第四节三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA循环）
引子：
上一节讲授了糖在无氧条件下的分解代谢，揭示了乙醇和乳酸的发酵机制；但EMP 途径只释放出少量的能量。生命运动所需能量从何而来？从糖的有氧分解代谢。这个过
程是如何完成的？三羧酸循环可以回答上述问题。而且，该途还可解释柠檬酸、谷氨酸
发酵的生化机制。
本章要求：
全面掌握TCA循环反应途径，包括反应的起始物、净生成物、反应过程、反应场所、主要酶类、能量变化、生物学和实践意义等。了解个代谢途径的相互关系。
糖的有氧分解代谢途径：可分为三个环节——
①葡萄糖——→丙酮酸, 与糖酵解过程一致，在细胞液中进行
②丙酮酸脱氢脱羧和TCA循环，在线粒体中进行
③脱下的氢进入呼吸链，在线粒体中进行
糖的有氧分解实际上是丙酮酸在有氧条件下的彻底氧化，可分为两个阶段：
丙酮酸氧化为乙酰-CoA
乙酰-CoA的乙酰基部分经过三羧酸循环被彻底氧化为CO2和H2O，同时释放出大量能量。
三羧酸循环是英国生物化学家Krebs于1937年提出的，后被证实，该途径在动植物和微生物细胞中普遍存在，具有重要的生理意义。这是生物化学领域中一项经典性成就。为此Krebs于1953年获诺贝尔奖。这个循环称Krebs循环，此循环的第一个产物是柠檬酸，又称柠檬酸循环（citric acid cycle），因为柠檬酸有三个羧基，所以也称三羧酸循环。三羧酸循环不仅是糖代谢的主要途径，也是蛋白质、脂肪氧化分解代谢的最终途径。
一、丙酮酸的氧化脱羧
1．总反应：
——丙酮酸在有氧条件下，由丙酮酸脱氢酶系催化生成乙酰-CoA的不可逆反应。
2．关于丙酮酸脱氢酶系（pyruvate dehydrogenase complex）
该酶是一个多酶复合体，位于线粒体内膜上，包括三种酶和六种辅助因子：
丙酮酸脱氢酶（E1）、
二氢硫辛酸转乙酰酶（E2）、
二氢硫辛酸脱氢酶（E3）；
六种辅助因子——TPP、硫辛酸、CoASH、FAD、NAD+、Mg2+。
3．反应过程——酶系催化的反应分五步进行：（见下页）
上述反应生成的乙酰CoA进入三羧酸循环，而NADH＋H+则进入呼吸链，产生能量。
该反应受到能量水平与代谢物水平的调节：当细胞内ATP、乙酰CoA和NADH含量高时，可以抑制丙酮酸脱氢酶系。其抑制机理是：使丙酮酸脱氢酶的一个亚基磷酸化而失活；CoA抑制二氢硫辛酸转乙酰基酶，NADH抑制二氢硫辛酸脱氢酶，从而阻止丙酮酸氧化脱羧的进行。
二、三羧酸循环的反应过程
在有氧条件下，乙酰-CoA中的乙酰基经过三羧酸循环被彻底氧化为CO2和H2O，整个过程包括合成、加水、脱氢、脱羧等9步反应。
三羧酸循环中的酶
（1）丙酮酸脱氢酶系
（2）柠檬酸合成酶
（3）顺乌头酸酶
（4）、（5）异柠檬酸脱氢酶
（6）α-酮戊二酸脱氢酶系
（7）琥珀酸硫激酶
（8）琥珀酸脱氢酶
（9）延胡索酸酶
（10）苹果酸脱氢酶
1．乙酰-CoA与草酰乙酸缩合生成柠檬酸
由柠檬酸合酶（citrate synthetase）的催化下，形成1分子柠檬酸并释放CoASH，放出大量能量，反应不可逆。
