教学课件第九章三羧酸循环

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1、目目 录录第第 九九 章章三羧酸循环Tricarboxylic Acid Cycle第二篇 物质代谢与能量代谢目目 录录糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA TCA循环循环 2H 2H 呼呼吸吸链链 H H2 2O O ADP+Pi ATP COCO2 2 * * 营养物在生物体内氧化的一般过程营养物在生物体内氧化的一般过程目目 录录n在真核生物，在真核生物，TCA循环在循环在线粒体线粒体中进行，中进行，与呼吸链在功能和结构上相偶联。与呼吸链在功能和结构上相偶联。目目 录录第第 一一 节节 三羧酸循环的概念及其发现史三羧酸

2、循环的概念及其发现史Concept and Scientific History of Tricarboxylic Acid Cycle 目目 录录一、一、TCA循环是以形成柠檬酸为起始物循环是以形成柠檬酸为起始物的循环反应系统的循环反应系统nTCA循环是一个由一系列酶促反应构成的循环反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，首先由应系统，在该反应过程中，首先由乙酰乙酰CoA（主（主要来自于三大营养物质的分解代谢）与要来自于三大营养物质的分解代谢）与草酰乙酸草酰乙酸缩合生成含缩合生成含3个羧基的个羧基的柠檬酸柠檬酸（citric acid），再），再经过经过4次脱氢、次脱

3、氢、2次脱羧，生成次脱羧，生成4分子还原当量分子还原当量（reducing equivalent）和）和2分子分子CO2，重新生成，重新生成草酰乙酸草酰乙酸的这一循环反应过程称为的这一循环反应过程称为三羧酸循环三羧酸循环。 目目 录录n还原当量（还原当量（reducing equivalent ）一一一一般般般般是是是是指指指指以以以以氢氢氢氢原原原原子子子子或或或或氢氢氢氢离离离离子子子子形形形形式式式式存存存存在在在在的的的的一个电子或一个电子当量。一个电子或一个电子当量。一个电子或一个电子当量。一个电子或一个电子当量。 目目 录录三三羧羧酸酸循循环环也也称称为为柠柠檬檬酸酸循循环环（ci

4、tric acid cycle），这这是是因因为为循循环环反反应应中中的的第第一一个个中中间间产产物物是是一一个个含含三三个个羧羧基基的的柠柠檬檬酸酸。由由于于Krebs正正式式提提出出了了三三羧羧酸酸循循环环的的学学说说，故故此此循循环环又称为又称为Krebs循环。循环。二、二、Hans Krebs创立了创立了“TCA循环循环”学学说说目目 录录n1937年年，Hans Krebs利利用用鸽鸽子子胸胸肌肌（这这块块肌肌肉肉在在飞飞行行中中有有相相当当高高的的呼呼吸吸频频率率，因因此此特特别别适适合合于于氧氧化化过过程程的的研研究究）的的组组织织悬悬液液，测测定定了了在在不不同同的的有有机机酸

5、酸作作用用下下，丙丙酮酮酸酸氧氧化化过过程程中中的的耗耗氧氧率率，首首次次提出在动物组织中丙酮酸氧化途径的假说提出在动物组织中丙酮酸氧化途径的假说。 目目 录录nAlbert Szent-Gyorgyi等等已已经经发发现现动动物物肌肌肉肉组组织织中中某某些些4碳碳二二羧羧酸酸（琥琥珀珀酸酸、延延胡胡索索酸酸、苹苹果果酸酸和和草草酰乙酸酰乙酸）能刺激氧的消耗。）能刺激氧的消耗。nKrebs证证实实了了这这项项发发现现，并并且且发发现现它它们们也也可可刺刺激激丙丙酮酮酸酸的的氧氧化化过过程程。而而且且他他还还发发现现肌肌肉肉中中丙丙酮酮酸酸的的氧氧化化还还可可被被6碳碳三三羧羧酸酸，如如柠柠檬檬酸

