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1、第三节第三节 丙酮酸氧化脱羧与三羧酸循环丙酮酸氧化脱羧与三羧酸循环葡萄糖葡萄糖2丙酮酸丙酮酸2ADP2ADP2Pi2Pi2ATP2ATP2H2H2 2OO2NAD2NAD2NADH2NADH H HEMPTCA氧化磷酸化氧化磷酸化有氧条件有氧条件 三三羧羧酸酸循循环环( (tricarboxylictricarboxylic acid acid cycle)cycle)，又又叫叫做做TCATCA循循环环，是是由由于于该该循循环环的的第第一一个个产产物物是是柠柠檬檬酸酸，它含有三个羧基，故此得名。它含有三个羧基，故此得名。 该该循循环环的的提提出出的的主主要要贡贡献献者者是是英英国国生生化化学学
2、家家KrebsKrebs，所以又称所以又称KrebsKrebs循环循环。该循环还叫做该循环还叫做柠檬酸循环柠檬酸循环。 在有氧条件下，丙酮酸氧化脱羧形成乙酰在有氧条件下，丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoACoA，后者可进入三羧酸循环彻底氧化。后者可进入三羧酸循环彻底氧化。一、丙酮酸氧化脱羧一、丙酮酸氧化脱羧丙酮酸的氧化脱羧的部位：丙酮酸的氧化脱羧的部位：线粒体线粒体E E1 1 丙丙酮酮酸酸脱脱氢氢酶酶( (pyruvatepyruvate dehydrogenasedehydrogenase PDH)PDH)。催催化化丙丙酮酮酸酸的的脱脱羧羧及及脱脱氢氢，形形成成二二碳碳单单位位乙乙酰酰基。具有辅
3、基基。具有辅基TPPTPP。E E2 2 二二 氢氢 硫硫 辛辛 酸酸 乙乙 酰酰 转转 移移 酶酶 ( (dihydrolipoyldihydrolipoyl transacetylasetransacetylase TA)TA)。催催化化二二碳碳单单位位乙乙酰酰基基的的转转移移。具有辅基具有辅基硫辛酸硫辛酸。E E3 3 二二 氢氢 硫硫 辛辛 酸酸 脱脱 氢氢 酶酶 ( (dihydrolipoyldihydrolipoyl dehydrogenasedehydrogenase DLD)DLD)。催催化化还还原原型型硫硫辛辛酸酸氧氧化化型型。具有辅基具有辅基FADFAD。 催化此过程的是
4、丙酮酸脱氢酶复合体，它由催化此过程的是丙酮酸脱氢酶复合体，它由催化此过程的是丙酮酸脱氢酶复合体，它由催化此过程的是丙酮酸脱氢酶复合体，它由3 3 3 3种种种种酶有机地组合在一起：酶有机地组合在一起：酶有机地组合在一起：酶有机地组合在一起：一、丙酮酸氧化脱羧一、丙酮酸氧化脱羧Pyruvatedehydrogenasecomplexesfrom E. coli:the electron micrographa huge multimeric assemblyof three kinds of enzymes, having 60 subunits in bacteria and more in
5、mammals.A model of the E. coli pyruvatedehydrognasecomplex showing the three kinds of enzymes and the flexible lipoamide arms covalently attached to E2E2 (dihydrolipoyl transacetylase): consisting the core, 24 subunits;E1 (pyruvate dehydrogenase): bound to the E2 core, 24 subunits;E3(dihydrolipoyl d