2．柠檬酸异构化生成异柠檬酸
反应由顺乌头酸酶（cis-aconitase）催化。柠檬酸先脱水生成顺乌头酸，然后再加水生成异柠檬酸。
3．异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸
由异柠檬酸脱氢酶的催化下，异柠檬酸被氧化脱氢（这是三羧酸循环的第一次氧化还原反应），生成草酰琥珀酸中间产物。它不稳定，迅速脱羧生成α-酮戊二酸。
异柠檬酸脱氢酶有两种，一种以NAD+为辅酶，另一种则以NADP+为辅酶。对NAD+专一的酶位于线粒体中，它是三羧酸循环中重要的酶。对NADP+专一的酶既存在于线粒体中，也存在于细胞质中，它有着不同的代谢功能。
4．α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰-CoA
这是三羧酸循环中第二个氧化脱羧反应，由α-酮戊二酸脱氢酶系催化，该步反应释放出大量能量，为不可逆反应，产生1分子NADH+H+和1分子CO2。
α-酮戊二酸脱氢酶系与丙酮酸脱氢酶系的结构和催化机制相似，由α-酮戊二酸脱氢酶、转琥珀酰酶和二氢硫辛酸脱氢酶三种酶组成；都是氧化脱羧反应，也需要TPP、硫辛酸、CoASH、FAD、NAD＋及Mg2+六种辅助因子的参与；并同样受产物NADH、琥珀酰-CoA及ATP、GTP 的反馈抑制。
5．琥珀酰-CoA生成琥珀酸
琥珀酰-CoA含有一个高能硫酯键，是高能化合物，在琥珀酸硫激酶催化下，高能硫酯键水解释放的能量使GDP磷酸化生成GTP，同时生成琥珀酸。GTP很容易将磷酸基团转移给ADP形成ATP。
这是三羧酸循环中唯一的底物水平磷酸化直接产生高能磷酸化合物的反应。在植物中琥珀酰-CoA直接生成的是ATP而不是GTP。
6．琥珀酸氧化生成延胡索酸
由琥珀酸脱氢酶催化，酶的辅基FAD是氢受体，这是三羧酸循环中的第三次氧化还原反应。
丙二酸、戊二酸等是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。
7．延胡索酸加水生成苹果酸
在延胡索酸酶的催化下，延胡索酸水化生成苹果酸。
8．苹果酸氧化生成草酰乙酸
由苹果酸脱氢酶催化，NAD+是氢受体，这是TCA循环中的第四次氧化还原反应。
至此，草酰乙酸得以再生，又可接受进入循环的乙酰-CoA分子，进行下一轮三羧酸循环反应。三羧酸循环的整个反应历程和催化各步反应的酶概括为表
表三羧酸循环的反应
步骤反应酶辅酶因素
1 乙酰-CoA＋草酰乙酸＋H2O柠檬酸＋
CoASH
柠檬酸合酶CoASH
2 柠檬酸异柠檬酸乌头酸酶Fe2+
3 异柠檬酸＋NAD+草酰琥珀酸＋NADH＋H+异柠檬酸脱氢酶NAD+、Mg2+
4 草酰琥珀酸α-酮戊二酸＋CO2－
5 α-酮戊二酸＋CoASH＋NAD+琥珀酸-CoA
＋NADH＋H+＋CO2α-酮戊二酸脱氢
酶系
CoASH、NAD+、硫辛
酸、TPP、FAD、Mg2+
6 琥珀酸-CoA＋GDP＋Pi GTP＋琥珀酸＋
CoASH
琥珀酸硫激酶CoASH、GDP、GTP
7 琥珀酸＋FAD-酶延胡索酸＋FADH2-酶琥珀酸脱氢酶FAD
8 延胡索酸＋H2O苹果酸延胡索酸酶－
