1、 Chapter 23.Chapter 23. 柠檬酸循环柠檬酸循环绪论绪论: 在在无氧条件下，葡萄糖经分解代谢形成丙酮酸，丙酮无氧条件下，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。酸继续形成乳酸或乙醇。在有氧条件下，丙酮酸可继续进在有氧条件下，丙酮酸可继续进行有氧分解，最后完全氧化，形成行有氧分解，最后完全氧化，形成COCO2 2和水。此途径分为和水。此途径分为柠檬酸循环和氧化磷酸化两个阶柠檬酸循环和氧化磷酸化两个阶段段。定义定义：在有氧在有氧条件条件下，葡萄糖酵解产生的丙酮酸氧化脱羧形成下，葡萄糖酵解产生的丙酮酸氧化脱羧形成 乙酰乙酰CoACoA。乙酰乙酰CoACoA经一系列氧
2、化、脱羧，最终生成经一系列氧化、脱羧，最终生成COCO2 2 和和HH2 2OO并产生能量的过程，称为柠檬酸循环，由于柠檬并产生能量的过程，称为柠檬酸循环，由于柠檬 酸含三个羧基，所以亦称为酸含三个羧基，所以亦称为三羧酸循环三羧酸循环( (tricarboxylictricarboxylic acid cycle, TCAacid cycle, TCA 循环循环) ) 。由于它是由。由于它是由H.A.KrebsH.A.Krebs( (德国德国) )正正 式提出的，式提出的，故故又称又称KrebsKrebs循环。循环。 TCATCA循环是循环是糖、脂肪、蛋白质和氨基酸糖、脂肪、蛋白质和氨基酸等等
3、氧化所共同经历的途径。氧化所共同经历的途径。同时，同时，TCATCA循环生成的中间物也是许多生物合成的前体。因此循环生成的中间物也是许多生物合成的前体。因此TCATCA循循环是环是两用代谢途径两用代谢途径。多糖多糖葡萄糖葡萄糖脂肪脂肪甘油甘油 脂肪酸脂肪酸蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸第第二二阶段阶段( (释能释能1/3)1/3)柠檬酸循环柠檬酸循环一一. .柠檬酸循环的发现历史柠檬酸循环的发现历史 从从19321932年至年至19361936年，年，Krebs H A Krebs H A 和其它几位科学家和其它几位科学家 共同共同研究，最后由研究，最后由Krebs Krebs 提出完整的柠檬酸循环
4、途径。于提出完整的柠檬酸循环途径。于 1953 1953年获年获得诺贝尔奖。得诺贝尔奖。(1).(1). Krebs H A Krebs H A发现发现: : 肌肉、肾脏、肝脏等组织的匀浆悬浮液或切片的材料中，发现柠檬肌肉、肾脏、肝脏等组织的匀浆悬浮液或切片的材料中，发现柠檬 酸、琥珀酸、延胡索酸及乙酸等化合物在各不同组织中的氧化速率酸、琥珀酸、延胡索酸及乙酸等化合物在各不同组织中的氧化速率 均最快。均最快。 向肌肉悬浮液中加入草酰乙酸，能迅速生成柠檬酸向肌肉悬浮液中加入草酰乙酸，能迅速生成柠檬酸, ,又发现柠檬酸又发现柠檬酸 是草酰乙酰和一种来自丙酮酸或乙酸的化合物合成的。是草酰乙酰和一种来
5、自丙酮酸或乙酸的化合物合成的。(2).(2). Albert Szent-Gyorgyi Albert Szent-Gyorgyi发现发现: : 肌肉组织悬浮液中加入少量肌肉组织悬浮液中加入少量草酰乙酸或苹果酸草酰乙酸或苹果酸等等4C4C二羧酸，则氧二羧酸，则氧 利用量远超过加入的二羧酸氧化为利用量远超过加入的二羧酸氧化为COCO2 2和水所需要的氧分子。和水所需要的氧分子。(3).(3). Carl Martius Carl Martius和和Franz KnoopFranz Knoop发现发现: : 柠檬酸通过顺柠檬酸通过顺- -乌头酸被异化为异柠檬酸，然后再氧化脱羧形成乌头酸被异化为异柠
6、檬酸，然后再氧化脱羧形成-酮酮 戊二酸，戊二酸， -酮戊二酸经氧化形成琥珀酸。酮戊二酸经氧化形成琥珀酸。OO2 2COCO2 2 & ATP& ATP綫綫粒体粒体: :降解脂肪酸降解脂肪酸, ,氧化丙酮酸以提供能量氧化丙酮酸以提供能量MITOCHONDRION: reduce fatty acid and MITOCHONDRION: reduce fatty acid and oxidize Pyruvate to produce ATP.oxidize Pyruvate to produce ATP.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。丙酮酸进入线粒体转变为乙酰丙酮
