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1、目目 录录第第 十十 章章三羧酸循环三羧酸循环Tricarboxylic Acid Cycle目目 录录第第 一一 节节 三羧酸循环的发现三羧酸循环的发现Discovery of the Citric Acid Cycle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三羧酸循环是三类营养物
2、质氧化分解的三羧酸循环是三类营养物质氧化分解的（共同）第二阶段（共同）第二阶段目目 录录n在真核生物，在真核生物，TCA循循环在在线粒体粒体中中进行，行，与呼吸与呼吸链在功能和在功能和结构上相偶构上相偶联。目目 录录三三羧酸酸循循环亦亦称称柠檬檬酸酸循循环（citric acid cycle），这是是因因为循循环反反应中中的的第第一一个个中中间产物物是是一一个个含含三三个个羧基基的的柠檬檬酸酸。由由于于Krebs正正式式提提出出了了三三羧酸酸循循环的的学学说，故故此此循循环又又称称为Krebs循循环。二、二、Krebs发现三羧酸循环发现三羧酸循环目目 录录n1937年年，Hans Krebs利
3、利用用鸽子子胸胸肌肌（这块肌肌肉肉在在飞行行中中有有相相当当高高的的呼呼吸吸频率率，因因此此特特别适适合合于于氧氧化化过程程的的研研究究）的的组织悬液液，测定定了了在在不不同同的的有有机机酸酸作作用用下下，丙丙酮酸酸氧氧化化过程程中中的的耗耗氧氧率率，首首次次提出在提出在动物物组织中丙中丙酮酸氧化途径的假酸氧化途径的假说。 目目 录录nAlbert Szent-Gyorgyi等等已已经发现动物物肌肌肉肉组织中中某某些些4碳碳二二羧酸酸（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乙酸）能刺激氧的消耗。）能刺激氧的消耗。nKrebs证实了了这项发现，并并且且发现它它们也也可可刺刺激
4、激丙丙酮酸酸的的氧氧化化过程程。而而且且他他还发现肌肌肉肉中中丙丙酮酸酸的的氧氧化化还可可被被6碳碳三三羧酸酸，如如柠檬檬酸酸、顺乌头酸酸和和异异柠檬檬酸酸及及5碳碳的的-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是是显著著的的，任任何何一一种种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酸酸的的氧氧化化过程。程。 目目 录录nKrebs的的第第二二项重重大大发现是是观察察到到丙丙二二酸酸对丙丙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似似物物，是是琥琥珀珀酸酸脱脱氢酶的的竞争争性
5、性抑抑制制剂，在在肌肌肉肉悬浮浮液液中中，无无论加加入入上上述述哪哪一一种种有有机机酸酸，只只要要丙丙二二酸酸存存在在，丙丙酮酸酸的的有有氧氧氧氧化化过程程就就会会被被抑抑制制。这表表明明在在涉涉及及丙丙酮酸酸氧氧化化的的酶促促反反应中，琥珀酸和琥珀酸脱中，琥珀酸和琥珀酸脱氢酶必定是很关必定是很关键的成分。的成分。nKrebs进一一步步发现，当当用用丙丙二二酸酸去去抑抑制制肌肌肉肉组织悬液液中中的的丙丙酮酸酸的的有有氧氧氧氧化化时，在在这个个悬液液介介质中中就就会会有有柠檬檬酸酸、-酮戊戊二二酸酸和和琥琥珀珀酸酸的的积累累，这表表明明柠檬酸和檬酸和-酮戊二酸通常戊二酸通常为琥珀酸的前体。琥珀酸
6、的前体。 目目 录录n根根据据上上述述实验观察察和和一一些些其其他他的的证据据，Krebs得得出出一一个个结论：上上述述有有机机三三羧酸酸和和二二羧酸酸可可以以以以一一个个符符合合化化学学逻辑的的序序列列排排列列。因因为用用丙丙酮酸酸和和草草酰乙乙酸酸与与肌肌组织共共同同孵孵育育，即即可可导致致溶溶液液介介质中中柠檬檬酸酸的的堆堆积，所所以以Krebs推推理理这一一系系列列反反应是是以以循循环的的方方式式而而不不是是以以线性性的的方方式式存存在在，即即它它的的开开始始和和结尾是尾是连在一起的。在一起的。 目目 录录n从从这些些简单的的实验和和逻辑推推理理中中，Krebs假假定定他他所所称称的的