+++总反应：乙酰-CoA＋3NAD＋FAD＋GDP＋Pi＋2H2O 3 NADH＋H＋FADH2＋2CO2＋GTP
关于丙酮酸氧化和三羧酸循环化学过程的几点说明：
（1）丙酮酸的氧化和三羧酸循环步骤都是在线粒体中进行的。EMP途径中在细胞液中生成的丙酮酸可以穿过线粒体膜而进行上述分解代谢。
（2）三羧酸循环中的多个步骤是可逆的，但柠檬酸的合成和α-酮戊二酸的脱氢和脱羧是不可逆，故整个循环是单方向进行的。
（3）丙酮酸经过3次脱羧和和5次脱氢，即可彻底氧化。动物和人体呼出的CO2主要来源于此。
脱下的氢进入呼吸链即可产生能量。
（4）分子氧并不直接参与三羧酸循环，但三羧酸循环只能在有氧条件下才能进行，因为只有当电子传递给分子氧时，NAD+和FAD才能再生；如果没有氧，NAD+和FAD不能再生，三
羧酸循环就不能继续进行，因此，三羧酸循环是严格需氧的。
三、葡萄糖有氧氧化过程中的能量计算
葡萄糖完全氧化反应式：
C6H12O6+6O2——→6CO2 + 6H2O + 686 k cal
体内和体外完全氧化所释放的能量相同。
1. 由1 mol 葡萄糖——→2mol 丙酮酸时：
产生2 mol ATP 和2 mol NADH ＋H+, 经呼吸链后，再产生6mol ATP, 共8 mol ATP
2. 由1 mol 丙酮酸经过TCA循环后，有一次底物水平磷酸化生成1分子GTP和5次脱氢（其中
4次为NADH＋H+，1次为FADH2），进入呼吸链后，共产生15 mol ATP, 即1+4×3+1×2＝15
若有1 mol 葡萄糖完全氧化，则净产生38 mol ATP
即8 + 2×15 ＝38
由此可以计算出葡萄糖氧化过程中能量被储藏的效率或能量利用率：
(38×7.3) / 686 ＝42％
四、三羧酸循环的生物学意义
动物、植物及微生物都存在三羧酸循环途径，所以三羧酸循环具有普遍的生物学意义。
1．三羧酸循环是机体将糖或其它物质氧化而获得能量的最有效方式。
如上计算，每分子葡萄糖经有氧氧化生成H2O和CO2时，可净生成38分子ATP。
2．三羧酸循环不仅是糖代谢的重要途径，也是脂肪、蛋白质和核酸代谢时最终氧化为CO2和H2O 时的重要途径。同时也是糖、脂和蛋白质三大类物质代谢与转化的枢纽。
比如：此循环的中间产物如草酰乙酸、α-酮戊二酸、丙酮酸、乙酰CoA等是合成糖、氨基酸、脂肪等的原料。蛋白质水解的产物如谷氨酸、天冬氨酸、丙氨酸等脱氨后或转氨后
的碳架要通过三羧酸循环才能被彻底氧化；脂肪分解后的产物脂肪酸经β-氧化后生成乙酰
-CoA以及甘油，也要经过三羧酸循环而被彻底氧化
3. 在发酵关于中正是利用了上述关系来生产各种工业产品。如谷氨酸和柠檬酸的生产。
【关于谷氨酸的生产】：
条件1：α-酮戊二酸——→谷氨酸，具备高活力的谷氨酸脱氢酶，谷氨酸棒杆菌。
条件2：通过“添补”途径补充草酰乙酸。也叫丙酮酸羧化支路，有3种方式：
A. 丙酮酸——→草酰乙酸
丙酮酸羧化酶在动物、植物、微生物中普遍存在。该酶是寡聚酶，有4个亚基，各需一分子生物素和一个二价金属离子(Mg2+)作辅基，乙酰CoA是其变构激活剂，反应
需要ATP供能.