7、酸进入线粒体转变为乙酰CoACoA, ,这是连这是连接糖酵解和三羧酸循环的纽带接糖酵解和三羧酸循环的纽带 反应不可逆，分反应不可逆，分4步进行，由步进行，由丙酮酸脱氢酶复丙酮酸脱氢酶复 合体合体(丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系)催化。催化。1. 1. (1).(1). 丙酮酸脱氢酶复合体是一个十分复杂的多酶复丙酮酸脱氢酶复合体是一个十分复杂的多酶复 合体，包括丙酮酸脱氢酶组分合体，包括丙酮酸脱氢酶组分E1E1、二氢硫辛二氢硫辛 酰转乙酰基酶酰转乙酰基酶E2E2、二氢硫辛酸脱氢酶二氢硫辛酸脱氢酶E3E3。 (2). (2). 参加反参加反应应的还有的还有焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素( (TPP)TPP
8、)、硫辛酰胺，硫辛酰胺， FAD( FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸),NAD),NAD+ +,CoA-SH,CoA-SH及及MgMg2 2+ + 六种辅助因子组装而成。六种辅助因子组装而成。E3E1E21.1 1.1 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应丙酮酸丙酮酸脱氢酶脱氢酶E E1 12424TPPTPP丙酮酸氧化脱羧二氢硫辛酰二氢硫辛酰转乙转乙酰基酶酰基酶E E2 22424硫辛酰胺硫辛酰胺将乙酰基转移到CoA二氢硫辛二氢硫辛酸脱氢酶酸脱氢酶E E3 31212NADNAD+ +FADFAD将还原型硫辛
9、酰胺转变为氧化型2. 2. 催化丙酮酸转变为乙酰催化丙酮酸转变为乙酰CoACoA的反应步骤的反应步骤羟乙基羟乙基-TPP-TPP丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰辅辅酶酶A A辅辅酶酶A A氧化型氧化型硫辛酰胺硫辛酰胺还原型还原型硫辛酰胺硫辛酰胺还原型乙酰还原型乙酰硫辛酰胺硫辛酰胺2.12.1丙酮酸脫羧反丙酮酸脫羧反应（丙酮酸变成乙酰基）应（丙酮酸变成乙酰基）这是第一步这是第一步反应反应, ,由由丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶E E1 1( (以以TPPTPP為為辅辅基基) )催化催化, ,可划分可划分为两个步骤为两个步骤。(1) (1) 羟乙基羟乙基-TPP-TPP的形成的形成H H+ +丙酮酸丙酮酸( (其羰
10、基碳带正性其羰基碳带正性) )带有负碳离子的带有负碳离子的TPPTPP具很强酸性具很强酸性, ,易形成负碳离子易形成负碳离子 解离的负碳离解离的负碳离子向子向丙 酮 酸 的 羰 基 进丙 酮 酸 的 羰 基 进攻攻, ,使形成丙酮酸与使形成丙酮酸与TPPTPP的加成化合物。的加成化合物。丙酮酸丙酮酸TPPTPP加成化合物加成化合物以下用以下用R R表示表示以下用以下用RR表示表示A A、丙酮酸丙酮酸-TPP-TPP加成化合物的形成加成化合物的形成B B、丙酮酸丙酮酸TPPTPP加成物脱羧反应形成加成物脱羧反应形成羟乙基羟乙基-TPP-TPP 丙酮酸丙酮酸-TPP-TPP加成物脱羧加成物脱羧,
11、,形成羟乙基形成羟乙基-TPP-TPP，由于由于TPPTPP环上带正电荷环上带正电荷的氮原子起电子的氮原子起电子“陷井陷井”作用作用, ,使脱羧后形成的羟乙基上产生较稳定的使脱羧后形成的羟乙基上产生较稳定的负碳离子。负碳离子。 丙酮酸丙酮酸-TPP-TPP加成物加成物 E1E1羟羟乙基乙基-TPP-E1-TPP-E1( (暂时稳定的共振形式暂时稳定的共振形式) )起电子起电子“陷井陷井”作用作用较稳定的负碳离子较稳定的负碳离子（2). 2). 羟乙基氧化形成乙酰基羟乙基氧化形成乙酰基 羟乙基羟乙基氧化转变为氧化转变为乙酰基乙酰基并转移并转移至二氢硫辛酰转乙酰基酶至二氢硫辛酰转乙酰基酶E E2
12、2的辅的辅基基硫辛酰胺硫辛酰胺上，这是为下一步反应作准备上，这是为下一步反应作准备。丙酮酸脱氢酶组分。丙酮酸脱氢酶组分(TPP-E(TPP-E1 1) )完成了乙酰基的转移后即恢复原状，又可接受另一丙酮酸分子。完成了乙酰基的转移后即恢复原状，又可接受另一丙酮酸分子。羟乙基羟乙基TPPTPP E E1 1E E2 2的硫辛酰胺辅基的硫辛酰胺辅基E E2 2的赖氨酸残基的赖氨酸残基二氢硫辛酰转乙酰基酶的硫辛酰胺辅基二氢硫辛酰转乙酰基酶的硫辛酰胺辅基(lipoamide(lipoamide E E2 2) )用用R R表示表示乙酰二氢硫辛酰胺乙酰二氢硫辛酰胺 E E2 2TPPTPP E E1 1B
13、:B:羟乙基羟乙基-TPP-TPP丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰辅辅酶酶A A辅辅酶酶A A氧化型氧化型硫辛酰胺硫辛酰胺还原型还原型硫辛酰胺硫辛酰胺还原型乙酰还原型乙酰硫辛酰胺硫辛酰胺 第二步第二步反应反应, , 在在二氢硫辛酰转乙酰基酶分子二氢硫辛酰转乙酰基酶分子E2E2上结合着的上结合着的乙酰基乙酰基, ,由由E E2 2催化催化, ,将乙将乙酰基转移到酰基转移到CoA-SHCoA-SH分子上分子上, ,形成游离的形成游离的乙酰乙酰-CoA-CoA分子分子, ,从而使二氢硫辛酰转乙酰基从而使二氢硫辛酰转乙酰基酶酶E2E2由氧化型变成还原型。由氧化型变成还原型。2.2 2.2 乙酰基转移到乙酰基转移到