6、酸、顺顺乌乌头头酸酸和和异异柠柠檬檬酸酸及及5碳碳的的-酮酮戊戊二二酸酸激激活活。上上述述有有机机酸酸的的激激活活效效应应是是显显著著的的，任任何何一一种种这这些些有有机机酸酸的的增增加加，甚甚至至是是很很少少量量的的增增加加都都能能大大大大激激活活丙丙酮酮酸酸的的氧氧化化过程。过程。 目目 录录nKrebs的的第第二二项项重重大大发发现现是是观观察察到到丙丙二二酸酸对对丙丙酮酮酸酸有氧氧化的抑制作用。有氧氧化的抑制作用。n丙丙二二酸酸是是琥琥珀珀酸酸的的类类似似物物，是是琥琥珀珀酸酸脱脱氢氢酶酶的的竞竞争争性性抑抑制制剂剂，在在肌肌肉肉悬悬浮浮液液中中，无无论论加加入入上上述述哪哪一一种种有

7、有机机酸酸，只只要要丙丙二二酸酸存存在在，丙丙酮酮酸酸的的有有氧氧氧氧化化过过程程就就会会被被抑抑制制。这这表表明明在在涉涉及及丙丙酮酮酸酸氧氧化化的的酶酶促促反反应应中，琥珀酸和琥珀酸脱氢酶必定是很关键的成分。中，琥珀酸和琥珀酸脱氢酶必定是很关键的成分。nKrebs进进一一步步发发现现，当当用用丙丙二二酸酸去去抑抑制制肌肌肉肉组组织织悬悬液液中中的的丙丙酮酮酸酸的的有有氧氧氧氧化化时时，在在这这个个悬悬液液介介质质中中就就会会有有柠柠檬檬酸酸、-酮酮戊戊二二酸酸和和琥琥珀珀酸酸的的积积累累，这这表表明明柠檬酸和柠檬酸和-酮戊二酸通常为琥珀酸的前体。酮戊二酸通常为琥珀酸的前体。 目目 录录n根

8、根据据上上述述实实验验观观察察和和一一些些其其它它的的证证据据，Krebs得得出出一一个个结结论论：上上述述有有机机三三羧羧酸酸和和二二羧羧酸酸可可以以以以一一个个符符合合化化学学逻逻辑辑的的序序列列排排列列。因因为为用用丙丙酮酮酸酸和和草草酰酰乙乙酸酸与与肌肌组组织织共共同同孵孵育育，即即可可导导致致溶溶液液介介质质中中柠柠檬檬酸酸的的堆堆积积，所所以以Krebs推推理理这这一一系系列列反反应应是是以以循循环环的的方方式式而而不不是是以以线线性性的的方方式式存存在在，即即它它的的开开始始和结尾是连在一起的。和结尾是连在一起的。 目目 录录n从从这这些些简简单单的的实实验验和和逻逻辑辑推推理理

9、中中，Krebs假假定定他他所所称称的的柠柠檬檬酸酸循循环环是是肌肌肉肉中中碳碳水水化化合合物物氧氧化化的的主主要要途途径径。柠柠檬檬酸酸循循环环也也称称TCA循循环环，因因为为在在Krebs提提出出这这个个循循环环假假说说的的若若干干年年以以后后，还还不不确确定定柠柠檬檬酸酸或或者者一一些些其其它它的的三三羧羧酸酸，例例如如异异柠柠檬檬酸酸是是否否是是由由丙丙酮酮酸酸和和草草酰酰乙乙酸酸反反应应所所形形成成的的第第一一个个产产物物。自自Krebs提提出出TCA循循环环的的假假设设后后，研研究究发发现现该该循循环环不不仅仅在在肌肌肉肉组组织织中中起起作作用用，而而且且在在需需氧氧动动物物和和植

10、植物物的的所所有有组组织织中中，以以及及许许多多需需氧氧微微生生物物中中均均发发挥着功能。挥着功能。 目目 录录nTCA循循环环最最初初只只是是建建立立在在实实验验基基础础上上的的假假说说。随随后后，在在体体外外对对参参与与循循环环中中酶酶的的研研究究证证实实并并阐阐明明了了该该循循环环的的细细节节。但但是是这这些些酶酶是是否否在在完完整整的的活活细细胞胞的的循循环环中中真真正正发发挥挥功功能能？细细胞胞内内该该循循环环的的效效率率是是否否足足以以解解释释动动物物组组织织中中葡葡萄萄糖糖氧氧化化的的效效率率？这这些些问问题题已已经经通通过过用用同同位位素素标标记记的的代代谢谢物物研研究究（如如