B. 丙酮酸——→苹果酸(苹果酸酶是真核细胞中的一种酶)
C. 磷酸烯醇式丙酮酸——→草酰乙酸，(在植物和细菌中普遍存在)
【关于柠檬酸的发酵生产】：
草酰乙酸＋乙酰-CoA＋H2O柠檬酸＋CoASH （黑曲霉）
条件1：阻断顺乌头酸酶催化的反应才可能积累柠檬酸。
措施A——针对顺乌头酸酶的酶学性质使用抑制剂降低顺乌头酸酶活性。该酶是个含铁的非血红素蛋白，有铁流中心(Fe4S4)作为辅基。在菌体生长繁殖到一定程度时，适量加入亚铁氰化钾(黄血盐)，使其与
铁硫中心的Fe2+生成络合物，则顺乌头酸酶失
活或活力大大降低，从而实现柠檬酸积累。
措施B——是通过诱变造成生产菌种顺乌头酸酶缺
损或活力很低，积累柠檬酸。
条件2：通过“添补”途径补充草酰乙酸。
五、三羧酸循环的调控
三羧酸循环的速率受到精细的调节控制以适应细胞
对ATP的需要。主要有三个控制部位：
第一个控制部位是柠檬酸合酶。该酶催化乙酰CoA和草酰乙酸生成柠檬酸，它是三羧酸循环途径的关键限速酶。ATP是此酶的变构抑制剂，它能
提高柠檬酸合酶对其底物乙酰-CoA的K m值，即
当ATP水平高时，有较少的酶被乙酰-CoA所饱和，
因而合成的柠檬酸就少。而作为底物的草酰乙酸和
乙酰CoA浓度高时，可激活柠檬酸合成酶。
第二个控制部位是异柠檬酸脱氢酶。ATP、琥珀酸-CoA
和NADH抑制异柠檬酸脱氢酶的活性；而ADP
是该酶的变构激活剂，能增大此酶对底物的亲和
力。
第三个控制部位是α-酮戊二酸脱氢酶系。该酶受ATP
及其所催化的反应产物琥珀酰-CoA、NADH的抑
制。
总之，调节三羧酸循环的关键因素是［NADH］／
［NAD＋］的比值、［A TP］／［ADP］的比值和草酰乙酸、乙酰CoA等代谢物的浓度。
第3节生态系统的物质循环的习题 知识点一碳循环1．如图是生态系统中某元素循环的模式图，对该图 的叙述正确的是 ．这是碳元素的循环A 两种生物是生态系统中不可缺少的成分A与BB．．该物质循环只在某生态系统内进行C．图中缺少化学燃料的燃烧D 2．在生态系统中，对碳循环起决定作用的关键环节是．绿色植物的光合作用和微生物的分解作用BA．微生物的分解作用 ．煤和石油的燃烧D．动物的呼吸作用C 3.如图是自然界碳循环的简图，图中甲、乙、丙各代表 A．甲为生产者、乙为分解者、丙为消费者B．甲为消费者、乙为分解者、丙为生产者C．甲为分解者、乙为生产者、丙为消费者D．甲为生产者、乙为消费者、丙为分解者土壤微生物的分解作用知识点二4．如图是两个生态系统中腐殖质总量随时间的变化情况，这两个生态系统
分别是 B是热带雨林B．A是热带雨林，B是温带草原A．A是热带草原，B是温带草原D．A是冻土苔原，是冻土苔原，C．AB是热带雨林同时加利用泥浆生物反应器处理污染土壤，原理是将污染土壤用水调成泥浆状，5．入部分营养物质和菌种等，在有氧条件下剧烈搅拌，使污染物快速分解。由此推知，该反应器B．主要处理有机污染A．能够实现物质循环 D．存在能量输入、传递、转化和散失C．可看作一个小型生态系统 能量流动与物质循环的关系知识点三 ) 6．下列关于生态系统中物质循环和能量流动的叙述中，不正确的是( A．生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程为生态系统的能量流动B．生产者通过光合作用合成有机物，能量就从无机环境流入生物群落C．物质是能量的载体，生态系统的能量是伴随物质而循环利用的CO的形式进行的D．碳在生物群落与无机环境之间的循环主要是以2) ．下列关于生态系统中的能量流动和物质循环的叙述，不正确的是(7 A．