14、CoACoA分子上形成乙酰分子上形成乙酰CoACoA（由由E2E2完成完成）2.2.12.2.1 反应机制反应机制 该反应实际上是一个该反应实际上是一个酰基转移反应酰基转移反应，辅酶，辅酶A A的的硫氢基硫氢基进攻进攻E2-E2-乙乙酰二氢硫辛酰胺上的酰二氢硫辛酰胺上的乙酰基乙酰基, ,先形成一个四面体的中间体先形成一个四面体的中间体, ,接着迅速接着迅速分解为乙酰分解为乙酰- -CoACoA和和E2-E2-二氢硫辛酰胺二氢硫辛酰胺, ,在此形成的游离状态的乙酰在此形成的游离状态的乙酰- -CoACoA分子保留了高能的硫酯键分子保留了高能的硫酯键( (一个高能硫酯键一个高能硫酯键) )。( (
15、经过一个四经过一个四面体中间物面体中间物) )乙酰二氢硫辛酰胺乙酰二氢硫辛酰胺 E E2 2(acety1-dibydro (acety1-dibydro lipoamidelipoamide E E2 2) )乙酰乙酰- -CoACoA(acety1-CoA)(acety1-CoA)E E2 2酶和酶和辅基二氢硫辛酰胺辅基二氢硫辛酰胺(dihydrolipoamide(dihydrolipoamide E E2 2) )2.3 2.3 还原型还原型二氢硫辛酰转乙酰基酶二氢硫辛酰转乙酰基酶E E2 2氧化氧化, ,由还原型变成由还原型变成氧化型（由氧化型（由E3E3完成）完成）羟乙基羟乙基-T
16、PP-TPP丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰辅辅酶酶A A辅辅酶酶A A氧化型氧化型硫辛酰胺硫辛酰胺还原型还原型硫辛酰胺硫辛酰胺还原型乙酰还原型乙酰硫辛酰胺硫辛酰胺这一步反应这一步反应是是使氧化型硫辛酰胺再生使氧化型硫辛酰胺再生的的反应反应。氧化型二氢硫辛酸氧化型二氢硫辛酸脱氢酶脱氢酶(E(E3 3) )还原型二氢硫辛酰还原型二氢硫辛酰转乙酰基酶转乙酰基酶(E(E2 2) )还原型二氢硫辛酸还原型二氢硫辛酸脱氢酶脱氢酶氧化型二氢硫辛酰氧化型二氢硫辛酰转乙酰基酶转乙酰基酶活活 泼泼互換反互換反应应 2.3.12.3.1反应机制反应机制 这一步反应使氧化型硫辛酰胺再生这一步反应使氧化型硫辛酰胺再生, ,在此反
17、应中，催化此反应的在此反应中，催化此反应的酶为酶为二氢硫辛酸脱氢酶二氢硫辛酸脱氢酶E E3 3（其辅基为其辅基为FADFAD），），使二氢硫辛酰胺再氧使二氢硫辛酰胺再氧化化, ,从而使其完成整个反应过程，重新形成氧化型二氢硫辛酰转乙酰从而使其完成整个反应过程，重新形成氧化型二氢硫辛酰转乙酰基酶。基酶。2.42.4、还原型的、还原型的E E3 3再氧化再氧化 还原型还原型E E3 3二硫键的再氧化先由该酶的辅基二硫键的再氧化先由该酶的辅基FADFAD接受一接受一SHSH基的氢原子基的氢原子, ,形成形成FADHFADH2 2, ,其后将氢原子转移给其后将氢原子转移给NADNAD+ +, ,于是恢
18、复其氧化型。于是恢复其氧化型。总反总反应式可表示为应式可表示为: 丙酮酸丙酮酸+CoASH+NAD+ 乙酰乙酰CoA+CO2 + NADH + H+ 3. 丙酮酸脱氢酶复合体的调控丙酮酸脱氢酶复合体的调控 由于由于丙酮酸既可走向丙酮酸既可走向提供能量的分解途径提供能量的分解途径, ,又可走向生物合成又可走向生物合成 途径，故受到严密的调节控途径，故受到严密的调节控制制： 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抑制转抑制转 乙酰基酶乙酰基酶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
19、E3 3组分。抑组分。抑 制效应被制效应被CoACoA和和NADNAD+ +逆转。逆转。 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：丙酮酸脱氢酶组分丙酮酸脱氢酶组分E E1 1的的 磷酸化状态无活性，反之有活性磷酸化状态无活性，反之有活性, , 其磷酸化受其磷酸化受E E2 2上结合的上结合的激激 酶酶和和磷酸酶磷酸酶作用。作用。三三、柠檬酸循环概貌、柠檬酸循环概貌乙酰乙酰CoA CoA C2C2柠檬酸柠檬酸 C6C6异柠檬酸异柠檬酸 C6C6-酮戊二酸酮戊二酸 C5C5琥珀酰琥珀酰CoA CoA C4C4琥珀酸琥珀酸 C4C4延胡索酸延胡索酸 C4C4苹果酸苹果酸 C