7、柠檬檬酸酸循循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。柠檬檬酸酸循循环也也称称TCA循循环，因因为在在Krebs提提出出这个个循循环假假说的的若若干干年年以以后后，还不不确确定定柠檬檬酸酸或或者者一一些些其其它它的的三三羧酸酸，例例如如异异柠檬檬酸酸是是否否是是由由丙丙酮酸酸和和草草酰乙乙酸酸反反应所所形形成成的的第第一一个个产物物。自自Krebs提提出出TCA循循环的的假假设后后，研研究究发现该循循环不不仅在在肌肌肉肉组织中中起起作作用用，而而且且在在需需氧氧动物物和和植植物物的的所所有有组织中中，以以及及许多多需需氧氧微微生生物物中中均均发挥着功能。着功能。 目
8、目 录录nTCA循循环最最初初只只是是建建立立在在实验基基础上上的的假假说。随随后后，在在体体外外对参参与与循循环中中酶的的研研究究证实并并阐明明了了该循循环的的细节。但但是是这些些酶是是否否在在完完整整的的活活细胞胞的的循循环中中真真正正发挥功功能能？细胞胞内内该循循环的的效效率率是是否否足足以以解解释动物物组织中中葡葡萄萄糖糖氧氧化化的的效效率率？这些些问题已已经通通过用用同同位位素素标记的的代代谢物物研研究究（如如丙丙酮酸酸或或乙乙酸酸酯分分子子中中特特定定碳碳原原子子的的13C或或14C标记等等同同位位素素示示踪踪实验），证实TCA循循环确确实以以很很高高的的效效率率在在活活细胞胞中中
9、存存在在。现在在TCA循循环已已被被公公认为是是营养物分解代养物分解代谢的必的必经途径。途径。 目目 录录第第 二二 节节三羧酸循环的反应过程三羧酸循环的反应过程Reactions of Tricarboxylic Acid Cycle Reactions目目 录录nTCA循循环是是一一个个由由一一系系列列酶促促反反应构构成成的的循循环反反应系系统，在在该反反应过程程中中，首首先先由由乙乙酰CoA（主主要要来来自自于于三三大大营养养物物质的的分分解解代代谢）与与草草酰乙乙酸酸缩合合生生成成含含3个个羧基基的的柠檬檬酸酸（citric acid），再再经过4次次脱脱氢、2次次脱脱羧，生生成成4分
10、分子子还原原当当量量（reducing equivalent）和和2分分子子CO2，重重新新生生成成草草酰乙酸乙酸的的这一循一循环反反应过程称程称为三三羧酸循酸循环。 目目 录录n还原当量（原当量（reducing equivalent ）一一般般是是指指以以氢氢原原子子或或氢氢离离子子形形式式存存在在的的一个电子或一个电子当量。一个电子或一个电子当量。 目目 录录一、一、TCA循环由八步反应组成循环反应途径循环由八步反应组成循环反应途径目目 录录（一）乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸反应由柠檬酸合酶（citrate synthase）催化。目目 录录（二）柠檬酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸此反应
11、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。目目 录录（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）。目目 录录（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目目 录录（五）琥珀酰CoA合成酶催化底物水平磷酸化反应 在琥珀酰CoA合成这是三羧酸循环中唯一直接生成高能磷酸键的反应。GTPGDPATPADP核苷二磷核苷二磷酸激酶酸激酶目目 录录目目 录录（六）琥珀酸脱氢生成延胡索酸 琥珀酸脱氢酶内膜结
12、合的酶。目目 录录（七）延胡索酸加水生成苹果酸延胡索酸酶催化此步（八）（八） 苹果酸脱氢生成草酰乙酸苹果酸脱氢生成草酰乙酸n苹果酸脱苹果酸脱氢酶催化此步反催化此步反应，辅酶是是NAD+。目目 录录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
