1、第第 十十 章章 三羧酸循环三羧酸循环 Tricarboxylic Acid Cycle 生物化学与分子生物学系生物化学与分子生物学系 陈瑜陈瑜 2 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 3 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CoACoA TCATCA 循环循环 2H 呼吸链呼吸链 H2O ADP+Pi ATP CO2 * * 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 一、三羧酸循环是三类营养物质氧化分解的一、三羧酸
2、循环是三类营养物质氧化分解的 （共同）（共同）第二阶段第二阶段 4 在真核生物，在真核生物，TCATCA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。 5 三羧酸循环三羧酸循环亦称亦称柠檬酸循环柠檬酸循环 （citriccitric acidacid cyclecycle），这是因这是因 为循环反应中的第一个中间产物是为循环反应中的第一个中间产物是 一个含一个含三个羧基的柠檬酸三个羧基的柠檬酸。由于由于 KrebsKrebs正式提出了三羧酸循环的正式提出了三羧酸循环的 学说学说，故此循环又称为故此循环又称为KrebsKrebs循循 环环。
3、 二、二、KrebsKrebs发现三羧酸循环发现三羧酸循环 6 19371937年年，HansHans KrebsKrebs利用利用鸽子胸肌鸽子胸肌（这块肌这块肌 肉在飞行中有相当高的呼吸频率肉在飞行中有相当高的呼吸频率，因此特别适合因此特别适合 于氧化过程的研究于氧化过程的研究）的组织悬液的组织悬液，测定了在不同测定了在不同 的有机酸作用下的有机酸作用下，丙酮酸氧化过程中的丙酮酸氧化过程中的耗氧率耗氧率， 首次提出在动物组织中丙酮酸氧化途径的假说首次提出在动物组织中丙酮酸氧化途径的假说。 7 AlbertAlbert SzentSzent- -GyorgyiGyorgyi等已经发现动物肌肉组
4、等已经发现动物肌肉组 织中某些织中某些4 4碳二羧酸碳二羧酸（琥珀酸琥珀酸、延胡索酸延胡索酸、苹果苹果 酸和草酰乙酸酸和草酰乙酸）能能刺激氧的消耗刺激氧的消耗。 KrebsKrebs证实了这项发现证实了这项发现，并且发现它们也可并且发现它们也可刺激刺激 丙酮酸的氧化丙酮酸的氧化过程过程。而且他还发现肌肉中丙酮酸而且他还发现肌肉中丙酮酸 的氧化还可被的氧化还可被6 6碳三羧酸碳三羧酸，如如柠檬酸柠檬酸、顺乌头酸顺乌头酸 和异柠檬酸和异柠檬酸及及5 5碳的碳的 - -酮戊二酸酮戊二酸激活激活。上述有机上述有机 酸的激活效应是显著的酸的激活效应是显著的，任何一种这些有机酸的任何一种这些有机酸的 增加
5、增加，甚至是很少量的增加都能大大甚至是很少量的增加都能大大激活丙酮酸激活丙酮酸 的氧化的氧化过程过程。 8 KrebsKrebs的第二项重大发现是观察到的第二项重大发现是观察到丙二酸对丙酮丙二酸对丙酮 酸有氧氧化的抑制作用酸有氧氧化的抑制作用。 丙二酸是琥珀酸的类似物丙二酸是琥珀酸的类似物，是是琥珀酸脱氢酶的竞争琥珀酸脱氢酶的竞争 性抑制剂性抑制剂，在肌肉悬浮液中在肌肉悬浮液中，无论加入上述哪一种无论加入上述哪一种 有机酸有机酸，只要丙二酸存在只要丙二酸存在，丙酮酸的有氧氧化过程丙酮酸的有氧氧化过程 就会被抑制就会被抑制。这表明在涉及丙酮酸氧化的酶促反应这表明在涉及丙酮酸氧化的酶促反应 中中，
6、琥珀酸和琥珀酸脱氢酶必定是很关键的成分琥珀酸和琥珀酸脱氢酶必定是很关键的成分。 KrebsKrebs进一步发现进一步发现，当用丙二酸抑制肌肉组织悬当用丙二酸抑制肌肉组织悬 液中的丙酮酸的有氧氧化时液中的丙酮酸的有氧氧化时，在这个悬液介质中就在这个悬液介质中就 会有柠檬酸会有柠檬酸、 - -酮戊二酸和琥珀酸的积累酮戊二酸和琥珀酸的积累，这表明这表明 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。 9 KrebsKrebs得出一个结论：得出一个结论：有机三羧酸和二羧酸可以有机三羧酸和二羧酸可以 以一个符合以一个符合化学逻辑的序列排列化学逻辑的序列排列。因为用丙酮酸因
