生物化学：第三节 丙酮酸氧化脱羧与三羧酸循环

简述三羧酸循环中的脱氢及脱羧反应三羧酸循环中的脱氢及脱羧反应——所谓脱氢及脱羧反应，指的是把中间产物酮酸转化成醛、酮或羧酸。

这种将中间体碳骨架上的H原子转移到新的碳骨架上，而生成不饱和醛、酮或羧酸的反应，称为加成反应。

该反应包括两步：第一步是把A-、 2C-和5S-脱去氢原子而得到糖类，此时酮酸可以看做是醛酮或羧酸。

第二步是脱下一分子的氢后，形成新的碳骨架，从而重新生成酮酸，其中O2是给予氢的基团。

当碳骨架上连有一个氢原子时，就成为一个糖基。

该反应又称做氧化反应。

其中的某些类型可用来制备许多天然化合物。

在合成过程中也可作为合成方法。

在生物体内，许多类似的反应也能发生。

比如丙酮酸在脱氢酶的催化下可转变为草酰乙酸，进一步转变为苹果酸，再经一系列的反应，最终生成苹果酸-6-磷酸。

脱氢反应主要在肝脏、骨骼肌和红细胞中进行。

2.H2S+O2→2H2CO2+H2O，在酸性条件下进行3.NAC+H2O→NAC-Cl2+CO2↑+H2O，在碱性条件下进行4.NAC+H2O→NAC-Cl2+H2O，在弱碱性条件下进行5.AMPA+O2→AGaseA+NAC+H2O，在强碱性条件下进行6.AMPA+H2O→AGaseA+NAC+H2O，在弱酸性条件下进行脱羧反应在脑、肝和肾中进行，特别是在脑中最为活跃。