20、4C4草酰乙酸草酰乙酸 C4C4四四、柠檬酸循环的反应机制、柠檬酸循环的反应机制1. 1. 第第1 1步步反应反应: : 草酰乙酸与乙酰草酰乙酸与乙酰-CoA-CoA缩合形成柠檬酸缩合形成柠檬酸S-S-柠檬酸柠檬酸-CoA-CoA(S-citry1-CoA)(S-citry1-CoA) 柠檬酸柠檬酸 ( (本身本身为对称分子为对称分子) )(citrate)(citrate)前前-S-S方向方向(pro-S-arm)(pro-S-arm)前前-R-R方向方向(pro-R-arm)(pro-R-arm)HH2 2OOCoACoA草酰乙酸草酰乙酸SiSi1 12 23 34 41.2 1.2 反反
21、应机制应机制第一步第一步：柠檬酸合酶的组氨酸柠檬酸合酶的组氨酸(His)(His)残基残基(1)(1)作作 为碱基与乙酰为碱基与乙酰- -CoACoA的甲基的甲基(2)(2)作用作用, ,使使 其甲其甲基失去一个氢离子而成负碳离基失去一个氢离子而成负碳离 子子。负。负碳离子碳离子由于由于CoACoA相接的硫酯的相接的硫酯的 存在存在, ,能发生烯醇化作用能发生烯醇化作用 3434。它们它们 之间的共振使负碳离子中间体得以之间的共振使负碳离子中间体得以 稳定。稳定。第二步第二步: : 乙酰乙酰-CoA-CoA负碳离子向草酰乙酸的羰负碳离子向草酰乙酸的羰 基进行亲核攻击基进行亲核攻击, ,形成柠檬
22、酰形成柠檬酰-CoA-CoA ( (仍连接在酶分子上仍连接在酶分子上) )。 第三步第三步: : 柠檬酰柠檬酰-CoA-CoA水解为柠檬酸和水解为柠檬酸和CoACoA。1.4 1.4 柠檬酸合酶柠檬酸合酶柠檬酸合酶是柠檬酸循环的关键酶。柠檬酸合酶是柠檬酸循环的关键酶。1 1）其其活性受活性受ATPATP、NADHNADH、琥珀酰琥珀酰- -CoACoA、脂酰脂酰- -CoACoA等的抑等的抑制制。2) 类类似物抑制及其应应用： （1）丙酮酰丙酮酰-CoA是乙酰酰-CoA的类类似物,可能代替乙酰酰-CoA与柠檬与柠檬酸合酶结结合。 （2 2） 由由氟乙酸氟乙酸形成的形成的氟乙酰氟乙酰- -CoA
23、CoA可被柠檬酸合酶催化与草酰乙酸缩合生成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，氟柠檬酸结合到，氟柠檬酸结合到顺顺- -乌头酸酶乌头酸酶的活性部位上，抑制的活性部位上，抑制 柠檬酸循环向柠檬酸循环向下进行。下进行。 氟乙酸和氟乙酸和氟乙酰氟乙酰- -CoACoA可做杀虫剂或灭鼠药，各种有毒植物的叶子大部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，可作为天然杀虫剂。分含有氟乙酸，可作为天然杀虫剂。氟乙酸氟乙酸(fluoroacetate)(fluoroacetate)氟柠檬酸氟柠檬酸(fluorocitrate)(fluorocitrate)丙酮酰丙酮酰-CoA-C
24、oA(acetony1-CoA)(acetony1-CoA)2 2、柠檬酸异构化成异柠檬酸、柠檬酸异构化成异柠檬酸 在在pH7.0pH7.0，2525 C C的平衡态时，柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸的平衡态时，柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸= =9090：4 4：6 6, ,由于由于异异柠檬酸在下一步反柠檬酸在下一步反应应中极迅速地被氧化中极迅速地被氧化, ,从而推动此反从而推动此反应应向异柠檬酸的方向异柠檬酸的方向进行。向进行。3 3 、由异柠檬酸氧化脱羧生成、由异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸酮戊二酸3.2 3.2 反反应机制应机制 异柠檬酸为异柠檬酸为-羟酸，辅助因子羟酸，辅助因子NADNAD+
25、 +作为受氢体作为受氢体形成形成-酮酸酮酸即草酰琥珀酸位于异柠檬酸即草酰琥珀酸位于异柠檬酸-碳原子上的羟基转变为酮基。碳原子上的羟基转变为酮基。酮基的形成促使了邻近酮基的形成促使了邻近C-CC-C键的断裂，即有利于脱羧作用的键的断裂，即有利于脱羧作用的进行进行(-(-裂解裂解) )。 -裂解是生物化裂解是生物化学中最常见的一种学中最常见的一种C-CC-C键的断裂方式。键的断裂方式。异柠檬酸异柠檬酸草酰琥珀酸草酰琥珀酸( (oxalosuccinateoxalosuccinate) )-酮戊二酸酮戊二酸3.3 3.3 异柠檬酸脱氢酶催化的生物学意义异柠檬酸脱氢酶催化的生物学意义 异柠檬酸通过此酶
26、催化的反应，异柠檬酸通过此酶催化的反应，使生物体解决了具有两个使生物体解决了具有两个碳原子的乙酰基氧化和降解碳原子的乙酰基氧化和降解的问题。的问题。该酶该酶所催化断裂的所催化断裂的C-CC-C键键，并不是并不是柠檬酸循环第一步反应柠檬酸循环第一步反应里里进入循环的乙酰基进入循环的乙酰基, ,而是连接该而是连接该乙酰乙酰基的两个碳原子间的共价键基的两个碳原子间的共价键。这共价键不能通过一般任何一种。这共价键不能通过一般任何一种断裂方式打开。在二碳分子中也不能发生述的断裂方式打开。在二碳分子中也不能发生述的-裂解。相反，乙酰裂解。相反，乙酰基一旦与草酰乙酸缩合，就形成对基一旦与草酰乙酸缩合，就形成