11、丙丙酮酮酸酸或或乙乙酸酸酯酯分分子子中中特特定定碳碳原原子子的的13C或或14C标标记记等等同同位位素素示示踪踪实实验验），证证实实TCA循循环环确确实实以以很很高高的的效效率率在在活活细细胞胞中中存存在在。现现在在TCA循循环环已已被被公公认认为是营养物分解代谢的必经途径。为是营养物分解代谢的必经途径。 目目 录录第第 二二 节节三羧酸循环的反应过程及其调控三羧酸循环的反应过程及其调控 Reactions and Regulation of Tricarboxylic Acid Cycle 目目 录录一、三羧酸循环由一、三羧酸循环由8步代谢反应组成步代谢反应组成目目 录录1. 乙酰乙酰CoA

12、与草酰乙酸缩合成柠檬酸的合与草酰乙酸缩合成柠檬酸的合成成n 乙酰辅酶乙酰辅酶A（acetyl CoA）与草酰乙酸）与草酰乙酸（oxaloacetate）缩合成柠檬酸（）缩合成柠檬酸（citrate）；）；n 反应由反应由柠檬酸合酶（柠檬酸合酶（citrate synthase）催化。催化。目目 录录2. 柠檬酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸柠檬酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸n此反应是由此反应是由顺乌头酸酶顺乌头酸酶催化的异构化反应；催化的异构化反应；n由两步反应构成，由两步反应构成，(1)：脱水反应；：脱水反应；(2)：水合反应。：水合反应。目目 录录3. 异柠檬酸氧化脱羧转变为异柠檬酸氧化脱羧转变为-

13、酮戊二酸羧酮戊二酸羧n异柠檬酸在异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶（异柠檬酸脱氢酶（Isocitrate dehydrogenase）作用下，氧化脱羧而转作用下，氧化脱羧而转变成变成 -酮戊二酸（酮戊二酸（ - Ketoglutarate）。）。目目 录录4. -酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰 CoAn在在 -酮戊二酸脱氢酶复合体酮戊二酸脱氢酶复合体催化下催化下 -酮戊二酸氧酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰化脱羧生成琥珀酰CoA(succinyl-CoA)；n该脱氢酶复合体的组成及催化机理与丙酮酸脱氢该脱氢酶复合体的组成及催化机理与丙酮酸脱氢酶复合体类似。酶复合体类似。目目 录录5. 琥

14、珀酰琥珀酰CoA合成酶催化底物水平磷酸化反应合成酶催化底物水平磷酸化反应 n在在琥琥珀珀酰酰CoA合合成成酶酶催催化化下下，琥琥珀珀酰酰CoA的的高高能能硫硫酯酯键键水水解与解与GDP磷酸化偶联，生成琥珀酸、磷酸化偶联，生成琥珀酸、GTP和辅酶和辅酶A。n这是三羧酸循环中唯一直接生成高能磷酸键的反应。这是三羧酸循环中唯一直接生成高能磷酸键的反应。目目 录录GTPGDPATPADP核苷二磷核苷二磷酸激酶酸激酶目目 录录6. 琥珀酸脱氢生成延胡索酸琥珀酸脱氢生成延胡索酸 n此步反应由此步反应由琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶催化，其辅酶是催化，其辅酶是FAD，是三羧酸循环中唯一与内膜结合的酶。是三羧酸循环

15、中唯一与内膜结合的酶。目目 录录7. 延胡索酸加水生成苹果酸延胡索酸加水生成苹果酸n苹果酸酶苹果酸酶催化此步反应。催化此步反应。目目 录录8. 苹果酸脱氢生成草酰乙酸苹果酸脱氢生成草酰乙酸n苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶催化此步反应，辅酶是催化此步反应，辅酶是NAD+。CoASHNADH+H+NAD+COCO2 2NAD+NADH+H+COCO2 2GTPGTPGDP+PiGDP+PiFADFADH2NADH+H+NAD+H2OH2OH2OCoASHCoASHH2O柠檬酸合酶柠檬酸合酶顺乌头酸酶顺乌头酸酶异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶-酮戊二酸脱戊二酸脱氢酶酶复合体复合体琥珀酰琥珀酰CoA合成酶合成酶

