第二十章 柠檬酸循环

乳酸或乙醇
③
柠檬酸循环 (线粒体基质)
糖酵解
( 胞液 )
有氧氧化 (aerobic oxidation)分四阶段，第一阶段
④
电子传递链 氧化磷酸化 (线粒体内膜)
在胞液(同糖酵解)，后三个阶段在线粒体中进行。
C6H12O6 + 6O2
6CO2 + 6H2O + 能量
H2O + ATP
CO2
第23章 柠檬酸循环(The Citric Acid Cycle)
第23章 柠檬酸循环(The Citric Acid Cycle)
三、柠檬酸循环的反应机制
草酰乙酸
乙酰CoA 柠檬酸合酶
⑧ 脱氢反应
苹果酸
苹果酸脱氢酶
① 缩合反应
柠檬酸
②a 脱水反应
顺乌头酸酶
顺乌头酸
⑦ 水化反应
延胡索酸酶
顺乌头酸酶
②b 加水反应
异柠檬酸
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1953
for his discovery of the citric acid cycle
for his discovery of co-enzyme A and its importance for intermediary metabolism
氧化形式 还原形式 乙酰化形式
β-巯基乙醇 硫酯
泛酸
乙酰CoA
TPP
3'-磷酸腺苷二磷酸
硫辛酸 (lipoate)
E2(二氢硫辛 酸乙酰转移酶) 的多肽链
第23章 柠檬酸循环(The Citric Acid Cycle)
一、丙酮酸进入柠檬酸循环的准备阶段

柠檬酸循环名词解释
柠檬酸循环也称为三羧酸循环或Krebs循环，是生物体内氧化代谢过程中的重要循环。

其主要功能是将有机物质转化为能量，同时产生二氧化碳和水。

以下是柠檬酸循环中常用到的名词解释：
1. 氧化磷酸化：将ADP转化为ATP的过程，同时释放出能量。

2. 丙酮酸脱羧酶：将丙酮酸转化为乙酰辅酶A的酶。

3. 谷氨酸：一种氨基酸，柠檬酸循环中必需的一种物质。

4. α-酮戊二酸：柠檬酸循环的中间产物，可被转化为其他有机酸。

5. 细胞色素C氧化酶：一种细胞色素，柠檬酸循环中的最后一个酶。

6. 三羧酸：柠檬酸、异柠檬酸和丙酮酸这三种有机酸的统称，柠檬酸循环中的重要物质。

7. 丙酮酸：一种有机酸，是柠檬酸循环中的中间产物之一。

8. 乙酰辅酶A：一种重要的代谢物，柠檬酸循环中的前体物质。

通过理解这些名词的含义，可以更好地理解柠檬酸循环的过程和作用。

- 1 -。

④TCA的第二个限速步骤。
⑤线粒体内有二种异柠檬酸脱氢酶，一种以NAD+ 为电子受体，另一种以NADP+为受体。前者只 在线粒体中，后者在线粒体和胞质中都有。
①由α-酮戊二酸脱氢酶系（a-ketoglutarate dehydrogenase complex）催化，不可逆。
②α-酮戊二酸脱氢酶系为多酶复合体，与丙酮酸脱氢酶系 相似（先脱羧，后脱氢）：包括a-酮戊二酸脱氢酶（aketoglutarate dehydrogenase）（E1，含有TPP），二氢 硫辛酰胺琥珀酰转移酶（dihydrolipoamide succinyl transferase）（E2，含有硫辛酰胺），和二氢硫辛酰胺 脱氢酶（dihydrolipoamide dehydrogenase）（E3.，含 有黄素蛋白）及六种辅因子。
2、一次底物水平的磷酸化、二次脱羧反应， 三个调节位点，四次脱氢反应。
3个NADH、1个FADH2进入呼吸链 3、三羧酸循环中碳骨架的不对称反应
同位素标记表明，乙酰CoA上的两个C原子 在第一轮TCA上并没有被氧化。
被标记的羰基碳在第二轮TCA中脱去。
在第三轮TCA中，两次脱羧，可除去最初 甲基碳的50%，以后每循环一次，脱去余下 甲基碳的50%。
第二个调节点是异柠檬酸转变为α -酮戊二酸的反应
异柠檬酸脱氢酶，ADP能增强异柠檬酸脱氢酶同异柠檬酸之间的亲和力。但 NADH及琥珀酰CoA都对异柠檬酸脱氢酶有抑制作用
2×3/2.5
C 异柠檬酸脱氢酶
NADH
2×3/2.5
A α-酮戊二酸脱氢酶复 NADH 合物
2×3/2.5
琥珀酸脱氢酶 苹果酸脱氢酶
FADH2 NADH
2×2/1.5 2×3/2.5