27、对-裂解裂解敏感的产物。敏感的产物。 3.4 3.4 异柠檬酸异柠檬酸脱氢酶脱氢酶(1).(1). 高等动植物及大多数微生物中异柠檬酸脱氢酶有两类：一类高等动植物及大多数微生物中异柠檬酸脱氢酶有两类：一类 以以NADNAD+ +为辅酶，存在于线粒体中，一类以为辅酶，存在于线粒体中，一类以NAPDNAPD+ +为辅酶，为辅酶， 存在于线粒体和细胞质中。存在于线粒体和细胞质中。(2).(2). 异柠檬酸脱氢酶是一个变构酶，活性受异柠檬酸脱氢酶是一个变构酶，活性受ADPADP变构激活变构激活(ADP(ADP能能 增强酶与底物的亲和力增强酶与底物的亲和力) )。该酶与异柠檬酸、。该酶与异柠檬酸、Mg
28、Mg 2+2+、NADNAD+ +、 ADPADP的结合有相互协同作用。的结合有相互协同作用。NADHNADH、ATPATP对该酶起变构抑制对该酶起变构抑制 作用。作用。(3).(3). 异柠檬酸的转变有两条途径：一是当需要能量时，进行氧化异柠檬酸的转变有两条途径：一是当需要能量时，进行氧化 脱羧形成脱羧形成 - -酮戊二酸酮戊二酸；二是在能量充足时，经异柠檬酸裂解二是在能量充足时，经异柠檬酸裂解 酶作用，生成酶作用，生成琥珀酸和乙醛酸琥珀酸和乙醛酸。4 4. -. -酮戊二酸氧化脱羧成为琥珀酰酮戊二酸氧化脱羧成为琥珀酰-CoA-CoA4.2 4.2 反反应机制应机制 -酮戊二酸脱氢酶系催化的
29、每步机制和丙酮酸脱酮戊二酸脱氢酶系催化的每步机制和丙酮酸脱氢酶复合体相一致，需要氢酶复合体相一致，需要TPPTPP、硫辛酸、硫辛酸、CoACoA、FADFAD、NANAD D+ +、MgMg2+2+6 6种辅助因子。种辅助因子。(1).(1). - -酮戊二酸脱氢酶系与丙酮酸脱氢酶复合体极其酮戊二酸脱氢酶系与丙酮酸脱氢酶复合体极其 相似，由相似，由-酮戊二酸脱氢酶酮戊二酸脱氢酶(E(E1 1) )、二氢硫辛酰转琥二氢硫辛酰转琥 珀酰酶珀酰酶(E(E2 2) )、二氢硫辛酰脱氢酶、二氢硫辛酰脱氢酶(E(E3 3) )组成。组成。 这里的这里的E E3 3与丙酮酸脱氢酶复合体的与丙酮酸脱氢酶复合体
30、的E E3 3是一样的。而是一样的。而E E1 1则则与丙与丙 酮酸脱氢酶复合体的酮酸脱氢酶复合体的E E1 1不同，它不受磷酸化、去磷酸化共价不同，它不受磷酸化、去磷酸化共价 修饰调节。修饰调节。(2).(2). - -酮戊二酸脱氢酶受其产物琥珀酰酮戊二酸脱氢酶受其产物琥珀酰- -CoACoA、NADHNADH 和和高能荷的抑制。当细胞的高能荷的抑制。当细胞的ATPATP充裕时，柠檬酸循充裕时，柠檬酸循 环进行的速度便减慢。环进行的速度便减慢。4.3 4.3 -酮戊二酸脱氢酶系酮戊二酸脱氢酶系5 5. . 琥珀酰琥珀酰CoACoA转化成琥珀酸，并产生转化成琥珀酸，并产生一一GTPGTP 琥珀
31、酰琥珀酰-CoA-CoA硫酯键是一个高能键，它的断裂与鸟苷二磷酸硫酯键是一个高能键，它的断裂与鸟苷二磷酸(GDP)(GDP)的磷酸化相偶联。的磷酸化相偶联。5.2 5.2 琥珀酰琥珀酰-CoA-CoA合成酶合成酶( (1).1). 琥珀酰琥珀酰-CoA-CoA合成酶合成酶( (也称为也称为称琥珀酰硫激酶称琥珀酰硫激酶) )，其命名指的，其命名指的 是催化相反相反方向的反应，该反应极易向正反两方向进是催化相反相反方向的反应，该反应极易向正反两方向进 行行，但在柠檬酸循环中都是向形成琥珀酸的方向进行。，但在柠檬酸循环中都是向形成琥珀酸的方向进行。(2).(2). TCA TCA循环循环中中唯一底物
32、水平磷酸唯一底物水平磷酸化直接产生高能磷酸化合物化直接产生高能磷酸化合物 的步骤，的步骤，反应中形成的反应中形成的GTPGTP在生物合成中有特殊的作用。在生物合成中有特殊的作用。 它参与信号的传递过程，还能通过琥珀酸它参与信号的传递过程，还能通过琥珀酸-CoA-CoA合成酶和核合成酶和核 苷二磷酸激酶的偶联作用，使琥珀酸苷二磷酸激酶的偶联作用，使琥珀酸-CoA-CoA水解产生一水解产生一 个个ATPATP。1 1琥珀酸- -CoA+GDP+PiCoA+GDP+Pi琥珀酸+ +CoA+GTPCoA+GTP2 2GTP+ADPGDP+ATPGTP+ADPGDP+ATP3 3琥珀酸- -CoA+AD