16、琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶延胡索酸酶延胡索酸酶苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶GTPGDPATPADP核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶目目 录录目目 录录2CO242H目目 录录二、二、1次次TCA循环生成循环生成2分子分子CO2n在在TCA循循环环反反应应过过程程中中，从从2个个碳碳原原子子的的乙乙酰酰CoA与与4个个碳碳原原子子的的草草酰酰乙乙酸酸缩缩合合成成6个个碳碳原原子子的的柠檬酸开始，柠檬酸开始， 反复地脱氢氧化。反复地脱氢氧化。nTCA循循环环中中通通过过脱脱羧羧方方式式生生成成CO2。1个个二二碳碳单单位位进进入入TCA后后，有有2次次脱脱羧羧反反应应，生生成成2分分子子CO2，这是体内，这

17、是体内CO2的主要来源。的主要来源。nTCA循循环环过过程程中中，共共有有4次次脱脱氢氢，其其中中3次次脱脱氢氢由由NAD+接受，接受，1次由次由FAD接受。接受。目目 录录nTCA循环过程中，共有循环过程中，共有4次脱氢，其中次脱氢，其中3次脱氢由次脱氢由NAD+接受，接受，1次由次由FAD接受。接受。nTCA循环本身每循环一次只能以底物水平磷酸化循环本身每循环一次只能以底物水平磷酸化生成生成1个个ATP。TCA循环总反应式：循环总反应式：CH3COSCoA + 3NAD+ +FAD + GDP + Pi + 2H2O2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + HSCoA +

18、GTP目目 录录三、三、TCA循环的中间产物本身并无量的变化循环的中间产物本身并无量的变化nTCA循环的中间产物包括草酰乙酸在内起着催化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。剂的作用，本身并无量的变化。n不可能通过不可能通过TCA直接从乙酰直接从乙酰CoA合成草酰乙酸或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其他中间产物；同样，这些中间产物也不可能直接在接在TCA循环中被氧化生成循环中被氧化生成CO2和和H2O。nTCA循环中的草酰乙酸主要来自丙酮酸的直接羧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，化，也可通过苹

19、果酸脱氢产生。无论何种来源，其最终来源是葡萄糖。其最终来源是葡萄糖。目目 录录四、四、TCA循环受底物、产物和关键酶循环受底物、产物和关键酶活性调节活性调节nTCA循环的速度和流量主要受种因素的调控：循环的速度和流量主要受种因素的调控：底物的供应量底物的供应量催化循环最初几步反应的酶的反馈别构抑制催化循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产物堆积的抑制作用目目 录录（一）（一）TCA循环中有个关键酶循环中有个关键酶nTCA循环中催化个不可逆反应的酶：循环中催化个不可逆反应的酶：柠檬酸合酶柠檬酸合酶异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶-酮戊二酸脱氢酶酮戊二酸脱氢酶目目 录录乙酰乙酰CoA

20、柠檬酸柠檬酸 草酰乙酸草酰乙酸 琥珀酰琥珀酰CoA -酮戊二酸酮戊二酸 异柠檬酸异柠檬酸 苹果酸苹果酸 NADH FADH2 GTPATP异柠檬酸异柠檬酸 脱氢酶脱氢酶柠檬酸合酶柠檬酸合酶 -酮戊二酸酮戊二酸脱氢酶复合体脱氢酶复合体 ATP +ADP ADP +ATP 柠檬酸柠檬酸 琥珀酰琥珀酰CoA NADH 琥珀酰琥珀酰CoA NADH +Ca2+ Ca2+ ATP、ADP的影响的影响 产物堆积引起抑制产物堆积引起抑制循循环环中中后后续续反反应应中中间间产产物物别别位位反反馈馈抑抑制制前前面面反反应应中的酶中的酶其他，如其他，如Ca2+可可激活许多酶激活许多酶三羧酸循环的调节三羧酸循环的调