4.NAC+H2O→NAC-Cl2+H2O，在弱碱性条件下进行NAC脱下一分子的氢后，与一分子水反应，生成2NAC-和H2O。

反应中， NAC中的一个碳骨架连接到一个碳骨架上，使它的键长加长了。

同时也发生了一个氧化反应。

反应结束后， NAC就成了醛酮。

在丙酮酸脱氢酶的作用下，可以生成丙酮酸-5-磷酸。

2NAC+ H2O→NAC-Cl2+H2O在弱碱性条件下进行脱羧反应是通过NAC的羰基与一分子水反应而完成的。

三羧酸循环一、丙酮酸脱氢酶复合体（一)反应过程：4步，第一步前半部分不可逆。

1.脱羧，生成羟乙基TPP，由E1（丙酮酸脱氢酶组分）催化。

羟乙基被氧化成乙酰基，转移给硫辛酰胺。

由E2（二氢硫辛酰转乙酰基酶）催化。

2.形成乙酰辅酶A。

由E2催化。

3.还原型E2被氧化形成氧化型E2，由E3（二氢硫辛酰胺脱氢酶）催化，NAD+为氧化剂。

4.氧化硫辛酸，FAD变成FADH2。

氢原子转移给NAD+变成NADH & H+。

丙酮酸脱氢复合体有60条肽链组成，直径30nm，E1和E2各24个，E3有12个。

其中硫辛酰胺构成转动长臂，在电荷的推动下携带中间产物移动。

（二）砷化物对硫辛酰胺有毒害作用，与巯基共价结合使E2辅基改变失去催化作用。

（三)活性调控：此反应处于代谢途径的分支点，收到严密调控：1.产物抑制：乙酰辅酶A抑制E2，NADH抑制E3。

可被辅酶A和NAD+逆转。

2.核苷酸反馈调节：E1受GTP抑制，被AMP活化。

3.共价调节：E1上的特殊丝氨酸被磷酸化时无活性，水解后恢复活性。

丙酮酸抑制磷酸化作用，钙和胰岛素增加去磷酸化作用，ATP、乙酰辅酶A、NADH增加磷酸化作用。

二、三羧酸循环的途径8步。

曾经怀疑第一个组分是其他三羧酸，故名三羧酸循环。

也叫Krebs循环。

由柠檬酸缩合酶催化，高能硫酯键水解推动反应进行。

受ATP、NADH、琥珀酰辅酶A和长链脂肪酰辅酶A抑制。

ATP可增加对乙酰辅酶A的Km。

氟乙酰辅酶A可形成氟柠檬酸，抑制下一步反应的酶，称为致死合成，可用于杀虫剂。

由顺乌头酸酶催化，先脱水，再加水。

是含铁的非铁卟啉蛋白。

需铁及巯基化合物（谷胱甘肽或Cys等）维持其活性。

第一次氧化，由异柠檬酸脱氢酶催化，生成NADH或NADPH。

中间物是草酰琥珀酸。

是第二个调节酶，能量高时抑制。

生理条件下不可逆，是限速步骤。

细胞质中有另一种异柠檬酸脱氢酶，需NADPH，不是别构酶。

其反应可逆，与NADPH还原当量有关。

简述三羧酸循环三羧酸循环，也被称为柠檬酸循环或Krebs循环，是生物体内的一种重要代谢途径。

它是维持细胞能量供应和有机物合成的关键过程。

本文将通过人类视角，以简洁的语言描述三羧酸循环的过程和功能。

三羧酸循环是一系列化学反应的集合，发生在细胞线粒体的内膜系统中。

它的主要功能是将有机物质（如葡萄糖、脂肪酸等）分解为二氧化碳和能量，同时合成一些重要的有机分子。

三羧酸循环是细胞呼吸的重要组成部分，通过产生能量分子ATP来满足细胞的能量需求。

三羧酸循环的过程可以分为四个主要步骤：酸化、脱羧、还原和再生。

首先，葡萄糖或其他有机物质在细胞质内被分解为丙酮酸和辅酶A，然后通过转运蛋白进入线粒体内膜系统。

在线粒体内，丙酮酸被氧化为柠檬酸，再经过一系列的反应逐步转化为其他有机酸。

在这个过程中，每一个有机酸都会脱羧，生成二氧化碳和高能电子。

这些高能电子通过蛋白质复合物呼吸链传递，最终与氧气结合生成水，并释放大量的能量。

在三羧酸循环中，还有一些重要的中间产物，如柠檬酸、草酰乙酸和丙酮酸。

这些中间产物不仅可以用于生成能量，还可以通过其他途径合成脂肪酸、胆固醇等生物大分子。

此外，三羧酸循环还参与调节细胞内的代谢平衡，维持细胞内的酸碱平衡，调节体温等重要生理过程。

三羧酸循环对人体的生物代谢有着重要的影响。

它是有氧呼吸的关键步骤，能够产生大量的ATP，为细胞提供所需的能量。

此外，三羧酸循环还参与葡萄糖代谢、脂肪酸代谢等重要生理过程，对维持身体的正常功能至关重要。

总结起来，三羧酸循环是一种重要的代谢途径，通过将有机物质分解为二氧化碳和能量，并合成其他重要有机分子，满足细胞的能量需求和生物合成的需要。

它不仅对维持细胞正常功能至关重要，还对整个生物体的正常生理过程起着重要调节作用。

通过深入了解三羧酸循环的机制和功能，我们可以更好地理解生物体的代谢过程，并为相关疾病的治疗提供新的思路和方法。

三羧酸循环一、三羧酸循环的概念三羧基循环（tricarboxylic acid cycle），简称TCA循环。

是一个由一系列酶促反应构成的循环反应系统，在该反应过程中，首先在有氧的情况下，葡萄糖酵解产生的丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoA。

乙酰CoA（主要来自于三大营养物质的分解代谢）与草酰乙酸缩合生成含3个羧基的柠檬酸（citric acid），再经过4次脱氢、2次脱羧，生成4分子还原当量（reducing equivalent）和2分子CO2，重新生成草酰乙酸的这一循环反应过程称为三羧酸循环因为在循环的一系列反应中,关键的化合物是柠檬酸,所以称为柠檬酸循环（tricarboxylic acid cycle）。

由于它是由H.A.Krebs（德国）正式提出的，所以又称Krebs 循环。

二、三羧酸循环的过程三羧酸循环的过程主要分三个阶段：第一阶段：丙酮酸的生成（胞浆）第二阶段：丙酮酸氧化脱羧生成乙酰 CoA（线粒体）第三阶段：乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化（线粒体）（一）、丙酮酸的生成（胞浆）葡萄糖 + 2NAD+ + 2ADP +2Pi ——> 2（丙酮酸+ ATP + NADH+ H+ ）（二）、丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A多酶复合体：是催化功能上有联系的几种酶通过非共价键连接彼此嵌合形成的复合体。

其中每一个酶都有其特定的催化功能，都有其催化活性必需的辅酶。

（三）、乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化（线粒体）（1)乙酰-CoA进入三羧酸循环乙酰CoA具有硫酯键，乙酰基有足够能量与草酰乙酸的羧基进行醛醇型缩合。

首先柠檬酸合酶的组氨酸残基作为碱基与乙酰-CoA作用，使乙酰-CoA的甲基上失去一个h+，生成的碳阴离子对草酰乙酸的羰基碳进行亲核攻击，生成柠檬酰-CoA中间体，然后高能硫酯键水解放出游离的柠檬酸，使反应不可逆地向右进行。