33、P+PiCoA+ADP+Pi琥珀酸+ +CoA+ATPCoA+ATP6 6. . 琥珀酸脱氢生成延胡索酸（反丁烯二酸）琥珀酸脱氢生成延胡索酸（反丁烯二酸）6.2 6.2 反反应机制应机制 琥珀酸脱氢酶以琥珀酸脱氢酶以FADFAD作为脱下电子的受体作为脱下电子的受体( (不是不是NADNAD+ +) )，因，因为其催化碳为其催化碳- -碳键间的氧化，所释放的自由能不足以使脱下的电碳键间的氧化，所释放的自由能不足以使脱下的电子转移到子转移到NADNAD+ +上上。 NADH NADH再氧化的再氧化的 G=-220.1KJ/molG=-220.1KJ/mol， FADHFADH2 2再氧化的再氧化的
34、 G=-181.6KJ/molG=-181.6KJ/mol。+ + 酶酶-FAD-FAD+ + 酶酶-FADH-FADH2 2Pro-SPro-SPro-RPro-RPro-RPro-RPro-SPro-SPro-RPro-RPro-SPro-S琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸6.3 6.3 琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢酶酶(1).(1).它是柠檬酸循环中它是柠檬酸循环中唯一嵌唯一嵌 入到线粒体内膜的酶入到线粒体内膜的酶，而，而 其它的酶大多存在于线粒其它的酶大多存在于线粒 体基质中。体基质中。(2).(2).该酶直接与电子传递链相连，该酶直接与电子传递链相连，由琥珀酸分子上脱下的氢形由琥珀酸分子上脱下的
35、氢形成成FADHFADH2 2，后者直接将电子，后者直接将电子传递给琥珀酸传递给琥珀酸-Q-Q还原酶分子还原酶分子的的Fe-SFe-S，氢的最终受体是氧，氢的最终受体是氧分子。分子。 外膜外膜內膜內膜基質基質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8 8. . 苹果酸脱氢生成草酰乙酸苹果酸脱氢生成草酰乙酸8.3 8.3 苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶 苹果酸脱氢酶、乳酸脱氢酶、乙醇脱氢酶、甘油醛苹果酸脱氢酶、乳酸脱氢酶、乙醇脱氢酶、甘油醛-3-3-磷酸脱氢酶等，所有已知的脱氢酶均具有立体结磷酸脱氢酶等，所有已知的脱氢酶均具有立体结构的专一性，且都以构的专一性，且都以NA
36、DNAD+ +作为电子受体。作为电子受体。NADNAD+ +与与它们的结合方式很相似，虽然各种脱氢酶结构各异，它们的结合方式很相似，虽然各种脱氢酶结构各异， 但它们与但它们与NADNAD+ +结合的结构域也很相似。结合的结构域也很相似。五五. . 柠檬酸循环的化柠檬酸循环的化学总结算学总结算1. 1. 柠檬酸循环的总化柠檬酸循环的总化学反应式学反应式: : 乙酰乙酰- -CoA+3NADCoA+3NAD+ +FAD+GDP+Pi+FAD+GDP+Pi 2CO2CO2 2+3NADH+FADH+3NADH+FADH2 2+GTP+2H+GTP+2H+ +CoA-SH+CoA-SH2. 2. 循环
37、有以下特点：循环有以下特点： (1) (1)、整个循环不需要整个循环不需要氧氧，但离开，但离开氧氧无法进行。无法进行。 (2) (2)、单向单向进行进行。 (3) (3)、乙酰乙酰CoACoA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 C原子进入循环。在原子进入循环。在 以后的两步脱羧反应中，有两个以后的两步脱羧反应中，有两个C C原子以原子以COCO2 2的形式离开循环，相的形式离开循环，相 当于乙酰当于乙酰CoACoA的的2 2个个C C原子形成原子形成COCO2 2。 (4) (4)、在在循环中有循环中有4 4对对HH原子通过原子通过4 4步步氧化反应脱下，其中氧
38、化反应脱下，其中3 3对对用以还用以还 原原NADNAD+ + 生成生成3 3个个NADH+HNADH+H+ +,1,1对用以还原对用以还原FAD,FAD,生成生成1 1个个FADHFADH2 2。 3NADH7.5 ATP; 1FADH3NADH7.5 ATP; 1FADH2 21.5ATP;1.5ATP; ( (5)5)、由琥珀酰由琥珀酰CoACoA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 1个个GTP, GTP, 1GTP 1ATP, 1GTP 1ATP,并消耗兩分子水并消耗兩分子水。3. 3. 总结算总结算: : (1). 1(1). 1分子乙酰分
39、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 ATP ATP。 (2). (2). 从从丙酮酸丙酮酸开始，加上开始，加上丙酮酸氧化脫羧丙酮酸氧化脫羧生成的生成的1 1个个NADHNADH， 则共产生则共产生10+2.5=12.510+2.5=12.5个个ATPATP。 (3). (3). 从从葡萄糖葡萄糖开始，共可产生开始，共可产生12.512.52+72+7( (或或5 5）=32=32或或3030个个ATPATP。则一分子葡萄糖共产生则一分子葡萄糖共产生: : 2525柠檬酸循环柠檬酸循环+ +2+22+2* *2.52.5或或1.51.5糖酵