7、为用丙酮酸 和草酰乙酸与肌组织共同孵育和草酰乙酸与肌组织共同孵育，可导致溶液介质可导致溶液介质 中柠檬酸的堆积中柠檬酸的堆积，所以所以KrebsKrebs推理这一系列反应推理这一系列反应 是是以循环的方式而不是以线性的方式存在以循环的方式而不是以线性的方式存在，即以即以 首尾相连在一起的首尾相连在一起的。 现在现在TCATCA循环已被公认为是循环已被公认为是营养物分解代谢的必营养物分解代谢的必 经途径经途径。 10 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 11 TCATCA循环循
8、环是一个由一系列酶促反应构成的是一个由一系列酶促反应构成的循环反循环反 应系统应系统，在该反应过程中在该反应过程中，首先由首先由乙酰乙酰CoACoA（主主 要来自于三大营养物质的分解代谢要来自于三大营养物质的分解代谢）与与草酰乙酸草酰乙酸 缩合生成含缩合生成含3 3个羧基个羧基的的柠檬酸柠檬酸（citriccitric acidacid）， 再经过再经过4 4次脱氢次脱氢、2 2次脱羧次脱羧，生成生成4 4分子还原当量分子还原当量 （reducingreducing equivalentequivalent）和和2 2分子分子COCO2 2，重重 新生成新生成草酰乙酸草酰乙酸的这一循环反应过程
9、称为的这一循环反应过程称为三羧酸三羧酸 循环循环。 12 还原当量还原当量（reducingreducing equivalentequivalent ） 一般是指以一般是指以氢原子或氢离子氢原子或氢离子形式存在的形式存在的 一个电子或一个电子当量一个电子或一个电子当量。 13 一、一、TCATCA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 14 （一）乙酰（一）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 乙酰辅酶乙酰辅酶A A（acetyl CoA）与）与草酰乙酸草酰乙酸 （oxaloacetate）缩合成）缩合成柠檬酸柠檬酸（citrate）；）； 反应
10、由反应由柠檬酸合酶柠檬酸合酶（citrate synthase）催化）催化。 15 （二）柠檬酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸（二）柠檬酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸 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。 由两步反应构成，由两步反应构成，(1)(1) 脱水反应；脱水反应；(2)(2) 水合反应。水合反应。 16 （三）异柠檬酸氧化脱羧转变为（三）异柠檬酸氧化脱羧转变为 - -酮戊二酸酮戊二酸 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，）作用下，氧化脱羧氧化脱羧而转变而转变 成成 -酮戊二酸（酮戊二酸
11、（ - Ketoglutarate）。 17 （四）（四） - -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CoACoA 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(succinylCoA(succinyl- -CoA)CoA)； 该该脱氢酶复合体的组成及催化机制与丙酮酸脱氢脱氢酶复合体的组成及催化机制与丙酮酸脱氢 酶复合体类似酶复合体类似。 18 （五）琥珀酰（五）琥珀酰CoACoA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 在在琥珀酰琥珀酰CoACoA合成酶合成酶催化下催化下，
12、琥珀酰琥珀酰CoACoA的高的高 能硫酯键水解与能硫酯键水解与GDPGDP磷酸化偶联磷酸化偶联，生成琥珀酸生成琥珀酸、 GTPGTP和辅酶和辅酶A A。 三羧酸循环中三羧酸循环中唯一直接生成高能磷酸键唯一直接生成高能磷酸键的反应的反应。 GTP GDP ATP ADP 核苷二磷核苷二磷 酸激酶酸激酶 20 （六）琥珀酸脱氢生成延胡索酸（六）琥珀酸脱氢生成延胡索酸 由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FADFAD，是三羧酸，是三羧酸 循环中循环中唯一与内膜结合唯一与内膜结合的酶的酶。 21 （七）延胡索酸加水生成苹果酸（七）延胡索酸加水生成苹果酸 延胡索酸酶延胡索酸酶催化此步