1．糖的有氧氧化.：指在机体氧供充足时，葡萄糖彻底氧化成CO2和H2O ，并释放出能量的过程。

是机体主要供能方式。

反应部位：胞浆及线粒体糖的有氧氧化过程第一阶段：酵解途径第二阶段：丙酮酸的氧化脱羧第三阶段：三羧酸循环第四阶段：氧化磷酸化2．糖的有氧氧化第一阶段：葡萄糖循糖酵解途径分解为丙酮酸此阶段与无氧分解的过程相似，不同的是3-磷酸甘油醛脱氢生成NADH+H+的去向不同。

无氧的情况下，NADH+H+在细胞浆中将丙酮酸还原生成乳酸；在有氧的情况下，NADH+H+经穿梭作用进入线粒体，氧化成水和能量（3 or 5 ATP）。

第二阶段：丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA此阶段1分子Glu生成2分子NADH+H+ , 5分子ATP。

TPP丙酮酸————————→乙酰CoA丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系包括三种酶和六种辅助因子：三种酶——E1-丙酮酸脱氢酶组分；E2-二氢硫辛酰转乙酰基酶；E3-二氢硫辛酸脱氢酶六种辅助因子——TPP、硫辛酸、CoA-SH、FAD、NAD+、Mg2+多酶复合体位于线粒体内；原核细胞在胞液中TPP的作用：脱羧酶辅酶，将底物移入（出）脱羧酶的活性中心。

此阶段反应特点：_ 反应速度快并且为不可逆反应。

_ 反应中生成的NADH+H+直接进入电子传递链进行氧化磷酸化生成水，产生2.5 ATP。

_ 生成的乙酰辅酶A进入三羧酸循环，CO2可由肺呼出或参与机体内代谢。

分步反应：① O E1CH3-C-COOH + TPP——→羟乙基TPP + CO2② E2羟乙基TPP + 硫辛酸——→乙酰硫辛酸+ TPP③ E2乙酰硫辛酸+ HS～CoA ——→乙酰-CoA + HS-L-HS④ E3HS-L-HS + FAD ——→硫辛酸 + FADH 2⑤ E3FADH2 + NAD+ ——→FAD + NADH+H+砷化物对硫辛酸的毒害作用，砷化物抑制丙酮酸脱氢酶复合体的机制也表现在对α-酮戊二酸脱氢酶复合体的抑制上。

柠檬酸循环—焚烧炉 CoASH 柠檬酸
精氨酸 组氨酸 谷氨酰胺 脯氨酸
丙酮酸
乙 酰 CoA 草酰乙酸
乙 酰 乙 酰 CoA
天冬酰胺
谷氨酸
异柠檬酸
异亮氨酸 甲硫氨酸
α -酮 戊 二 酸 缬 氨 酸
苯丙氨酸
谷氨酰胺
酪氨酸 亮氨酸 赖氨酸 色氨酸
苹果酸 三羧酸循环
琥 珀 酰 CoA
延胡索酸
苯丙氨酸 酪氨酸
二、柠檬酸循环概貌
Citric Acid Cycle
C 2乙 酰 ---C oA
NADH C 4草 酰 乙 酸
C 6柠 檬 酸
C 4苹 果 酸
C 6顺 乌 头 酸
C 4延 胡 索 酸
FADH2
C 6异 柠 檬 酸
NADH
C 4琥 珀 酸
GTP
C 4琥 珀 酰 -C oA
C 6草 酰 琥 珀 酸
CO2
加水加氢
糖酵解+三羧酸循环的效 率
糖酵解
1G → 2ATP+2NADH+2H++2丙酮酸
→ 7ATP
三羧酸循环 2丙酮酸 → 25ATP
———————————————————————
32ATP
• 储能效率=32 ×7.3/686= 34.05 %
其余能量以热量形式： 一部分维持体温，一部分散失。
总反应式
7、延胡索酸水合生成 L-苹果酸 Hydration of Fumarate to Produce Malate
8、 L-苹果酸脱氢形成草酰乙酸 Oxidation of Malate to Oxaloacetate
被草酰乙酸与乙酰CoA缩合（高度放能）反应所推动