40、解糖酵解=32=32或或3030个个 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氧氧化途径，是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最有效的方式，也是机体产生能量的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式。主要方式。六六、柠檬酸循环的调控、柠檬酸循环的调控 柠檬酸循环的速度主要取决于细胞对柠檬酸循环的速度主要取决于细胞对ATPATP的需求量，另外也受细的需求量，另外也受细胞对于中间产物需求的影响。主要可分为两个方面的调控胞对于中间产物需求的影响。主要可分为两个方面的调控: :1. 1. 柠檬酸循环本身制约系统的调节柠檬酸循环本身制约
41、系统的调节: : 1.1 1.1 调节循环速度的关键酶、关键底物：调节循环速度的关键酶、关键底物： 关键酶：关键酶： 柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶；酮戊二酸脱氢酶； 关键底物：关键底物： 乙酰乙酰-CoA-CoA、草酰乙酸，、草酰乙酸，NADHNADH。 关键底物对关键酶的制约关键底物对关键酶的制约: : 如柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、如柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、-酮戊二酸脱氢酶受酮戊二酸脱氢酶受NADHNADH抑制：抑制： 一般来说细胞对柠檬酸的利用速度总高于柠檬酸的合成速度，而一般来说细胞对柠檬酸的利用速度总高于柠檬酸的合成速度，而 柠檬酸的利
42、用速度受到以柠檬酸的利用速度受到以NADNAD+ +为辅助因子的异柠檬酸脱氢酶所控制。异为辅助因子的异柠檬酸脱氢酶所控制。异柠檬酸脱氢酶又受产物之一柠檬酸脱氢酶又受产物之一NADHNADH的强烈抑制，故柠檬酸合酶也受的强烈抑制，故柠檬酸合酶也受NADHNADH的抑制。同时，的抑制。同时，-酮戊二酸脱氢酶同样受产物酮戊二酸脱氢酶同样受产物NADHNADH的抑制，如果的抑制，如果NADHNADH的浓度下降，的浓度下降，-酮戊二酸脱氢酶的活性上升。酮戊二酸脱氢酶的活性上升。 2. ATP2. ATP、ADPADP和和CaCa2+2+对柠檬酸循环的调节对柠檬酸循环的调节(1) ATP(1) ATP和和
43、ADPADP： 机体活动增多时：机体活动增多时：ATPATP消耗更多，而消耗更多，而ATPATP水解形成水解形成ADPADP， ADP ADP是是异柠檬酸脱氢酶的变构促进剂，从而增加该酶对底物的亲和力。异柠檬酸脱氢酶的变构促进剂，从而增加该酶对底物的亲和力。 机体活动减少时：机体活动减少时：ATPATP消耗减少消耗减少、浓度上升，对该酶产生抑制效浓度上升，对该酶产生抑制效应。应。(2) Ca(2) Ca2+2+： 在柠檬酸循环中它对在柠檬酸循环中它对丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶和异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酮戊二酸脱氢酶酸脱氢酶有激活作用。有激活作用。丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合
44、体 抑制抑制: ATP: ATP、乙酰、乙酰CoACoA、NADHNADH、脂肪酸、脂肪酸 激活激活: AMP: AMP、CoACoA、NADNAD+ +、CaCa2+2+柠檬酸合酶柠檬酸合酶 抑制抑制: ATP: ATP、NADH NADH 、柠檬酸、柠檬酸 琥珀酰琥珀酰CoACoA、 激活激活: ADP : ADP 异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶 抑制抑制: ATP: ATP 激活激活: ADP: ADP、CaCa2+2+ -酮戊二酸脱氢复合体酮戊二酸脱氢复合体 抑制抑制: : 琥珀酸琥珀酸CoACoA、NADHNADH 激活激活: ADP: ADP、CaCa2+ 2+ 七七. 柠檬柠檬酸循