能量流动和物质循环是独立进行的两个过程B．能量流动和物质循环是相互依存的两个过程．物质循环的进行需要能量的推动D．能量流动的载体是各种有机物C) ( 8．下列与生态系统功能相关的描述中，错误的是 ．碳循环过程需要能量的驱动A ．物质与能量在生物与环境之间循环流动B 1 C．植物的光合作用和生物的死亡分解是碳循环的一部分 D．全球气候变暖与地球上大气中碳的收支不平衡有关 能力提升9．火灾常给森林带来较大危害，但是在某些国家有时会对寒带地区森林中的残枝落叶等进 行有限度的人工火烧，来对森林进行资源管理。这种人工火烧的主要目的是 A．消灭森林病虫害B．刺激树木种子萌发C．加速生态系统的分解过程D．提高森林的蓄水能力 10．下图表示生物圈中碳元素的循环过程，下列有关叙述正确的是
．能量主要是以太阳能的形式输入生态系统 分别代表生产者、分解者和消费者 ．在一个幼苗茁壮成长的农田生态系统中能量的输出量和输入量相等是生产者，那么组分1代表的是绿色植物 ，生物个体数量最多的是 ．若水体受有机磷农药轻微污染，则受害最严重的是a 含1.3×108kJ，则a
大气中的碳元素进入生物群落，是通过植物的________或硝化细菌等的____________ ．碳在生物群落和无机环境之间循环是以________的形式进行的。碳元素在生物群落中的传播，________________，传递形式为________。 来源有三个：一是________________；二是________________ ．实现碳在生物群落和无机环境之间进行循环的关键是________和________ 碳在无机环境与生物群落之间传递时，只有生产者与无机环境之间的传递是 ________的。 1 不同时期陆地生态系统与大气环境的碳交换情况。 ．从图中可以看出，无机环境为生物成分提供________和________。 ，通过光合作用合成有机物、固定太阳能，然后沿共同的渠道——食物 ．能量的固定、储存、转移和释放，离不开物质的________与________ ________，使能量沿着食物链(网)流动。 使物质循环不断地在生物________与________之间循环往返， 形式存在和流动，能量促进了物质的循环。 ．能量流动具有单向流动、逐级递减的特点，能在各级生态系统中进行。 探究示例2 示循环过程。下列有关说法正确的是 是指二氧化碳和一氧化碳 ．完成①过程的能量主要是由⑧过程提供的 经⑤、⑥、⑦过程获得的能量占A、B、C总能量10%～20% 变式训练2(2011·苏州联考)图1是某生态系统碳循环示意图，其中 内各生物成分，、5表示有关的生理过程；图2为该生态系统中某一食物链及部分能 分别属于________________。碳元素在生物群落内传递是沿 中表示呼吸作用过程的是________(填序号)。A、C、D为B提供____________
５、3 生物系统得物质循环导学案 科目:高二生物组稿：张凤英张宝军使用时间20１６/10／2５印刷份数 1200 学习目标： 1．以碳循环为例，分析生态系统中得物质循环. 2．尝试探究土壤微生物得分解作用。 3．说明能量流动与物质循环得关系。 4．关注碳循环平衡失调与温室效应得关系。 学习过程 一、碳循环 1。循环路线 ⑴在生物群落与无机环境之间:以得形式进行。 ⑵在生物群落内:以得形式进行。 2．过程图解 特别提醒:碳在无机环境与生物群落之间传递时,只有与之间得传递就是相互得，其她各成分之间得传递都就是单向得. 3.特点:具有 ,循环性. ４。