个个GTP, 1GT
20、P1ATP。3NADH 7.5 ATP ; 1FADH2 1.5ATP; 再加上再加上1个个GTP单向进行单向进行整个循环不需要氧，但离开氧无法进行。整个循环不需要氧，但离开氧无法进行。1 1分子乙酰分子乙酰CoACoA通过通过TCATCA循环被氧化，可生成循环被氧化，可生成1010分子分子ATPATP。可见由糖酵解和可见由糖酵解和TCATCA循环相连构成的糖的有循环相连构成的糖的有氧氧化途径，是机体利用糖氧化获得能量的氧氧化途径，是机体利用糖氧化获得能量的最有效的方式，也是机体产生能量的主要方最有效的方式，也是机体产生能量的主要方式。式。 若从丙酮酸开始，加上生成的若从丙酮酸开始，加上生成的
21、1个个NADH，则共，则共产生产生10+2.5=12.5个个ATP。若从葡萄糖开始，共可产生若从葡萄糖开始，共可产生12.52+7=3212.52+7=32个个ATPATP。( (二版及其他教材为二版及其他教材为3838个个ATPATP，NADHNADH3ATP3ATP，FADHFADH2 2 2ATP2ATP) )上述过程均可导致草酰乙酸浓度下降，从而影响三羧酸循环上述过程均可导致草酰乙酸浓度下降，从而影响三羧酸循环的运转，因此必须不断补充才能维持其正常进行，这种补充的运转，因此必须不断补充才能维持其正常进行，这种补充称为称为回补反应或填补反应回补反应或填补反应(anaplerotic re
22、action)。 四、三羧酸循环的回补反应四、三羧酸循环的回补反应三羧酸循环不仅是产生三羧酸循环不仅是产生ATPATP的途径，它的中间产物也是的途径，它的中间产物也是生物合成的前体，如生物合成的前体，如 - -酮戊二酸酮戊二酸 谷氨酸谷氨酸 草酰乙酸草酰乙酸 天冬氨酸天冬氨酸 琥珀酰琥珀酰CoA CoA 卟啉环卟啉环丙酮酸羧化丙酮酸羧化草酰乙酸的回补反应主要通过草酰乙酸的回补反应主要通过4 4个途径：个途径：PEP的羧化的羧化 苹果酸脱氢苹果酸脱氢 由氨基酸形成由氨基酸形成1.1.丙酮酸羧化丙酮酸羧化( (动物体内的主要回补反应动物体内的主要回补反应) )草酰乙酸或循草酰乙酸或循环中任何一种环
23、中任何一种中间产物不足中间产物不足TCATCA循环循环速度降低速度降低乙酰乙酰-CoA-CoA浓度增加浓度增加高水平的乙酰高水平的乙酰CoACoA激活激活产生更多的草酰乙酸产生更多的草酰乙酸丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶在线粒体内进行在线粒体内进行 2.PEP2.PEP羧化羧化（在植物、酵母、细菌）（在植物、酵母、细菌）v反应在胞液中进行反应在胞液中进行 3. 3.苹果酸脱氢苹果酸脱氢丙酮酸丙酮酸4. 4. 氨基酸转化氨基酸转化-酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酸谷氨酸草酰乙酸草酰乙酸五、三羧酸循环的调控五、三羧酸循环的调控 三羧酸循环的速度主要取决于细胞对三羧酸循环的速度主要取决于细胞对ATP
24、ATP的需求的需求量，另外也受细胞对于中间产物需求的影响。有量，另外也受细胞对于中间产物需求的影响。有3 3个个调控部位调控部位: :1.1.柠檬酸合成酶（限速酶）柠檬酸合成酶（限速酶）ATPATP、NADHNADH是该酶的变构抑制剂，高浓度的是该酶的变构抑制剂，高浓度的ATP ATP 和和NADHNADH抑抑制柠檬酸的合成，即抑制三羧酸循环地进行。高浓度的琥制柠檬酸的合成，即抑制三羧酸循环地进行。高浓度的琥珀酰珀酰-CoA-CoA抑制该酶的活性。抑制该酶的活性。 2.2.异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶该酶受该酶受ATPATP和和NADHNADH变构抑制，受变构抑制，受ADPADP变构促进和变构促进和CaCa2+2+激活。激活。 3.3.- -酮戊二酸脱氢酶酮戊二酸脱氢酶该酶受产物琥珀酰该酶受产物琥珀酰CoACoA和和NADHNADH抑制，也受高能荷抑制。抑制，也受高能荷抑制。CaCa2+2+激活。激活。三三羧羧酸酸循循环环的的过过程程及及其其调调控控 （- -）与糖酵解一起构成糖的有氧代谢，为有机体提供大与糖酵解一起构成糖的有氧代谢，为有机体提供大量的能量量的能量六、三羧酸循环的生物学意义六、三羧酸循环的生物学意义是糖、脂类和蛋白质代谢联络的枢纽是糖、脂类和蛋白质代谢联络的枢纽为其他生物合成提供原料为其他生物合成提供原料