6、ehydrogenase): bound to the E2 core, 12 subunits. PyruvateE2E3Hydroxyethyl-TPPCO2Acetyl-CoA整个过程涉及到的整个过程涉及到的6 6个辅因子个辅因子：TPP(TPP(焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素) )、硫辛酸、硫辛酸、FADFAD、NADNAD+ +、CoACoA、MgMg2+2+等。等。丙酮酸脱氢酶复合体呈圆球形，每个复合体含有：丙酮酸脱氢酶复合体呈圆球形，每个复合体含有：6 6个个PDHPDH、2424个个TATA、6 6个个DLDDLD其中其中TATA为复合物的核心，它的一条硫辛酸臂可以旋转。为复合物的核
7、心，它的一条硫辛酸臂可以旋转。一、丙酮酸氧化脱羧一、丙酮酸氧化脱羧一、丙酮酸氧化脱羧一、丙酮酸氧化脱羧一、丙酮酸氧化脱羧一、丙酮酸氧化脱羧 丙酮酸氧化脱羧的丙酮酸氧化脱羧的调控调控： 1、当细胞内ATP、乙酰CoA、NADH含量同时增加时，PDH磷酸化作用加强，阻碍丙酮酸氧化脱羧。反之则反。 2、乙酰CoA和NADH可分别抑制DLT和DLDH的活性，阻止氧化脱羧。 丙丙酮酮酸酸的的氧氧化化脱脱羧羧是是连连接接EMPEMP和和TCATCA的的纽纽带带，其其反反应应本本身身并并未未进进入入TCATCA，但但是是是是所所有有糖糖进进入入TCATCA的的必必由由之路。之路。 1. 乙酰乙酰CoACoA
8、与草酰乙酸缩合成柠檬酸与草酰乙酸缩合成柠檬酸二、三羧酸循环二、三羧酸循环1. 化学反应过程化学反应过程 先缩合成柠檬酰先缩合成柠檬酰CoACoA，然后水解然后水解 反应的能量由乙酰反应的能量由乙酰CoACoA的高能硫酯键提供，所以的高能硫酯键提供，所以使反应不可逆。使反应不可逆。这步反应由这步反应由 C C4 4 C C6 6 。1. 乙酰乙酰CoACoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸与草酰乙酸缩合成柠檬酸这步反应由这步反应由 C C4 4 C C6 6 。二、三羧酸循环二、三羧酸循环1. 化学反应过程化学反应过程Citrate synthase. Citrate is shown in green
9、and CoA pink2. 柠檬酸异构化成异柠檬酸柠檬酸异构化成异柠檬酸二、三羧酸循环二、三羧酸循环1. 化学反应过程化学反应过程顺顺3. 异柠檬酸氧化脱羧异柠檬酸氧化脱羧二、三羧酸循环二、三羧酸循环1. 化学反应过程化学反应过程 这阶段放出了这阶段放出了1 1分子分子CO2，由由 C6 C5 ；产生产生1 1分子分子NADH - -酮戊二酸脱氢酶复合体酮戊二酸脱氢酶复合体与与丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体非常相非常相似，也包含三种酶、六种辅因子。似，也包含三种酶、六种辅因子。4. - -酮戊二酸氧化脱羧酮戊二酸氧化脱羧二、三羧酸循环二、三羧酸循环1. 化学反应过程化学反应过程 这阶段
10、又放出了这阶段又放出了1 1分子分子CO2，由由 C5 C4 ；又产生又产生1分子分子NADH；形成形成1 1个高能硫酯键。个高能硫酯键。TPP Mg FAD 二硫辛酸TCA中唯一的中唯一的底物磷酸化底物磷酸化这阶段合成了这阶段合成了1分子高能磷酸化合物分子高能磷酸化合物GTP，GTP 再形成再形成ATP5. 由琥珀酰由琥珀酰CoACoA生成高能磷酸键生成高能磷酸键二、三羧酸循环二、三羧酸循环1. 化学反应过程化学反应过程GDP + Pi GTP 琥珀酸硫激酶(琥珀酰辅酶A合成酶)这阶段需要经历三步反应这阶段需要经历三步反应 脱氢、加水、脱氢脱氢、加水、脱氢6. 琥珀酸氧化使草酰乙酸再生琥珀酸
11、氧化使草酰乙酸再生这一阶段的这一阶段的反应为反应为C4的变化；的变化；产生产生1分子分子FADH2、1分子分子NADH。二、三羧酸循环二、三羧酸循环1. 化学反应过程化学反应过程The active site of malate dehydrogenase. Malate is shown in red; NAD+ blue.6. 琥珀酸氧化使草酰乙酸再生琥珀酸氧化使草酰乙酸再生二、三羧酸循环二、三羧酸循环1. 化学反应过程化学反应过程2. TCA循环的总反应二、三羧酸循环二、三羧酸循环2. TCA循环的总反应二、三羧酸循环二、三羧酸循环每经历一次每经历一次TCATCA循环循环 有有2 2个碳