13、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 录录一次一次TCA循环生成循环生成2分子分子CO2n在在TCA循循环反反应过程程中中，从从2个个碳碳原原子子的的乙乙酰CoA与与4个个碳碳原原子子的的草草酰乙乙酸酸缩合合成成6个个碳碳原原子子的的柠檬酸开始，檬酸开始， 反复地脱反复地脱氢氧化。氧化。nTCA循循环中中通通过脱脱羧方方式式生生成成CO2。1个个二二碳碳单位位进入入TCA后后，有有2次次脱脱羧反反应，生生成成2分分子子CO2，这是体内是体内CO2的主要来源。的主要来源。nTCA循循环过程程中中，共共有有4次次脱脱氢，其其中中3次次脱脱氢由
14、由NAD+接受，接受，1次由次由FAD接受。接受。目目 录录nTCA循循环过程中，共有程中，共有4次脱次脱氢，其中，其中3次脱次脱氢由由NAD+接受，接受，1次由次由FAD接受。接受。nTCA循循环本身每循本身每循环一次只能以底物水平磷酸化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 + 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循循环的中的中间产物包括草物
15、包括草酰乙酸在内起着催化乙酸在内起着催化剂的作用，本身并无量的的作用，本身并无量的变化。化。nTCA循循环中的草中的草酰乙酸主要来自丙乙酸主要来自丙酮酸的直接酸的直接羧化，也可通化，也可通过苹果酸脱苹果酸脱氢产生。无生。无论何种来源，何种来源，其最其最终来源是葡萄糖。来源是葡萄糖。目目 录录第第 三三 节节三羧酸循环的调控三羧酸循环的调控Regulation of Tricarboxylic Acid Cycle目目 录录TCA循环受底物、产物和调节酶活性循环受底物、产物和调节酶活性调节调节nTCA循循环的速度和流量主要受种因素的的速度和流量主要受种因素的调控：控：底物的供应量底物的供应量催化
16、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 录录丙酮酸脱氢酶复合体的活性变化可影丙酮酸脱氢酶复合体的活性变化可影响乙酰响乙酰CoA的生成的生成 n别构构调节当当脂脂肪肪酸酸或或乙乙酰酰CoA充充足足时时，或或ATP/ADP 和和 NADH/NAD_比值增高时，该酶活性被别构抑制；比值增高时，该酶活性被别构抑制；而而当当机机体体需需要要能能量量时时，或或ATP/ADP降降低低时时，该该酶酶被被AMP等变构激活。等变构激活。n化学修化学修饰调节当当胞胞内内ATP增增高高时时，丙丙酮酮酸酸脱脱氢氢酶酶复复合合体体成成分分中中的的丙
17、丙酮酮酸脱氢酶（酸脱氢酶（E1）由于磷酸化而失活；）由于磷酸化而失活；当当ATP减减少少时时，磷磷蛋蛋白白磷磷酸酸酶酶去去除除E1上上的的磷磷酸酸基基团团而而激活该复合体。激活该复合体。目目 录录TCA循环中有个调节酶循环中有个调节酶nTCA循循环中催化个不可逆反中催化个不可逆反应的的酶：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 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
18、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节目目 录录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循循环的的速度相速度相协调；n氧化磷酸化的速率氧化磷酸化的速率对TCA循
19、循环的运的运转也起着非也起着非常重要的作用。常重要的作用。目目 录录TCA循环的多种酶以复合体形式存在循环的多种酶以复合体形式存在于线粒体于线粒体nTCA循循环中的中的酶在在线粒体中是以多种粒体中是以多种酶组成的成的复合体形式存在，复合体形式存在，这种种酶复合体被称复合体被称为代代谢区区室（室（metabolons），它在），它在细胞内能胞内能够有效地有效地将代将代谢中中间产物从一种物从一种酶传递给另一种另一种酶。这些复合体具有高效介些复合体具有高效介导中中间产物流通的功能，物流通的功能，因此也可影响代因此也可影响代谢的速率。的速率。目目 录录第四节第四节三羧酸循环的生理意义三羧酸循环的生理意