该反应由柠檬酸合成酶(citrate synthase)催化，是很强的放能反应。

Tricarboxylic acid/Krebs cycle-1丙酮酸脱氢酶复合体：E1-丙酮酸脱氢酶组分(TPP，丙酮酸氧化脱羧)；E2-二氢硫辛酰转乙酰基酶(硫辛酰胺，将乙酰基转移到CoA)；E3-二氢硫辛酸脱氢酶(FAD，将还原型硫辛酰胺转变为氧化型)丙酮酸+CoASH+NAD+乙酰CoA+CO2+NADH丙酮酸脱氢酶复合体体的调控：①产物控制：NADH和乙酰CoA和酶作用的底物NAD+和CoA竞争酶的活性部位，乙酰CoA抑制E2，NADH抑制E3；如果NADH/NAD+和乙酰CoA/CoA的比值高，E2则处于与乙酰基结合的形式，这时不能接受在E1酶上与TPP结合着的羟乙基基团，使E1酶上的TPP停留在与羟乙基结合的状态，从而抑制了丙酮酸脱羧酶作用的进行。

②E1的磷酸化和去磷酸化是使丙酮酸脱氢酶复合体失活和激活的重要方式；E2分子上结合有两种酶，一种激酶，一种磷酸酶，激酶使E1磷酸化，磷酸酶使磷酸化的E1去磷酸化从而激活E1；Ca2+通过激活磷酸酶的作用，也使E1激活。

柠檬酸合酶：草酰乙酸+乙酰CoA+H2O柠檬酸+CoA+H+乌头酸酶：柠檬酸顺乌头酸+H2O ；顺乌头酸+H2O异柠檬酸(柠檬酸异柠檬酸)异柠檬酸脱氢酶：异柠檬酸+NAD+→草酰琥珀酸+NADH+H+；草酰琥珀酸+H+→a-酮戊二酸+CO2(异柠檬酸+NAD+a-酮戊二酸+NADH+CO2)草酰琥珀酸+H+→a-酮戊二酸+CO2a-酮戊二酸脱氢酶复合体：a-酮戊二酸+NAD++CoASH琥珀酰CoA+NADH+H++CO2琥珀酸-CoA合成酶：琥珀酰CoA+GDP+Pi琥珀酸+GTP+CoASH琥珀酸脱氢酶：琥珀酸+FAD延胡索酸+FADH2延胡索酸酶：延胡索酸+H2O苹果酸苹果酸脱氢酶：苹果酸+NAD+草酰乙酸+NADH+H+(填补反应)丙酮酸羧化酶：丙酮酸+ATP+CO2草酰乙酸+ADP+Pi+2H+(由草酰乙酸或循环中任何一种中间产物的不足而引起TCA速度有任何的降低都会使乙酰CoA浓度增加，而乙酰CoA是丙酮酸羧化酶的激动剂，结果会产生更多的草酰乙酸，从而提高TCA的速度，过量的草酰乙酸被转运到线粒体外用于合成Glc。

三羧酸循环第23章三羧酸循环(⽣物化学下册p92) 3学时学习重点：◆熟悉柠檬酸循环途径中的各步酶促反应，以及各步反应酶的作⽤特点。

◆会分析和计算酵解和柠檬酸循环中产⽣的能量，以及底物分⼦中标记碳的去向。

葡萄糖的有氧氧化包括四个阶段。

①糖酵解产⽣丙酮酸（2丙酮酸、2ATP、2NADH）②丙酮酸氧化脱羧⽣成⼄酰CoA③三羧酸循环（CO2、H2O、A TP、NADH）④呼吸链氧化磷酸化（NADH-----ATP）三羧酸循环：⼄酰CoA经⼀系列的氧化、脱羧，最终⽣成CO2、H2O、并释放能量的过程，⼜称柠檬酸循环、Krebs循环。

原核⽣物：①~④阶段在胞质中真核⽣物：①在胞质中，②~④在线粒体中⼀、丙酮酸脱羧⽣成⼄酰CoA1、反应式：2、丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系是⼀个⼗分庞⼤的多酶体系，位于线粒体膜上，电镜下可见。

E.coli丙酮酸脱氢酶复合体：分⼦量：4.5×106，直径45nm，⽐核糖体稍⼤。

酶辅酶每个复合物亚基数丙酮酸脱羧酶（E1）TPP 24⼆氢硫⾟酸转⼄酰酶（E2）硫⾟酸24⼆氢硫⾟酸脱氢酶（E3）FAD、NAD+12此外，还需要CoA、Mg2+作为辅因⼦这些肽链以⾮共价键结合在⼀起，在碱性条件下，复合体可以解离成相应的亚单位，在中性时⼜可以重组为复合体。