21、节目目 录录（二）（二）TCA循环与上游和下游反应协调循环与上游和下游反应协调n在正常情况下，（糖）酵解途径和在正常情况下，（糖）酵解途径和TCA循环的循环的速度相协调；速度相协调；n氧化磷酸化的速率对氧化磷酸化的速率对TCA循环的运转也起着非循环的运转也起着非常重要的作用。常重要的作用。目目 录录五、五、TCA循环中的多种酶以复合体循环中的多种酶以复合体形式存在于线粒体形式存在于线粒体nTCA循环中的酶在线粒体中是以多种酶组成的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复合体形式存在，这种酶复合体被称为代谢区室（室（metabolons），它在细胞内能够有效

22、地），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，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。因此也可影响代谢的速率。目目 录录第三节第三节三羧酸循环的生理意义三羧酸循环的生理意义 Physiologic Significance of Tricarboxylic Acid Cycle目目 录录一、一、TCA循环是一条循环是一条“两用代谢途径两用代谢途径”nTCA循环在大多数生物中是分解代谢途径循环在大多数生物中是分解代谢途径;n多种生物合成途径也利用多种生物合成途径也利用TCA

23、循环的中间产物循环的中间产物作为合成反应的起始物。作为合成反应的起始物。（一）（一）TCA循环参与合成和分解途径的组成循环参与合成和分解途径的组成目目 录录TCA中间产物中间产物（二）（二）TCATCA循环中间产物是合成糖、脂肪酸和循环中间产物是合成糖、脂肪酸和氨基酸的前体氨基酸的前体1. TCA循环中间产物可以异生为糖循环中间产物可以异生为糖草酰乙酸草酰乙酸异生为葡萄糖异生为葡萄糖氨基酸氨基酸目目 录录乙酰乙酰CoA2. TCA循环中间产物可为脂酸合成提供原料循环中间产物可为脂酸合成提供原料合成脂酸合成脂酸柠檬酸柠檬酸-丙酮酸循环丙酮酸循环目目 录录-酮戊二酸酮戊二酸 + NH4+3. TC

24、A循环中间产物可为非必需氨基酸合成提供碳架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谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶NADH + H+NAD+目目 录录目目 录录（三）添补反应补充（三）添补反应补充TCA循环中间产物循环中间产物n参与其他代谢途径而消耗的参与其他代谢途径而消耗的TCA循环中间产物必循环中间产物必须及时补充，才能保持须及时补充，才能保持TCA循环顺利进行。这类循环顺利进行。这类反应被称为反应被称为添补反应（添补反应（anaplerotic reaction）。n最重要的添补反应是由丙酮酸羧化酶催化的，从最重要的添补反应是由丙酮酸羧化酶催化的，从丙酮酸生成草酰乙酸的反应。丙酮酸生

25、成草酰乙酸的反应。丙酮酸丙酮酸 + CO2草酰乙酸草酰乙酸丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶ATPADP + Pi目目 录录n乙酰乙酰CoA是丙酮酸羧化酶的激活剂；是丙酮酸羧化酶的激活剂；nTCA循环中的酶促反应可以将草酰乙酸转变为其循环中的酶促反应可以将草酰乙酸转变为其他中间产物；他中间产物；n此外，可由别的途径生成一些中间产物，如：此外，可由别的途径生成一些中间产物，如：奇数碳链脂肪酸奇数碳链脂肪酸琥珀酰琥珀酰CoA某些氨基酸某些氨基酸-酮戊二酸、草酰乙酸酮戊二酸、草酰乙酸目目 录录二、二、TCA循环在循环在3大营养物质代谢中大营养物质代谢中具有重要生理意义具有重要生理意义（一）（一）TCA循环是三大营养物质的最终代谢循环是三大营养物质的最终代谢通路通路（二）（二）TCA循环是糖、脂肪和氨基酸代谢联循环是糖、脂肪和氨基酸代谢联系的枢纽系的枢纽