⑧L-苹果酸生成草酰乙酸
第四个氧化还原反应
柠檬酸循环
柠檬酸合酶
三羧酸循环
NAD+
NADH+ H+
N
A
D
H
H
G
D
P
+
P
i
GTP
F
A
D
H
2
F
A
D
+
N
A
D
CO2
H 2 O
CO2
乙酰-CoA
(1)
(5)
(6)
(7)
(8)
(3)
(4)
(2)
柠檬酸
异柠檬酸
顺乌头酸
α-酮戊二酸
琥珀酰-CoA
柠檬酸循环
01.
柠檬酸循环:（citrate cycle，三羧酸循环tricarboxylic acid cycle，TCA循环，Krebs循环）
在有氧条件下，丙酮酸通过柠檬酸循环被氧化分解为CO2和水，同时释放能量。 由英国生化学家Hans Krebs发现
一、柠檬酸循环简介
柠檬酸循环的全貌
b.共价修饰调节：丙酮酸脱氢酶激酶
线粒体基质
由8种酶催化完成。
由乙酰辅酶A和草酰乙酸缩合开始，经过一连串反应使一分子乙酰基完全氧化,再生成草酰乙酸而完成一个循环。 每循环一次，经历两次脱羧，使乙酰辅酶A氧化生成CO2和水。
三、柠檬酸循环的各个反应步骤
柠檬酸合酶
柠檬酸合酶
柠檬酸的合成 反应不可逆,第一个调节酶。
2
三大营养物质的最终代谢通路。
3
是CO2的重要来源之一。 两用代谢途径
4
六、柠檬酸循环的双重作用

柠檬酸循环


在无氧条件下，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。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CO2和水。此途径分为柠檬酸循环和 氧化磷酸化两个阶段。 柠檬酸循环的概念：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经一系列氧化、脱羧，最终生成CO2和H2O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，所以亦称为三 羧酸循环。(tricarboxylic acid cycle), 简称TCA循环。由于它是由 H.A.Krebs（德国）正式提出的，所以又称Krebs循环。
CH(OH)COOH + NAD(P)
CHCOOH
1 、乙酰-COA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸
O C-SCOA CH2 柠檬酸合酶 HO-C-COO CH2 COOH2O
COOC=O CH2 + COO-
O C-CH3 S-COA
单向不可逆 可调控的限速步骤
氟乙酰CoA导致致死合成
常作为杀虫药
OH -O-As OH 亚砷酸
HS +
S
-O-As
R 二氢硫辛酰胺 2O
R
S
R-As R S + R H2 O
R-As=O 有机砷化物
+
HS
丙酮酸脱氢酶复合体的调控
由丙酮酸到乙酰CoA是一个重要步骤，处于代谢途径 的分支点，所以此体系受到严密的调节控制： 1、产物抑制：受乙酰CoA和NADH的控制。乙酰CoA抑制 转乙酰基酶E2组分，NADH抑制二氢硫辛酰脱氢酶E3组 分。抑制效应被CoA和NAD+逆转。 2、磷酸化和去磷酸化作用的调节：丙酮酸脱氢酶组分 E1的磷酸化状态无活性，反之有活性。其磷酸化受E2 上结合的激酶和磷酸酶作用。Ca2+通过激活磷酸酶， 使丙酮酸脱氢酶组分活化。 E2

4.四步脱氢反应
异柠檬酸＋NAD＋
-酮戊二酸＋CO2＋NADH＋H＋
-酮戊二酸＋ COA-SH ＋NAD＋ ＋H＋＋CO2
琥珀酰COA＋NADH
琥珀酸＋FAD
延胡索酸＋FADH2
L－苹果酸＋NAD＋ 草酰乙酸＋NADH＋H＋
三.三羧酸循环所生的ATP
乙酰COA进入三羧酸循环，每一次循环通 过GTP产生一分子ATP。反应中共有4个脱 氢步骤，其中三对电子经NADH转递给线粒 体的膜嵴上的电子传递链，最后递给氧，每 对电子产生2.5分子ATP，3对电子共7.5分子 ATP，有一对电子经FADH2转递至电子传递 链，可产生1.5分子ATP。因此每一次循环共 产生10分子ATP。若从丙酮酸脱氢开始计算， 共产生12.5分ATP。
丙酮酸的有氧氧化包括两个阶段：
第一 阶段：丙酮酸的氧化脱羧（丙酮酸 乙酰辅酶A，简写为乙酰CoA）
第二阶段：柠檬酸循环（乙酰CoA H2O 和CO2，释放出能量）
一.丙酮酸的氧化脱羧
• 丙酮酸氧化脱羧反应是连接糖酵解和三羧酸循环的中 间环节。此反应在真核细胞的线粒体基质中进行。
•丙酮酸在丙酮酸脱氢酶系催化下，脱羧形成乙酰CoA。 丙酮酸脱氢酶系是一个非常复杂的多酶体系，主要包括：
2.柠檬酸异构化生成异柠檬酸
柠檬酸
顺乌头酸酶
异柠檬酸
3.异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸
线粒体内含有二种异柠檬酸脱氢酶，一种是以NAD＋为电子 受体，另一种以NADP＋为受体。前者仅在线粒体内，后者也在 细胞质中存在。需NAD＋异柠檬酸脱氢酶被Mg2+、Mn2+活化， 它是一个别构酶，正调控物是ADP，ADP可增加酶和底物的亲 和力。当缺乏ADP时就失去活性。NAD＋、Mg2+和ADP有协同 作用。NADH和ATP可以抑制酶活性。总之，细胞在具有高能状 态时酶活性被抑制。在低能状态时被激活。