所有丙酮酸氧化脱羧的中间物均紧密结合在复合体上，活性中间物可以从⼀个酶活性位置转到另⼀个酶活性位置，因此，多酶复合体有利于⾼效催化反应及调节酶在反应中的活性。

3、反应步骤反应过程（1）丙酮酸脱羧形成羟⼄基-TPP（2）⼆氢硫⾟酸⼄酰转移酶（E2）使羟⼄基氧化成⼄酰基（3）E2将⼄酰基转给CoA，⽣成⼄酰-CoA（4）E3氧化E2上的还原型⼆氢硫⾟酸（5）E3还原NAD+⽣成NADH4、丙酮酸脱氢酶系的活性调节从丙酮酸到⼄酰CoA是代谢途径的分⽀点，此反应体系受到严密的调节控制，此酶系受两种机制调节。

（1）可逆磷酸化的共价调节丙酮酸脱氢酶激酶（E A）（可被ATP激活）丙酮酸脱氢酶磷酸酶（E B）磷酸化的丙酮酸脱氢酶（⽆活性）去磷酸化的丙酮酸脱氢酶（有活性）（2）别构调节ATP、CoA、NADH是别构抑制剂ATP抑制E1CoA抑制E2NADH抑制E35、能量1分⼦丙酮酸⽣成1分⼦⼄酰CoA，产⽣1分⼦NADH（2.5A TP）。

三羧酸循环三羧酸循环是由四碳原子的草酰乙酸与二碳原子的乙酰辅酶A(丙酮酸氧化脱羧的产物)缩合生成具有三个羧基的柠檬酸开始，经过一系列脱氢和脱羧反应后又以草酰乙酸的再生成结束，在循环过程中，乙酰CoA被氧化成H2O 和CO2，并释放出大量能量。

由于循环中首先生成含有三个羧基的柠檬酸，并且循环中有三个三元羧酸（柠檬酸、异柠檬酸和草酰琥珀酸），故被称为三羧酸循环或柠檬酸循环，简称TCA循环。

1.乙酰CoA 与草酰乙酸缩合形成柠檬酸柠檬酸合成酶Citrate synthase●ATP、NADH、琥珀酰－CoA等抑制酶活性；●草酰乙酸和乙酰－CoA激活酶活性2.柠檬酸异构化生成异柠檬酸3.异柠檬酸氧化脱羧生成—酮戊二酸●三羧酸循环中第一次氧化脱羧作用●异柠檬酸脱氢酶是三羧酸循环的限速酶a)异柠檬酸脱氢酶被Ca2+活化，它是一个别构酶.b)正调控物是ADP，ADP可增加酶和底物的亲和力。

NAD+、Ca2+和ADP有协同作用。

c)NADH和ATP可以抑制酶活性。

d)总之，细胞在具有高能状态时酶活性被抑制; 在低能状态时酶活性被激活.4. —酮戊二酸氧化脱羧成为琥珀酰辅酶A三羧酸循环中第二个氧化脱羧反应，释放大量能量，产生NADH和CO2.此酶也是一个调节酶，受其产物NADH、琥珀酰CoA和Ca2+抑制，细胞高能荷时，ATP也可反馈抑制酶的活性。

5.琥珀酰CoA转化成琥珀酸，并产生GTP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键的步骤。

6.琥珀酸脱氢生成延胡索酸●三羧酸循环中第三步氧化还原反应●琥珀酸脱氢酶是三羧酸循环中唯一掺入线粒体内膜的酶，直接与呼吸链联系。

●延胡索酸是反丁烯二酸，而不是顺丁烯二酸(马来酸)，后者不能参加代谢，对有机体有毒性。

7.延胡索酸被水化生成L-苹果酸8.L-苹果酸脱氢生成草酰乙酸a、总反应式:●总反应式：CH3COSCoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O==2CO2+CoASH+3NADH+3H+ +FADH2+GTP 1GTP = 1 ATP; 1NADH = 3ATP; 1FADH2 = 2ATP葡萄糖在分解代谢过程中产生的能量有两种形式：直接产生ATP；生成高能分子NADH或FADH2，后者在线粒体呼吸链氧化并产生ATP。

基础生物化学Basic Biochemistry7 糖类分解代谢7.1 糖代谢总论7.2 生物体内的糖类7.3 双糖和多糖的酶促降解7.4 糖酵解7.5 三羧酸循环7.6 磷酸戊糖途径7.7 糖醛酸途径丙酮酸的去路丙酮酸的去路取决于氧气的有无。