45、环环中间产间产物的消耗与补与补充 由于柠檬酸循环具有分解化谢和合成代谢的双重性由于柠檬酸循环具有分解化谢和合成代谢的双重性( (两用性两用性) )，除提供大量自由能之外，其中间产物更是许多合成代谢中的前体来除提供大量自由能之外，其中间产物更是许多合成代谢中的前体来源，由此柠檬酸中间产物可能外有额外的消耗，同时必须得到必要源，由此柠檬酸中间产物可能外有额外的消耗，同时必须得到必要的补充。的补充。 1 1）消耗：如）消耗：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CoACoA 卟啉环卟啉环 2 2）补充：）补充： （1 1）有些降解途径
46、可产生柠檬酸循环的中间产物。有些降解途径可产生柠檬酸循环的中间产物。 异亮氨酸异亮氨酸、甲硫氨酸甲硫氨酸、缬氨酸分解缬氨酸分解琥珀酸琥珀酸- -CoACoA 奇数脂肪酸氧化奇数脂肪酸氧化琥珀酸琥珀酸- -CoACoA 异柠檬酸异柠檬酸琥珀酸琥珀酸CoACoA苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸CoASHCoASH乙酰乙酰CoACoA柠檬酸柠檬酸丙氨酸丙氨酸苏氨酸苏氨酸甘氨酸甘氨酸丝氨酸丝氨酸半胱氨酸半胱氨酸丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰乙酰乙酰CoACoA苯丙氨酸苯丙氨酸酪氨酸酪氨酸亮氨酸亮氨酸赖氨酸赖氨酸色氨酸色氨酸天冬酰胺天冬酰胺天冬氨酸天冬氨酸-酮戊二酸酮戊二酸延胡索酸延胡索酸苯丙氨酸苯丙氨酸酪氨酸酪氨酸
47、异亮氨酸异亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸缬氨酸缬氨酸精氨酸精氨酸组氨酸组氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺脯氨酸脯氨酸谷氨酸谷氨酸碳骨架的氧化碳骨架的氧化( (肝脏中肝脏中) )TCATCA循环循环奇数脂肪酸奇数脂肪酸-氧化产氧化产生丙酰生丙酰CoACoA，经羧化经羧化并异构形成并异构形成琥珀酰琥珀酰CoACoA进入进入TCATCA。进入进入TCATCA循环循环. .丙酮酸丙酮酸重碳酸盐重碳酸盐（2 2）回补反应或填补反应回补反应或填补反应( (anapleroticanaplerotic reaction) reaction)。 属于这类型重要反应有属于这类型重要反应有: : 丙酮酸丙酮酸+CO+CO2 2+AT
48、P+H+ATP+H2 20 0 草酰乙酸草酰乙酸+ADP+Pi+2H+ADP+Pi+2H+ + 反应酶为：丙酮酸羧化酶反应酶为：丙酮酸羧化酶思考题1 1、名词解释：、名词解释：TCATCA循环；回补反应；循环；回补反应； -裂解裂解2 2、试述丙酮酸转变为乙酰、试述丙酮酸转变为乙酰CoACoA和柠檬酸循环的具体反应历程，并指出：和柠檬酸循环的具体反应历程，并指出：1 1）NADHNADH、FADHFADH2 2及及GTPGTP的产生情况；的产生情况； 2 2）主要调节酶及其激活剂与抑制剂。）主要调节酶及其激活剂与抑制剂。 3 3、能够催化底物脱氢，并以、能够催化底物脱氢，并以FADFAD为受氢
49、体的酶是（为受氢体的酶是（ ）。）。 A A：乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 B B：异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶 C: C: 琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 D D：苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶 4 4、能发生底物水平磷酸化的反应有（、能发生底物水平磷酸化的反应有（ ） A A：1,31,3二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸33磷酸甘油酸磷酸甘油酸 B B：磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸 C: C: 琥珀酰琥珀酰- -CoACoA琥珀酸琥珀酸 D D：以上都是以上都是 5 5、三羧酸循环中草酰乙酸的补充主要来源于（、三羧酸循环中草酰乙酸的补充主要来源于（ ） A A：丙酮酸羧化丙酮酸羧化 B B
50、：苹果酸脱氢苹果酸脱氢 C: C: 乙酰乙酰CoACoA缩和缩和 D D：天冬氨酸脱羧天冬氨酸脱羧 6 6、丙酮酸氧化脱羧需要（、丙酮酸氧化脱羧需要（ ） A: NAD+ BA: NAD+ B：NADP+NADP+ C C：FMN D: CoQFMN D: CoQ 7 7、TCA TCA 循环（循环（ ） A A：本身不会产生高能磷酸化合物：本身不会产生高能磷酸化合物 B B：不受无氧条件的限制：不受无氧条件的限制 C C：循环起始物乙酰：循环起始物乙酰CoACoA中的中的2 2个个C C原子在一轮循环中以原子在一轮循环中以2 2个个CO2CO2形式释放形式释放 D: D: 循环速率取决于对循