13、反应催化此步反应 （八）苹果酸脱氢生成草酰乙酸（八）苹果酸脱氢生成草酰乙酸 苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶催化，辅酶是催化，辅酶是NADNAD+ +。 CoASH NADH+H+ NAD+ CO2 NAD+ NADH+H+ CO2 GTP GDP+Pi FAD FADH2 NADH+H+ NAD+ H2O H2O H2O CoASH CoASH H2O 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 - -酮戊二酸脱氢酶复合体酮戊二酸脱氢酶复合体 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 GTP GDP ATP
14、 ADP 核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶 2CO2CO2 2 4 42H2H 25 二、一次二、一次TCATCA循环生成循环生成2 2分子分子COCO2 2 在在TCATCA循环反应过程中循环反应过程中，从从2 2个碳原子的个碳原子的乙酰乙酰 CoACoA与与4 4个碳原子的草酰乙酸缩合个碳原子的草酰乙酸缩合成成6 6个碳原子个碳原子 的的柠檬酸柠檬酸开始开始， 反复地脱氢氧化反复地脱氢氧化。 TCATCA循环中通过脱羧方式生成循环中通过脱羧方式生成COCO2 2。1 1个二碳单个二碳单 位进入位进入TCATCA后后，有有2 2次脱羧反应次脱羧反应，生成生成2 2分子分子 COCO2 2，这是这
15、是体内体内COCO2 2的主要来源的主要来源。 TCATCA循环过程中循环过程中，共有共有4 4次脱氢次脱氢，其中其中3 3次脱氢次脱氢 由由NADNAD+ +接受接受，1 1次由次由FADFAD接受接受。 26 TCATCA循环过程中，共有循环过程中，共有4 4次脱氢，其中次脱氢，其中3 3次脱氢由次脱氢由 NADNAD+ +接受，接受，1 1次由次由FADFAD接受接受。 TCATCA循环本身每循环一次只能以循环本身每循环一次只能以底物水平磷酸化底物水平磷酸化 生生成成1 1个个ATPATP。 TCATCA循环总反应式：循环总反应式： CH3COSCoA + 3NAD+ +FAD + GD
16、P + Pi + 2H2O 2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + HSCoA + GTP 27 三、三、TCATCA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 TCATCA循环的中间产物包括草酰乙酸在内起着循环的中间产物包括草酰乙酸在内起着催化催化 剂的作用剂的作用，本身并无量的变化。，本身并无量的变化。 不可能不可能通过通过TCATCA直接从乙酰直接从乙酰CoACoA合成草酰乙酸或合成草酰乙酸或 其他中间产物其他中间产物；同样，这些；同样，这些中间产物也不可能直中间产物也不可能直 接在接在TCATCA循环中被氧化生成循环中被氧化生成COCO2 2和和HH
17、2 2OO。 TCATCA循环中的循环中的草酰乙酸主要来自丙酮酸的直接羧草酰乙酸主要来自丙酮酸的直接羧 化化，也可通过，也可通过苹果酸脱氢产生苹果酸脱氢产生。无论何种来源，。无论何种来源， 其其最终来源是葡萄糖最终来源是葡萄糖。 28 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 CycleRegulation of Tricarboxylic Acid Cycle 29 一、丙酮酸脱氢酶复合体一、丙酮酸脱氢酶复合体 别构调节：别构调节：AMP变构激活；变构激活； 化学修饰调节：化学修饰调节：丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶（E1
18、）磷酸化失活；磷酸化失活； 30 二、二、TCATCA循环受底物、产物和调节酶活性调节循环受底物、产物和调节酶活性调节 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 31 （一）（一）TCATCA循环中有个调节调节酶循环中有个调节调节酶 TCATCA循环中个不可逆反应的酶：关键酶循环中个不可逆反应的酶：关键酶 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 32 乙酰乙酰CoACoA 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