缺氧时丙酮酸被还原成乳酸或乙醇。

①乳酸的生成②生成乙醇在微生物中丙酮酸脱羧酶催化丙酮酸（Pyr）脱羧生成乙醛，乙醛在乙醇脱氢酶催化下被NADH还原形成乙醇。

有氧条件下，丙酮酸在线粒体中的氧化可分为两个阶段：丙酮酸氧化为乙酰CoA 和乙酰CoA 的乙酰基部分经过三羧酸循环氧化为CO 2。

丙酮酸的去路丙酮酸氧化为乙酰CoA7.5三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA）三羧酸循环的运转①乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸21②异柠檬酸形成2323③异柠檬酸氧化脱酸生成 -酮戊二酸521④ -酮戊二酸氧化脱羧1325⑤琥珀酸的生成⑥琥珀酸脱氢生成延胡索酸琥珀酸脱氢酶结合在线粒体内膜上，而其他三羧酸循环的酶都存在于线粒体基质中。

丙二酸是琥珀酸(丁二酸)的类似物，是琥珀酸脱氢酶强有力的竞争性抑制物，所以可以阻断TCA。

⑦苹果酸的生成⑧草酰乙酸再生227.5.2.2 草酰乙酸的回补反应草酰乙酸的回补主要途径：①丙酮酸的羧化②PEP的羧化③Asp和Glu转氨作用TCA中的化学计量和特点①CO2的生成TCA中有2次脱羧基反应，通过脱羧作用生成CO2是机体内产生CO2的普遍规律，可见其体CO2的生成与体外燃烧生成CO2的过程不同。

②脱氢反应三羧酸循环的4次脱氢，其中3对氢原子还原NAD生成NADH，1对氢原子还原FAD生成FADH2，它们又经呼吸链，最终与氧结合生成水，同时生成ATP。

③在三羧酸循环中有二次脱羧生成2分子CO2，与进入循环的二碳乙酰基的碳原子数相等，但是，以CO2方式失去的碳来自来自草酰乙酸。

三羧酸循环的调控TCA中柠檬酸合成和α-Ket的氧化脱羧反应是不可逆的，因此TCA只能单方向进行。

关于丙酮酸氧化脱羧反应的叙述中丙酮酸氧化脱羧反应是一种重要的有机化学反应，在生物化学中也有很重要的作用。

本文将对该反应进行详细叙述，包括反应机理、反应条件、应用和限制等方面。

一、反应机理丙酮酸氧化脱羧反应的反应式为：CH3COCH2COOH + O2 → CH3COCH2CO + CO2 + H2O该反应可以发生在自然条件下，也可以通过加热或者催化剂的作用进行。

反应中，丙酮酸首先被氧气氧化，生成具有双键的丙酮酸。

然后，丙酮酸进一步失去羧基，生成乙酰丙酮。

最后，产生的二氧化碳和水被释放出来。

丙酮酸氧化脱羧反应是一种重要的氧化反应，而且能够形成较为稳定的产物，因此得到了广泛的应用。

二、反应条件丙酮酸氧化脱羧反应可以在自然条件下进行，但是通常需要通过加热或者催化剂的作用进行。

反应的加热温度一般在100-200℃之间，但是由于丙酮酸具有比较高的挥发性，因此反应需要在封闭的容器中进行。

此外，在氧分压很低的情况下，反应速率将会降低。

反应的催化剂有很多种类，包括氧化剂，如过氧化氢、高锰酸钾和硝酸等。

此外，金属催化剂也可以用来促进该反应，例如铜、铁、钴等。

三、反应应用丙酮酸氧化脱羧反应在很多领域都有广泛的应用，其中最重要的应用是在生物化学中。

在细胞呼吸过程中，丙酮酸通过氧化脱羧反应产生较为稳定的产物——乙酰辅酶A。

乙酰辅酶A是一个非常重要的代谢物，与脂肪酸的β氧化和三羧酸循环等代谢过程密切相关。

此外，丙酮酸氧化脱羧反应还被广泛应用于有机合成中。

由于反应产物乙酰丙酮稳定性较高，因此可以用作氯化乙酰的原料。

此外，还可以通过氧化脱羧反应制备一些有用的化合物，如焦炭酸、丁二酸等。

四、反应限制虽然丙酮酸氧化脱羧反应可以在自然条件下进行，但是其反应速率很慢，因此需要加热或者使用催化剂。

此外，反应的产物乙酰丙酮也会随着反应时间的延长而进一步分解，降低产物收率。

此外，由于丙酮酸本身的分子结构比较杂乱，在反应过程中容易产生杂原子的分离，因此反应的化学计量比较复杂。