柠檬酸循环的化学总结算
（一）柠檬酸循环的化学总结算
TCA总反应为：
CH3COSCoA + 3NAD+ + 2H2O + GTP + Pi + FAD→2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP + 2H+ + CoA SH
乙酰CoA经TCA产生3个NADH，1个FADH2和1个GTP（ATP）。

两个碳以CO2形式离开，4个氢原子形成3分子NADH，1分子FADH2。

柠檬酸循环只能在有氧条件下进行，因为产生的3个NADH和1个FADH2只能经电子传递链被氧化成NAD+和FAD而再生。

经电子传递链NADH被氧化产生2.5ATP，FADH2被氧化产生1.5ATP。

3个NADH，1个FADH2共产生3×2.5 + 1.5 = 9个ATP，再加上1个GTP共产生9 + 1 = 10个ATP。

从丙酮酸脱氢开始计算，每分子丙酮酸氧化脱羧产生1个NADH，合2.5个ATP，所以从丙酮酸开始TCA一次循环共产生12.5个ATP。

从葡萄糖开始，经酵解，1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，2个ATP及2个NADH，再经柠檬酸循环共产生12.5×2 = 25个ATP。

所以1分子葡萄糖经酵解，TCA及氧化磷酸化共产生ATP分子数为：25 + 7 =32个ATP。

α-酮戊二酸 酮戊二酸
α-酮戊二酸脱 酶系 酮戊二酸脱H酶系 酮戊二酸脱
（-） ）
柠檬酸Biblioteka （+） ） ADP
NADH、琥珀酰CoA Ca2+、 ATP、GTP
（五）TCA的回补反应 的回补反应 在正常情况下线粒体中乙酰CoA和草酰乙酸的浓度就不能 在正常情况下线粒体中乙酰CoA和草酰乙酸的浓度就不能 CoA 被柠檬酸合成酶饱和，所以这些中间产物必须不断补充， 被柠檬酸合成酶饱和，所以这些中间产物必须不断补充， 以维持TCA循环。 循环。 以维持 循环 产生草酰乙酸的途径有三个： 产生草酰乙酸的途径有三个： （1）丙酮酸羧化酶催化丙酮酸固定 2生成草酰乙酸 ）丙酮酸羧化酶催化丙酮酸固定CO 丙酮酸固定 丙酮酸羧化酶（辅酶为生物素）是一个调节酶，乙酰CoA 丙酮酸羧化酶（辅酶为生物素）是一个调节酶，乙酰 可以增加其活性。 可以增加其活性。 （2）磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸固 ）磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸固 转化成草酰乙酸，消耗能量。该酶催化可逆反应, 定CO2转化成草酰乙酸，消耗能量。该酶催化可逆反应 在脑、心脏中存在这个反应。 在脑、心脏中存在这个反应。 转氨可生成草酰乙酸和α（3）Asp、Glu转氨可生成草酰乙酸和 酮戊二酸 ） 、 转氨可生成草酰乙酸和 Ile、Val、Thr、Met也会形成琥珀酰 也会形成琥珀酰CoA，最后生成草 、 、 、 也会形成琥珀酰 ， 酰乙酸。 酰乙酸。
（三）乙醛酸循环总反应式 此途径可看作是将2乙酰 转变为1个草酰乙酸 此途径可看作是将 乙酰CoA转变为 个草酰乙酸，同时 乙酰 转变为 个草酰乙酸， 将2分子 分子NAD+和1分子的 分子的FAD还原。乙醛酸循环总反应式： 还原。乙醛酸循环总反应式： 分子 分子的 还原