19、檬酸异柠檬酸 苹果酸苹果酸 NADH FADH2 GTP ATP 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+ ATPATP、ADPADP的影响的影响 产物堆积引起抑制产物堆积引起抑制 循环中后续反应循环中后续反应 中间产物别位反中间产物别位反 馈抑制前面反应馈抑制前面反应 中的酶中的酶 其他，如其他，如CaCa2+ 2+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 33 （二）（二
20、）TCATCA循环与上游和下游反应协调循环与上游和下游反应协调 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； 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。 34 三、三、TCATCA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 TCATCA循环中的酶在线粒体中是以循环中的酶在线粒体中是以多种酶组成的多种酶组成的 复合体形式复合体形式存在，这种酶复合体被称为存在，这种酶复合体被称为代谢区代谢区 室室（metabolonsmetabolons），
21、它在细胞内能够有效地将），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。这些代谢中间产物从一种酶传递给另一种酶。这些 复合体具有复合体具有高效介导高效介导中间产物流通的功能，因中间产物流通的功能，因 此也可影响代谢的速率。此也可影响代谢的速率。 35 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义 Physiologic Significance of Tricarboxylic Acid Cycle 36 一、一、TCATCA循环是一条“两用代谢途径”循环是一条“两用代谢途径” TCATCA循环在大多数生物中是循环在大多数生物中是分解代谢分解代谢途径途径; ; 多种生物
22、合成途径也利用多种生物合成途径也利用TCATCA循环的中间产物循环的中间产物 作为作为合成反应的起始物合成反应的起始物。 （一）（一）TCATCA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 37 TCATCA中间产物中间产物 （二）（二）TCATCA循环中间产物是合成糖、脂肪酸循环中间产物是合成糖、脂肪酸 和氨基酸的前体和氨基酸的前体 1. TCA1. 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 38 乙酰乙酰CoACoA 2. TCA2. 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
23、 合成脂酸合成脂酸 柠檬酸柠檬酸- -丙酮酸循环丙酮酸循环 39 -酮戊二酸酮戊二酸 + NH4+ 3. TCA3. TCA循环中间产物可为非必需氨基酸合成提供循环中间产物可为非必需氨基酸合成提供碳架碳架 谷氨酸谷氨酸 谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶 NADH + H+ NAD+ 41 （三）添补反应补充（三）添补反应补充TCATCA循环中间产物循环中间产物 参与其他代谢途径而消耗的参与其他代谢途径而消耗的TCATCA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TCATCA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）。 最重要的添补反应是由最重要的添补反应是由丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶催化的，从催化的，从 丙酮酸丙酮酸生成草酰乙酸生成草酰乙酸的反应。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 ATP ADP + Pi 42 二、二、TCATCA循环循环 重要生理意义重要生理意义 （一）（一）TCATCA循环是三大营养物质的最终代谢通路循环是三大营养物质的最终代谢通路 （二）（二）TCATCA循环是糖、脂肪和氨基酸代谢联系的枢纽循环是糖、脂肪和氨基酸代谢联系的枢纽