温室效应 ⑴形成原因：化学燃料短时间内大量燃烧使大气中CO2 ,打破了得平衡。 ⑵危害：。 ⑶防止或减缓温室效应得主要措施：①改善能源结构，开发新能源(核能、水能等）,尽量减少化学燃料得燃烧（减少ＣO２得来路）.②大力推行植树造林活动（增加CO2得去路)。思考讨论：1。碳在无机环境中得主要存在形式：＿_＿＿__＿_ ２．碳从无机环境进入生物群落得形式: ___________ 3.碳在生物群落中得主要存在形式: ___＿_＿__ 4．碳从无机环境进入生物群落得方式：＿__＿＿＿_＿__＿__＿___＿_＿___＿＿__＿_ 5。碳在生物群落中得传递途径就是 _＿＿＿__＿___＿＿＿＿___＿_＿_＿____________＿ ６。碳从生物群落进入无机环境得主要方式：＿__＿＿_______＿＿__＿_＿__＿_＿＿＿ 7.碳循环得范围____＿＿______＿__ 二、生态系统得物质循环 指组成生物体得等元素,都不断得进行着从无机环境到，又从_______＿__到无机环境得循环过程，这就就是生态系统得物质循环。这里所说得生态系统，指得就是，其中得物质循环具有 ,因此又叫 . 思考讨论：
物质循环的实例——碳循环 高考频度：★★★☆☆难易程度：★★★☆☆ 图为生态系统碳循环示意图，图中A、B、C代表生态系统成分，数字表示碳的流动。下列叙述正确的是 A．图中生产者和B构成食物链或食物网 B．①②④⑥⑦为CO2形式，③⑤为有机物形式 C．③④⑤⑥⑦之和等于生产者同化的碳的总量 D．经③流向B的碳全部储存于B体内的有机物中 【参考答案】A 1．生态系统的物质循环是指 A．组成生物体的基本元素在陆地生态系统中的物质循环和能量流动的复杂过程 B．能量流经生态系统各营养级时逐级递减的全过程 C．组成生物体的基本元素在组成生态系统的生物群落的生物体内的反复循环运动 D．组成生物体的基本元素在生物圈的生物群落与无机环境之间的反复循环运动 2．如图是生态系统中碳循环示意图，下列对该图的说法错误的是 A．本图是2条食物链 B．A和C之间是以CO2的形式转化的 C．B分解A、D、E时利用了它们同化的全部能量 D．E在食物链中最高是第3营养级 3．如图为一个生态系统碳循环的模式图，则 A．碳通过光合作用和化能合成作用进入甲
B．乙只表示初级消费者 C．丙处于最高营养级 D．丁主要是微生物 4．如图为生态系统中碳循环的部分示意图，下列说法正确的是 A．碳元素在食物链中的传递途径是A→B B．完成A过程的生物细胞中都含有叶绿体 C．图示碳循环过程中伴随着能量流动 D．进行B过程的生物只有消费者、分解者 1．【答案】D 【解析】生态系统的物质循环指的是组成生物体的元素在生物圈的生物群落与无机环境之间的反复循环运动。这种运动具有全球性，它不局限于某一生态系统或生态系统的生物群落中，也不同于能量在流经各营养级时逐级递减的过程。 3．【答案】A 【解析】分析题图可知:甲为生产者，乙为消费者，丙为分解者，丁为大气中的CO2库，则B、C、D不正确；生产者包括能够进行光合作用的生物和进行化能合成作用的生物（如硝化细菌），A正确 4．【答案】C 【解析】碳元素在无机环境和生物群落中的传递途径是A→B，A项错误；A过程是将CO2转化成有机物，这是自养生物可以进行的过程，包括硝化细菌、光合细菌、绿色植物，其中硝化细菌和光合细菌没有叶绿体，B项错误；物质循环同时伴随着能量流动，能量是物质循环的动力，物质是能量的载体，C项正确；B过程是将有机物氧化分解，是细胞呼吸过程，所有生物都可以进行细胞呼吸，包括生产者、消费者和分解者，D项错误。