12、原子通过乙酰个碳原子通过乙酰CoACoA进入循环，以后有进入循环，以后有2 2个碳原子通个碳原子通过脱羧反应离开循环。过脱羧反应离开循环。 有有4 4对氢原子通过脱氢反应离开循环，其中对氢原子通过脱氢反应离开循环，其中3 3对由对由NADHNADH携携带，带，1 1对由对由FADHFADH2 2携带。携带。 产生产生1 1分子高能磷酸化合物分子高能磷酸化合物GTPGTP，通过它可生成通过它可生成1 1分子分子ATPATP 消消耗耗2 2分分子子水水，分分别别用用于于合合成成柠柠檬檬酸酸（水水解解柠柠檬檬酰酰CoACoA）和延胡索酸的加水。和延胡索酸的加水。 二、三羧酸循环二、三羧酸循环2. T
13、CA循环的总反应 由由TCATCA循循环环产产生生的的NADHNADH和和FADHFADH2 2必必须须经经呼呼吸吸链链将将电电子子交交给给O O2 2，才才能能回回复复成成氧氧化化态态，再再去去接接受受TCATCA循循环脱下的氢。环脱下的氢。产物产物NADHNADH和和FADHFADH2 2的去路的去路: : TCATCA循循环环需需要要在在有有氧氧的的条条件件下下进进行行。否否则则NADHNADH和和FADHFADH2 2携携带带的的H H无无法法交交给给氧氧，即即呼呼吸吸链链氧氧化化磷磷酸酸化化无无法法进进行行，NADNAD+ +及及FADFAD不不能能被被再再生生，使使TCATCA循循
14、环环中的脱氢反应因缺乏氢的受体而无法进行。中的脱氢反应因缺乏氢的受体而无法进行。二、三羧酸循环二、三羧酸循环2. TCA循环的总反应维生素衍生的辅因子代号结构辅因子功能维生素维生素B B2 2核黄素核黄素黄素单核苷酸黄素单核苷酸FMN参与氧化还原参与氧化还原反应，是电子反应，是电子和氢的载体和氢的载体黄素腺嘌呤二黄素腺嘌呤二核苷酸核苷酸FADHH维生素衍生的辅因子代号结构辅因子功能维生素维生素B B5 5(PP)(PP)烟酸、烟烟酸、烟酰胺酰胺烟酰胺腺嘌呤烟酰胺腺嘌呤二核苷酸二核苷酸( (辅酶辅酶)NAD+ +参与脱氢反应，参与脱氢反应，是电子和氢的是电子和氢的载体载体烟酰胺腺嘌呤烟酰胺腺嘌呤
15、二核苷酸磷酸二核苷酸磷酸( (辅酶辅酶) )NADP+ + 乙乙酰酰CoACoA通通过过TCATCA循循环环脱脱下下的的氢氢由由NADHNADH及及FADHFADH2 2经呼吸链传递给经呼吸链传递给O O2 2，由此而由此而形成大量形成大量ATPATP。碳碳 源源乙酰乙酰CoACoA 2CO2CO2 2能能 量量1 1GTP 1ATPGTP 1ATP共共10ATP10ATP3 3NADH 2.5ATP3 = 7.5ATPNADH 2.5ATP3 = 7.5ATP1FADH1FADH2 2 1.5ATP1 = 1.5ATP 1.5ATP1 = 1.5ATP 由由乙乙酰酰CoACoA氧氧化化产产生
16、生的的ATPATP中中，只只有有1/11/10 0来来自自底底物物水平的磷酸化，其余都是由氧化磷酸化间接产生。水平的磷酸化，其余都是由氧化磷酸化间接产生。3.能量能量的化学计量二、三羧酸循环二、三羧酸循环碳碳 源源丙酮酸丙酮酸 乙酰乙酰CoACoA + CO + CO2 2 3CO 3CO2 2能能 量量丙酮酸氧化脱羧：丙酮酸氧化脱羧：1 1NADH NADH 2.5ATP2.5ATP共共12.5 12.5 ATPATPTCATCA循环：循环：10ATP10ATP3.能量能量的化学计量二、三羧酸循环二、三羧酸循环葡萄糖彻底氧化经由的途径：葡萄糖彻底氧化经由的途径：EMPEMP途径、丙酮酸氧化脱