乙酰辅酶A 柠檬酸异柠檬酸α-酮戊二酸琥珀酰辅酶A琥珀酸延胡索酸苹果酸草酰乙酸2C:乙酰CoA-SH 4C:草酰乙酸6c:柠檬酸不可逆反应２Ｃ＋4Ｃ＝６Ｃ柠檬酸合成酶乙酰辅酶Ａ草酰乙酸柠檬酸限速酶不可逆反应草酰乙酸乙酰–CoA 柠檬酰-CoA Asp OAAanalog acetyl-CoA酸柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸顺乌头酸酶顺乌头酸酶Prochiral C 前手性* 顺乌头酸酶能识别这两个羧甲基基团有助于柠檬酸结合活性位点柠檬酸的结构柠檬酸的立体结构该键没有固定不容易被攻击该键被固定容易被攻击完全激活位点柠檬酸的异构问题草酰乙酸L-柠檬酸异柠檬酸只有这种产物产生能够形成L-α-酮戊二酸但自然界不存在6Ｃ-１Ｃ＝５Ｃ异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸α－酮戊二酸不可逆反应异柠檬酸脱氢酶草酰琥珀酸异柠檬酸α－酮戊二酸５Ｃ-１Ｃ＝４Ｃα-酮戊二酸氧化脱羧形成琥珀酰 - CoAα－酮戊二酸脱氢酶复合体α－酮戊二酸琥珀酰-CoA不可逆反应琥珀酰-CoA 琥珀酸琥珀酰-CoA合成酶GDP + Pi GTP CoA-SH琥珀酰合成酶结构琥珀酰CoA合成酶琥珀酰CoA琥珀酸合酶琥珀酸磷酸化酶琥珀酸脱氢形成延胡索酸琥珀酸延胡索酸琥珀酸脱氢酶FAD FAD H2延胡索酸水合成苹果酸延胡索酸 苹果酸延胡索酸酶H2O酸L-苹果酸草酰乙酸苹果酸脱氢酶NAD+NAD H + H +2C柠檬酸循环carbon atoms from acetyl CoAonly 柠檬酸循环柠檬酸异柠檬酸α－酮戊二酸琥珀酰CoA 琥珀酸延胡索酸苹果酸草酰乙酸乙酰CoA葡萄糖６-磷酸果糖3-磷酸甘油醛1,3-二磷酸甘油酸磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸异柠檬酸α-酮戊二酸琥珀酰-CoA琥珀酸苹果酸６`磷酸葡萄糖1,６二磷酸果糖3-磷酸甘油酸1,3-二磷酸甘油酸丙酮酸乙酰CoAα-酮戊二酸琥珀酰-CoA琥珀酸延胡索酸草酰乙酸中心异化途径酶系八步连续反应乙酰-CoA草酰乙酸柠檬酸2CO23 NADH 1 FADH2 1 ATP/GTP异化/同化两用丙酮酸羧化酶填补反应。

TCA背景知识
2、细胞呼吸（cell respiration） 要经历三个阶段：糖酵解阶 段、柠檬酸循环阶段、氧化 磷酸化阶段。 3、糖酵解的产物丙酮酸进入 TCA之前有一准备过程，即 形成乙酰CoA。
TCA准备阶段
丙酮酸在丙酮酸脱氢酶系催化下氧化脱羧形 成乙酰辅酶A。
IRREVERSIBLE
• In 1937, Krebs found that citrate could be formed in muscle suspensions if oxaloacetate and either pyruvate or acetate were added. Now, he get a cycle:
• In 1932, Krebs was studying the rates of oxidation of small organic acids by kidney and liver tissue. Only a few of substances were active in these experiments---notably succinate, fumarate, acetate, malate, and citrate.
Brief history of TCA
• The first major investigation into the intermediary metabolism of oxidation was that of Thunberg, who examined systematically the oxidizability of organic substances in isolated animal tissues. Between 1906 and 1920 he tested the oxidation of over 60 organic substances, chiefly in muscle tissue. He discovered the rapid oxidation of the salts of a number of acids, such as lactate(乳酸盐), succinate(琥珀酸盐), fumarate(延胡索酸盐), malate(苹果酸盐), citrate(柠檬酸盐), and glutamate(谷氨酸盐).