20、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循循环在大多数生物中是分解代在大多数生物中是分解代谢途径途径;n多种生物合成途径也利用多种生物合成途径也利用TCA循循环的中的中间产物物作作为合成反合成反应的起始物。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中中间产物物（二）（二）TCA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
21、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参与其他代参与其他代谢途径而消耗的途径而消耗的TCA循循环中中间产物必物必须及及时补充，才
22、能保持充，才能保持TCA循循环顺利利进行。行。这类反反应被称被称为添添补反反应（anaplerotic reaction）。n最重要的添最重要的添补反反应是由丙是由丙酮酸酸羧化化酶催化的，从催化的，从丙丙酮酸生成草酸生成草酰乙酸的反乙酸的反应。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乙乙酰CoA是丙是丙酮酸酸羧化化酶的激活的激活剂；nTCA循循环中的中的酶促反促反应可以将草可以将草酰乙酸乙酸转变为其其他中他中间产物；物；n此外，可由此外，可由别的途径生成一些中的途径生成一些中间产物，如：物，如：奇数碳链脂肪酸奇数碳链脂肪酸琥珀酰琥珀酰C
23、oA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循环在三大营养物质代谢中循环在三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目目 录录第五节第五节三羧酸循环关键反应的分析三羧酸循环关键反应的分析原理原理 Analytical Principles of Key Reactions of Tricarboxylic Acid Cycle目目 录录一、采用分光光度法测定硫氢辅酶一、采用分
24、光光度法测定硫氢辅酶A生成量分析柠檬酸合酶活性生成量分析柠檬酸合酶活性反反应应生生成成的的辅辅酶酶A和和5,5-二二硫硫代代双双（2-硝硝基基苯苯甲甲酸酸）（DNTB）在在pH 7.4、0.1 M 三三乙乙醇醇胺胺和和 0.2 M 乙乙二二胺胺四四乙乙酸酸钙钙钠钠（EDTA ）溶溶液液中中反反应应生生成成硫硫氢氢辅辅酶酶A，其其在在412 nm时时有有吸吸收收峰峰，通通过过分分光光光光度度计计测测定定吸吸光光度度，测测定定硫硫氢氢辅辅酶酶A的的生成量。以此反映柠檬酸合酶酶活性。生成量。以此反映柠檬酸合酶酶活性。目目 录录二、采用分光光度法检测二、采用分光光度法检测NADH生成生成量分析异柠檬酸
25、脱氢酶活性量分析异柠檬酸脱氢酶活性反反应应中中异异柠柠檬檬酸酸脱脱氢氢酶酶酶酶活活性性的的检检测测主主要要通通过过测测定定生生成成的的NADH在在340 nm吸吸光光度度。检检测测体体系系包包括括120 mM 的D，L-异异柠柠檬檬酸酸三三钠钠 ，30 mM 的的硫硫酸酸锰锰, 20 mM 的的NAD+ 及及异异柠柠檬檬酸酸脱氢酶。脱氢酶。目目 录录三、采用分光光度法测定三、采用分光光度法测定NADH生成生成量分析量分析-酮戊二酸脱氢酶活性酮戊二酸脱氢酶活性通通过过测测定定NADH在在340 nm时时吸吸光光度度的的变变化化反反映映-酮酮戊戊二二酸酸脱脱氢氢酶酶复复合合体体酶酶活活性性。检检测
26、测体体系系包包括括1.0 ml的的磷磷酸酸盐盐；0.15 ml 的的辅辅酶酶A；0.1 ml 的的半半胱胱氨氨酸酸; 0.1 ml NAD+；0.5ml的酶。的酶。 目目 录录四、采用分光光度法测定顺乌头酸生成四、采用分光光度法测定顺乌头酸生成量分析顺乌头酸酶活性量分析顺乌头酸酶活性检检测测体体系系包包括括100 mmol/L 的的氯氯化化钠钠，30 mmol/L柠柠檬檬酸酸钠钠, 20 mmol/L Tris/HCl 和和酶酶，在在 1.00 ml反反应应终终体体积积，pH 7.4的的溶溶液液中中，反反应应在在25进进行行，通通过过检检测测顺顺乌乌头头酸酸在在240nm的的吸光度反映顺乌头酸酶的酶活性。吸光度反映顺乌头酸酶的酶活性。