17、羧、途径、丙酮酸氧化脱羧、TCATCA循环、呼吸链循环、呼吸链氧化磷酸化氧化磷酸化。3.能量能量的化学计量二、三羧酸循环二、三羧酸循环对于原核生物： 由于在由于在EMPEMP途径中生成的途径中生成的NADHNADH在线粒体外，其磷氧比在线粒体外，其磷氧比为为1.51.5，所以，所以1 1分子葡萄糖彻底氧化只能合成分子葡萄糖彻底氧化只能合成 3030 ATP ATP。对于真核生物（高等植物、真菌、动物的肌细胞）:3.能量能量的化学计量二、三羧酸循环二、三羧酸循环碳碳 源源葡萄糖葡萄糖 2 2丙酮酸丙酮酸 6 6CO2CO2能能 量量葡萄糖有氧酵解：葡萄糖有氧酵解：2 2ATP + 2NADH A
18、TP + 2NADH 7 ATP 7 ATP 共共32ATP32ATP丙酮酸有氧氧化：丙酮酸有氧氧化：12.52 = 25 ATP12.52 = 25 ATP1. . 定位：定位：线粒体线粒体线粒体线粒体 A A 柠檬酸合酶柠檬酸合酶: :该酶有负变构剂该酶有负变构剂ATPATP，它使酶与底物的它使酶与底物的亲和力下降，从而亲和力下降，从而K Km m值增大。值增大。B B 异柠檬脱氢酶异柠檬脱氢酶: :该酶有正变构剂该酶有正变构剂ADPADP，它使酶与底物它使酶与底物的亲和力增加。此外，的亲和力增加。此外，NAD+NAD+、底物异柠檬酸使酶活升底物异柠檬酸使酶活升高；高；NADHNADH、A
19、TPATP使酶活下降。使酶活下降。C C - -酮戊二酸酮戊二酸脱氢酶脱氢酶: : ATPATP、NADHNADH及产物琥珀酰及产物琥珀酰CoACoA抑抑制酶的活性。制酶的活性。2. 2. 不可逆反应与调节：不可逆反应与调节：4. 注意点注意点二、三羧酸循环二、三羧酸循环Inhibitedbyproductsandhighenergycharge;ActivatedbyalowenergychargeorasignalforenergyRequirement.Rateofthecitricacidcycleiscontrolledatthreeexergonicirreversiblestep
20、scatalyzedby:Citrate synthase,isocitrate dehydrogenase, a-ketoglutarate dehydrogenase1. 为生物体提供能量，是体内主要产生为生物体提供能量，是体内主要产生ATPATP的途径的途径；2. 循环中的中间物为生物合成提供原料；循环中的中间物为生物合成提供原料； 如如草草酰酰乙乙酸酸、 - -酮酮戊戊二二酸酸可可转转变变为为氨氨基基酸酸，琥琥珀珀酰酰CoACoA可用于合成叶绿素及血红素分子中的卟啉。可用于合成叶绿素及血红素分子中的卟啉。3. 糖类、蛋白质、脂类、核酸等代谢的枢纽。糖类、蛋白质、脂类、核酸等代谢的枢纽。
21、 5. TCA循环的生物学意义循环的生物学意义二、三羧酸循环二、三羧酸循环三、三、TCA的回补反应的回补反应 三三羧羧酸酸循循环环的的一一个个重重要要作作用用是是它它的的中中间间物物可可以以为为生生物物合合成成提提供供原原料料，但但这这些些中中间间物物必必须须得得到到补补充充，以以保保证证TCATCA循循环环运运转转。尤尤其其是是起起始始物物草草酰酰乙乙酸酸，缺缺乏乏它乙酰它乙酰CoACoA就不能进入循环。就不能进入循环。 生生物物体体中中存存在在着着及及时时补补充充草草酰酰乙乙酸酸的的反反应应，称称为为回补反应回补反应。1.回补反应含义：1. 丙酮酸羧化丙酮酸羧化2. 回补反应的途径：丙酮酸
22、羧化酶需要生物素作为其辅酶。丙酮酸羧化酶需要生物素作为其辅酶。这是动物中最重要的回补反应，在这是动物中最重要的回补反应，在线粒体中线粒体中进行。进行。三、三、TCA的回补反应的回补反应 生物素生物素2. PEPPEP羧化酶（细胞质）羧化酶（细胞质）2. 回补反应的途径：三、三、TCA的回补反应的回补反应 3. 苹果酸酶（细胞质）苹果酸酶（细胞质）2. 回补反应的途径：三、三、TCA的回补反应的回补反应 4. PEPPEP羧激酶羧激酶2. 回补反应的途径：三、三、TCA的回补反应的回补反应 TheThephosphoenolpyruvatephosphoenolpyruvate carboxykinasecarboxykinasereactionreaction
